UNIVERSIDAD DE SEVILUNIVERSIDAD DE SEVILLA...

UNIVERSIDAD DE SEVILUNIVERSIDAD DE SEVILUNIVERSIDAD DE SEVILUNIVERSIDAD DE SEVILLALALALA

ESCUELA TÉCNICA SUPEESCUELA TÉCNICA SUPEESCUELA TÉCNICA SUPEESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROSRIOR DE INGENIEROSRIOR DE INGENIEROSRIOR DE INGENIEROS

Departamento de Ingeniería Química y Ambiental.Departamento de Ingeniería Química y Ambiental.Departamento de Ingeniería Química y Ambiental.Departamento de Ingeniería Química y Ambiental.

Proyecto final de carreraProyecto final de carreraProyecto final de carreraProyecto final de carrera

““““DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN REACTOR DE LECHO DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN REACTOR DE LECHO DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN REACTOR DE LECHO DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN REACTOR DE LECHO FLUIDO DE LABORATORIO PARA LA MEDIDA DE FLUIDO DE LABORATORIO PARA LA MEDIDA DE FLUIDO DE LABORATORIO PARA LA MEDIDA DE FLUIDO DE LABORATORIO PARA LA MEDIDA DE

TEMPERATURA DE PARTÍCULAS DE TEMPERATURA DE PARTÍCULAS DE TEMPERATURA DE PARTÍCULAS DE TEMPERATURA DE PARTÍCULAS DE CARBONIZADO CARBONIZADO CARBONIZADO CARBONIZADO DURANTE EL PROCESO DE OXIDURANTE EL PROCESO DE OXIDURANTE EL PROCESO DE OXIDURANTE EL PROCESO DE OXI----COMBUSTIÓN Y OXICOMBUSTIÓN Y OXICOMBUSTIÓN Y OXICOMBUSTIÓN Y OXI----

GASIFICACIÓNGASIFICACIÓNGASIFICACIÓNGASIFICACIÓN””””

Presentado por Jesús Salinero González para la obtención del título Presentado por Jesús Salinero González para la obtención del título Presentado por Jesús Salinero González para la obtención del título Presentado por Jesús Salinero González para la obtención del título de Ingeniero Industrial.de Ingeniero Industrial.de Ingeniero Industrial.de Ingeniero Industrial.

Director del proyecto:Director del proyecto:Director del proyecto:Director del proyecto:

D. Alberto Gómez Barea.D. Alberto Gómez Barea.D. Alberto Gómez Barea.D. Alberto Gómez Barea.

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN REACTOR DE LECHO FLUIDO DE LABORATORIO PARA LA MEDIDA DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN REACTOR DE LECHO FLUIDO DE LABORATORIO PARA LA MEDIDA DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN REACTOR DE LECHO FLUIDO DE LABORATORIO PARA LA MEDIDA DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN REACTOR DE LECHO FLUIDO DE LABORATORIO PARA LA MEDIDA DE TEMPERATURA DE PARTÍCULAS DE CARBONIZADO DURANTE EL PROCESTEMPERATURA DE PARTÍCULAS DE CARBONIZADO DURANTE EL PROCESTEMPERATURA DE PARTÍCULAS DE CARBONIZADO DURANTE EL PROCESTEMPERATURA DE PARTÍCULAS DE CARBONIZADO DURANTE EL PROCESO DE OXIO DE OXIO DE OXIO DE OXI----COMBUSTIÓN Y OXICOMBUSTIÓN Y OXICOMBUSTIÓN Y OXICOMBUSTIÓN Y OXI----GASIFICACIÓN.GASIFICACIÓN.GASIFICACIÓN.GASIFICACIÓN.

2222

RESUMEN CAPITULAR………………………………………………………………..RESUMEN CAPITULAR………………………………………………………………..RESUMEN CAPITULAR………………………………………………………………..RESUMEN CAPITULAR………………………………………………………………..4

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN.CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN.CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN.CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN.

1.1. COMBUSTIÓN.1.1. COMBUSTIÓN.1.1. COMBUSTIÓN.1.1. COMBUSTIÓN. ............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 6666

1.1.2. COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO. ........................................................................ 7

1.2. OXI1.2. OXI1.2. OXI1.2. OXI----COMBUSTIÓN.COMBUSTIÓN.COMBUSTIÓN.COMBUSTIÓN. ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................10101010

1.2.1. OXI-COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO. .............................................................. 11

1.3. IMPORTANCIA DE MEDIR LA TEMPERATURA.1.3. IMPORTANCIA DE MEDIR LA TEMPERATURA.1.3. IMPORTANCIA DE MEDIR LA TEMPERATURA.1.3. IMPORTANCIA DE MEDIR LA TEMPERATURA. ........................................................................................................................................................................................................ 12121212

1.3.1. MEDICIONES DE LA TEMPERATURA. .................................................................... 13

1.4. EL PROYECTO OXICOGAS1.4. EL PROYECTO OXICOGAS1.4. EL PROYECTO OXICOGAS1.4. EL PROYECTO OXICOGAS----2G.2G.2G.2G. ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 14141414

1.5. OBJETIVO Y ALCANCE DE ESTE PROYECTO.1.5. OBJETIVO Y ALCANCE DE ESTE PROYECTO.1.5. OBJETIVO Y ALCANCE DE ESTE PROYECTO.1.5. OBJETIVO Y ALCANCE DE ESTE PROYECTO. .................................................................................................................................................................................................................... 14141414

CAPÍTULO 2. REVISIÓN DE TÉCNICAS PARA CAPÍTULO 2. REVISIÓN DE TÉCNICAS PARA CAPÍTULO 2. REVISIÓN DE TÉCNICAS PARA CAPÍTULO 2. REVISIÓN DE TÉCNICAS PARA LA MEDIDA DE TEMPERATURAS DE LA MEDIDA DE TEMPERATURAS DE LA MEDIDA DE TEMPERATURAS DE LA MEDIDA DE TEMPERATURAS DE PARTÍCULAS EN COMBUSTIÓN.PARTÍCULAS EN COMBUSTIÓN.PARTÍCULAS EN COMBUSTIÓN.PARTÍCULAS EN COMBUSTIÓN.

2.1. ESTADO DEL ARTE EN LA MEDIDA DE LA TEMPERATURA DE PARÍCULAS 2.1. ESTADO DEL ARTE EN LA MEDIDA DE LA TEMPERATURA DE PARÍCULAS 2.1. ESTADO DEL ARTE EN LA MEDIDA DE LA TEMPERATURA DE PARÍCULAS 2.1. ESTADO DEL ARTE EN LA MEDIDA DE LA TEMPERATURA DE PARÍCULAS DURANTE LA COMBUSTIÓN.DURANTE LA COMBUSTIÓN.DURANTE LA COMBUSTIÓN.DURANTE LA COMBUSTIÓN. ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 17171717

2.1.1. ESTADO DEL ARTE EN LA MEDIDA DE LA TEMPERATURA DE LAS PARTÍCULAS DE CARBÓN EN COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO. .......................... 19

2.2. MÉTODOS Y TÉCNICAS TERMOMÉTRICAS EN LA MEDIDA DE TEMPERATURA DE LA PARTÍCULA DE CARBÓN EN COMBUSTIÓN. .................................................... 21

2.2.1. TERMOMETRÍA FOTOGRÁFICA. ....................................................................... 21

2.2.2. TERMOMETRÍA MEDIANTE TERMOPARES. .................................................... 22

2.2.3. CABLE FUNDIBLE ANILLADO ALREDEDOR DE LA PARTÍCULA. .................. 22

2.2.4. PIROMETRÍA EN DOS COLORES APLICADA A UN REACTOR DE LECHO FLUIDO. ............................................................................................................................. 23

2.2.5. PIROMETRÍA EN DOS COLORES APLICADA A UN REACTOR DE FLUJO DE ARRASTRE.......................................................................................................................... 25

2.2.6. PIROMETRÍA COLOR-BANDA............................................................................ 26

CAPÍTULO 3: DESARROLLO Y MODELADO DEL MÉTODO DE MEDIDA DE CAPÍTULO 3: DESARROLLO Y MODELADO DEL MÉTODO DE MEDIDA DE CAPÍTULO 3: DESARROLLO Y MODELADO DEL MÉTODO DE MEDIDA DE CAPÍTULO 3: DESARROLLO Y MODELADO DEL MÉTODO DE MEDIDA DE TEMPERATURA DE PARTÍCULAS EN COMBUSTIÓN EN EL PRESENTE PROYECTO.TEMPERATURA DE PARTÍCULAS EN COMBUSTIÓN EN EL PRESENTE PROYECTO.TEMPERATURA DE PARTÍCULAS EN COMBUSTIÓN EN EL PRESENTE PROYECTO.TEMPERATURA DE PARTÍCULAS EN COMBUSTIÓN EN EL PRESENTE PROYECTO.

3.1. DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO DE MEDIDA DE LA TEMPERATURA DE PARTÍCU3.1. DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO DE MEDIDA DE LA TEMPERATURA DE PARTÍCU3.1. DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO DE MEDIDA DE LA TEMPERATURA DE PARTÍCU3.1. DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO DE MEDIDA DE LA TEMPERATURA DE PARTÍCULAS LAS LAS LAS DE CARBONIZADO.DE CARBONIZADO.DE CARBONIZADO.DE CARBONIZADO. ............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 29292929


3333

3.1.1. FUNDAMENTO PARA EL DESARROLLO DEL MÉTODO DE MEDIDA DE TEMPERATURA DE CARBONIZADO. ............................................................................... 29

3.1.2. DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO DE MEDIDA DE LA TEMPERATRA DE CARBONIZADO. .................................................................................................................. 30

3.1.3. TÉCNICAS DE POST-PROCESADO PARA LA DETERMINACIÓN DE LAS TRAYECTORIAS DE LAS PARTÍCULAS. .............................................................................. 33

3.2. MODELO DE LA RADIACIÓN CAPTURADA.3.2. MODELO DE LA RADIACIÓN CAPTURADA.3.2. MODELO DE LA RADIACIÓN CAPTURADA.3.2. MODELO DE LA RADIACIÓN CAPTURADA. .................................................................................................................................................................................................................... 35353535

CAPÍTULO 4: SELECCIÓN DE CONDICIONES DE OPERACIÓN.CAPÍTULO 4: SELECCIÓN DE CONDICIONES DE OPERACIÓN.CAPÍTULO 4: SELECCIÓN DE CONDICIONES DE OPERACIÓN.CAPÍTULO 4: SELECCIÓN DE CONDICIONES DE OPERACIÓN.

4.1 SELECCIÓN DE INTERVALOS ES4.1 SELECCIÓN DE INTERVALOS ES4.1 SELECCIÓN DE INTERVALOS ES4.1 SELECCIÓN DE INTERVALOS ESPECTRALES DE CAPTURA.PECTRALES DE CAPTURA.PECTRALES DE CAPTURA.PECTRALES DE CAPTURA. .................................................................................................................................... 42424242

4.1.1. EMISIVIDAD DE LA PARTÍCULA DE COMBUSTIBLE Y MATERIAL DEL LECHO. ................................................................................................................................................. 42

4.1.2. EMISIVIDAD PARA EL MATERIAL DEL LECHO. .................................................... 43

4.1.3. VENTANAS ESPECTRALES PARA LA APLICACIÓN DE LA PIROMETRÍA DE COLOR. .................................................................................................................................. 44

CAPÍTULO 5: DISEÑO DEL EQUIPO CAPÍTULO 5: DISEÑO DEL EQUIPO CAPÍTULO 5: DISEÑO DEL EQUIPO CAPÍTULO 5: DISEÑO DEL EQUIPO ESPERIMENTAL.ESPERIMENTAL.ESPERIMENTAL.ESPERIMENTAL.

5.1. REACTOR DE LECHO FLUIDO.5.1. REACTOR DE LECHO FLUIDO.5.1. REACTOR DE LECHO FLUIDO.5.1. REACTOR DE LECHO FLUIDO. .................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 49494949

5.2. HORNO ELÉCTRICO.5.2. HORNO ELÉCTRICO.5.2. HORNO ELÉCTRICO.5.2. HORNO ELÉCTRICO. ............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 54545454

5.3. EQUIPO DE MEDIDA5.3. EQUIPO DE MEDIDA5.3. EQUIPO DE MEDIDA5.3. EQUIPO DE MEDIDA DE TEMPERATURA.DE TEMPERATURA.DE TEMPERATURA.DE TEMPERATURA. ................................................................................................................................................................................................................................ 57575757

5.3.1. CONCEPTOS ÓPTICOS APLICADOS A LAS CÁMARAS DIGITALES FOTOGRÁFICAS. .................................................................................................................. 57

5.3.2. TECNOLOGÍA DE SENSORES. ................................................................................. 59

5.3.3. SELECCIÓN DE OBJETIVO Y CÁMARA. ................................................................ 60

NOTACIÓN.NOTACIÓN.NOTACIÓN.NOTACIÓN. ............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 64646464

REFERREFERREFERREFERENCIAS.ENCIAS.ENCIAS.ENCIAS. ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 65656565

ANEXO I: TERMOMETRÍA EN DOS COLORESANEXO I: TERMOMETRÍA EN DOS COLORESANEXO I: TERMOMETRÍA EN DOS COLORESANEXO I: TERMOMETRÍA EN DOS COLORES .................................................................................................................................................................................................................................... 68686868

ANEXO II: LISTA DE EQUIPOS.ANEXO II: LISTA DE EQUIPOS.ANEXO II: LISTA DE EQUIPOS.ANEXO II: LISTA DE EQUIPOS. ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 87878787

ANEXO III: COSTES DE EQUIPOS.ANEXO III: COSTES DE EQUIPOS.ANEXO III: COSTES DE EQUIPOS.ANEXO III: COSTES DE EQUIPOS. ............................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 94949494

ANEXO IV. MEMORIA DE PLANOS.ANEXO IV. MEMORIA DE PLANOS.ANEXO IV. MEMORIA DE PLANOS.ANEXO IV. MEMORIA DE PLANOS. ............................................................................................................................................................................................................................................................................................ 103103103103


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RESUMEN CAPITULAR.


En este primer capítulo de introducción se presenta y justifica la necesidad de una nueva tecnología de conversión, la oxi-combustión, proponiéndose, el diseño y construcción de un equipo experimental que genere parte del conocimiento necesario para su materialización a escala industrial.

CAPÍTULO 2CAPÍTULO 2CAPÍTULO 2CAPÍTULO 2. . . . REVISIÓN DE TÉCNICAS PARA LA MEDIDA DE TEMPERATURAS DE PARTÍCULAS REVISIÓN DE TÉCNICAS PARA LA MEDIDA DE TEMPERATURAS DE PARTÍCULAS REVISIÓN DE TÉCNICAS PARA LA MEDIDA DE TEMPERATURAS DE PARTÍCULAS REVISIÓN DE TÉCNICAS PARA LA MEDIDA DE TEMPERATURAS DE PARTÍCULAS EN COMBUSTIÓN.EN COMBUSTIÓN.EN COMBUSTIÓN.EN COMBUSTIÓN.

Debido al papel crucial, y a la influencia que la temperatura superficial de una partícula de combustible durante su combustión tiene en las numerosas variables de diseño y operación de los conversores. Encontramos en la literatura numerosas técnicas de medida de ésta. Un análisis de estos trabajos permite concluir que la medida de la temperatura de partículas de varios milímetros en movimiento no es posible por métodos de contacto sin afectar al fenómeno bajo estudio, y que, no se ha podido desarrollar hasta la fecha ninguna técnica experimental que aporte resultados de alta calidad en las condiciones de oxi-combustión en lecho fluido.

CAPÍTULO 3. CAPÍTULO 3. CAPÍTULO 3. CAPÍTULO 3. DESARROLLDESARROLLDESARROLLDESARROLLO Y MODELADO DEL MÉTODO DE MEDIDAO Y MODELADO DEL MÉTODO DE MEDIDAO Y MODELADO DEL MÉTODO DE MEDIDAO Y MODELADO DEL MÉTODO DE MEDIDA DE TEMPERATURA DE DE TEMPERATURA DE DE TEMPERATURA DE DE TEMPERATURA DE PARTÍCULAS EN COMBUSTIÓN EN EL PRESENTE PROYECTO.PARTÍCULAS EN COMBUSTIÓN EN EL PRESENTE PROYECTO.PARTÍCULAS EN COMBUSTIÓN EN EL PRESENTE PROYECTO.PARTÍCULAS EN COMBUSTIÓN EN EL PRESENTE PROYECTO.

En la actualidad, gracias al desarrollo de la tecnología de los sensores de las cámaras de fotografía digital, la capacidad de procesado de los ordenadores, y los software de imagen, apoyamos en el desarrollo del método de medida de temperatura de partículas de carbonizado por fibra óptica, se puede desarrollar y modelar un método de pirometría basado en las cámaras fotográficas digitales.

CAPÍTULO 4: SECAPÍTULO 4: SECAPÍTULO 4: SECAPÍTULO 4: SELECCIÓN DE CONDICIONES DE OPERACIÓN.LECCIÓN DE CONDICIONES DE OPERACIÓN.LECCIÓN DE CONDICIONES DE OPERACIÓN.LECCIÓN DE CONDICIONES DE OPERACIÓN.

Se analizan y justifican la serie de hipótesis, simplificaciones, y restricciones que se han

asumido y tenido en cuenta en el diseño y modelado del método propuesto de medida para la

temperatura de las partículas de carbonizado en combustión.

CAPÍTULO 5: CAPÍTULO 5: CAPÍTULO 5: CAPÍTULO 5: DISEÑO DEL EQUIPO EXDISEÑO DEL EQUIPO EXDISEÑO DEL EQUIPO EXDISEÑO DEL EQUIPO EXPERIMENTAL.PERIMENTAL.PERIMENTAL.PERIMENTAL. Teniendo en cuenta que el método desarrollado para medir la temperatura de la partícula de carbonizado en combustión se basa en la captura, cuantificación e interpretación de la radiación infrarroja emitida por la partícula de carbonizado, la emitida por todas las superficies que intercambian calor por radiación en el interior del horno eléctrico, y material del lecho, El diseño y selección de cada uno de los equipos y dispositivos, y su montaje en conjunto, se realiza de forma que la radiación infrarroja se vea afecta en la menor forma posible, conociéndola y para tenerla en cuenta en el futuro algoritmo de procesado de imágenes.


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1.1. COMBUSTIÓN.1.1. COMBUSTIÓN.1.1. COMBUSTIÓN.1.1. COMBUSTIÓN.

1.11.11.11.1.2. COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO..2. COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO..2. COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO..2. COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO.

1.2. OXI1.2. OXI1.2. OXI1.2. OXI----COMBUSTIÓN.COMBUSTIÓN.COMBUSTIÓN.COMBUSTIÓN.

1.2.1. OXI1.2.1. OXI1.2.1. OXI1.2.1. OXI----COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO.COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO.COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO.COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO.

1.3. IMPORTANCIA DE MEDIR LA TEMPERATURA.1.3. IMPORTANCIA DE MEDIR LA TEMPERATURA.1.3. IMPORTANCIA DE MEDIR LA TEMPERATURA.1.3. IMPORTANCIA DE MEDIR LA TEMPERATURA.

1.3.1. MEDICIONES DE LA TEMPERATURA.1.3.1. MEDICIONES DE LA TEMPERATURA.1.3.1. MEDICIONES DE LA TEMPERATURA.1.3.1. MEDICIONES DE LA TEMPERATURA.

1.4. EL PROYECTO OXIGAS 2G.1.4. EL PROYECTO OXIGAS 2G.1.4. EL PROYECTO OXIGAS 2G.1.4. EL PROYECTO OXIGAS 2G.

1.5. OBJETIVO Y ALCANCE DE ESTE PROYECTO.1.5. OBJETIVO Y ALCANCE DE ESTE PROYECTO.1.5. OBJETIVO Y ALCANCE DE ESTE PROYECTO.1.5. OBJETIVO Y ALCANCE DE ESTE PROYECTO.


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En este capítulo introductorio, tras un breve repaso de la combustión, su necesidad a medio-corto plazo, y los problemas técnico-socio-económicos asociados a eta forma de obtener energía, se justifica el diseño y construcción del equipo experimental propuesto en este Proyecto Final de Carrera, como vía para generar conocimiento sobre una nueva forma de combustión que sea compatible con el medio ambiente, socialmente aceptada y económicamente atractiva, o al menos viable; la oxi-combustión.

1.1. COMBUSTIÓN.1.1. COMBUSTIÓN.1.1. COMBUSTIÓN.1.1. COMBUSTIÓN. El destino de todo combustible debería ser la generación de energía. Esta se libera gracias a la combustión, cuando los componentes esenciales C, H y S se oxidan al combinarse con el oxígeno.

La combustión propiamente dicha es una oxidación rápida de la materia combustible con desprendimiento de calor, bien sea con llama o sin ella. La llama es la zona o región incandescente en la que tienen lugar la reacción entre el gas combustible y el gas comburente. Por ello, los combustibles gaseosos siempre arden con llama. Los combustibles líquidos se volatilizan debido al calor y a la elevada temperatura de la combustión, inflamándose entonces y ardiendo como los gaseosos. En cuanto a los combustibles sólidos, arderán con llama aquellos que produzcan por descomposición suficientes compuestos volátiles, como sucede con las hullas, grasas, la madera, etc. En cambio, el coque arde prácticamente sin llama, debido a la ausencia total de compuestos volátiles.

Para que tenga lugar la combustión han de mezclarse en proporciones adecuadas el combustible y el comburente. Debido a que la combustión generalmente no es espontanea, debe existir un punto de ignición. Aunque para ciertos combustibles, como sucede para algunos combustibles gaseosos, la combustión se produce de manera espontanea, en un fenómeno conocido como explosión.

La combustión es tanto más perfecta cuanto más fácilmente se mezclan el combustible y el comburente; por ello son magníficos combustibles los gases y los líquidos fácilmente vaporizables, y por la misma razón, se quema hoy día más carbón pulverizado que en trozos. Para que la combustión tenga lugar y sea estable, necesita de una temperatura “elevada”. Si el desprendimiento de calor provocado por la combustión es suficiente para mantener esta elevada temperatura, la combustión proseguirá. Señalar, que antes de empezar la combustión el combustible debe ser llevado a su temperatura de inflamación.

Durante la combustión se admite que el hidrógeno y el carbono, libres del combustible, se combinan para formar hidrocarburos, los cuales reaccionan fácilmente con el oxígeno del aire, dando anhídrido carbónico y vapor de agua. Si la combustión es incompleta, algunos gases combustibles se escapan sin arder, encontrándose en los gases producto de la combustión, gases como el monóxido de carbono. El hecho de que la combustión sea perfecta (ausencia de gases inquemados como el CO) es capital para la viabilidad de las instalaciones de combustión. La ceniza es el producto que se forma debido a las sustancias de naturaleza inorgánica que tenga el combustible. Parte de las cenizas queda como residuo sólido en el lugar de la combustión. La otra parte se va arrastrada por la corriente de humos.

Se utiliza aire como comburente por ser la fuente de oxígeno más abundante, barata y fácil de manejar. El aire es una mezcla de gases, que según las circunstancias meteorológicas, equilibrios líquido vapor y emisiones contaminantes en la localización geográfica concreta que


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consideremos, puede presentar trazas de compuestos diferentes como el monóxido de carbono, anhídrido sulfuroso, hidrocarburos ligeros, vapor de agua, ozono, etc. Debido a esto, carece de sentido para la mayoría de las aplicaciones realizar los cálculos con la composición exacta. Se utiliza la composición aproximada de 79 %v nitrógeno y 29 %v oxígeno (77 %p nitrógeno y 23 %p oxígeno). Una composición media del aire aparece en la tabla 1.1.

Tabla 1.1.Tabla 1.1.Tabla 1.1.Tabla 1.1. Composición media del aire, (1 %= ppm), [1].

De la composición del aire se observa que por cada volumen de oxigeno aportado se introduce en las condiciones teóricas 3.76 volúmenes de nitrógeno sin poder evitarlo. El nitrógeno es un elemento inerte y actúa de forma negativa “robando” parte de la energía química liberada en la combustión para aumentar su temperatura.

La cantidad de aire en juego en las reacciones es tan importante que da lugar a una clasificación de las reacciones de combustión como completas, estequiométricas e incompletas. En las dos primeras reacciones la combustión es completa, utilizándose aire en exceso en la completa y nada de exceso en la estequiométrica. En la combustión incompleta los gases de la combustión tienen compuestos parcialmente oxidados (inquemados) como el monóxido de carbono, combustible sin oxidar como el hidrógeno, partículas de carbón, etc. La velocidad a la cual se producen las reacciones de combustión es un factor de vital importancia tanto para el diseño y dimensionado de las instalaciones, como de los efectos derivados relacionados con el medio ambiente.

El control de la calidad y la medida de la cantidad de los gases productos de la combustión se realiza para controlar los parámetros de la combustión y verificar el cumplimiento con la legislación. Las leyes suelen fijar el valor máximo de CO en las emisiones. Ello supone que

conociendo el tipo de combustible del cual depende la cantidad de , queda fijada la eficacia

de la combustión que debe lograrse. Como los límites de emisión hace referencia a las partes CO

por de gas, para poder llegar a tales cifras muchos sistemas de conversión energética se ven

obligados a usar grandes excesos de aire.

En la figura 1.1, se muestra el esquema de una central térmica que produce energía eléctrica por expansión de vapor de agua, producido en una caldera de combustión, en una turbina de vapor.

1.1.2. COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO.1.1.2. COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO.1.1.2. COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO.1.1.2. COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO. La tecnología de combustión en lecho fluidizado pretende trasladar los principios de fluidización y transferencia de calor que se dan en los reactores homogéneos a la combustión de combustibles


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en reactores heterogéneos. Este sistema fue desarrollado para las grandes calderas de las centrales termoeléctricas que por medio de la generación de vapor producían energía eléctrica.

Un lecho fluidizado consiste fundamentalmente en un fluido que atraviesa en dirección ascendente un lecho de partículas sólidas soportadas por un distribuidor. De esta forma, se consigue alcanzar coeficientes de transferencia de calor elevados y un alto grado de uniformidad de temperatura, así como, un contacto íntimo entre la corriente de gas y pequeñas partículas sólidas. El comportamiento del lecho está fuertemente influenciado por las propiedades del fluido y del sólido, la geometría del lecho, la velocidad de flujo, etc.

Figura 1Figura 1Figura 1Figura 1.1. .1. .1. .1. Esquema de la producción de vapor por combustión con aire en una caldera para la generación de energía eléctrica en una central térmica. http://ecoproyecto.es.tl/Central-t-e2-

rmica.htm. Consultada el 03 de septiembre de 2013.

En la combustión en lecho fluidizado el combustible se alimenta a un lecho de material refractario, por ejemplo alúmina, y el aire necesario para la combustión, denominado gas de fluidización, se inyecta en el lecho. El principio de funcionamiento, como se observa en la figura 1.2, consiste en una zona donde hay partículas de material refractario a alta temperatura y en suspensión gracias a una corriente de fluido que mantiene en constante agitación. El combustible se introduce en el seno del lecho, de donde no saldrá si no es en forma de gas o arrastrado por una velocidad excesiva de los gases

Desde el punto de vista del tipo de lecho, al incrementar la velocidad de flujo distinguimos dos tipos, a saber, burbujeantes y circulantes. Cuando la velocidad de flujo supera la mínima de fluidización, aparecen burbujas y canales preferentes de circulación de gas, aumentando la inestabilidad del sistema, pasamos de un lecho fijo a un lecho fluido burbujeante. En estos lechos la inestabilidad generada hace aumentar las superficies de contacto entre el combustible y el fluido. En el lecho fluido burbujeante la velocidad del aire de fluidización siempre está por debajo de la de arrastre, por lo que en todo momento la superficie del lecho se encuentra definida. Si la velocidad de fluidización aumenta hasta superar la de arrastre, se tendrá un lecho fluido circulante, donde las partículas son arrastradas, estando dispersas en todo el volumen en constante circulación. Los lechos fluido circulantes disponen de una zona densa de partículas de arena en la parte inferior del reactor asemejándose a un lecho fluidizado burbujeante. La


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profundidad de esta zona es de vital importancia ya que afecta al tiempo de residencia del combustible y de los absorbentes del lecho. Las partículas son arrastradas fuera de esta zona y del reactor, debiendo ser retenidas por en un ciclón y devueltos al reactor. Una representación de los tipos de lechos en función de la velocidad del agente de fluidificación se muestra en la figura 1.3.

Figura 1.2.Figura 1.2.Figura 1.2.Figura 1.2. Principio de funcionamiento del reactor de lecho fluidizado: Movimiento de partículas, [2].

Figura 1.3.Figura 1.3.Figura 1.3.Figura 1.3. Representación cualitativa de los tipos de lecho en función de la velocidad del agente de fluidización, [2].

El sistema de alimentación del combustible puede estar encima del lecho, donde el combustible cae por gravedad a la superficie de éste o alimentarse por debajo del lecho siendo esta solución más compleja aunque más eficaz.

Un reactor de lecho fluido permite la conversión de combustibles de bajo poder calorífico, así como lo que tienen un elevado contenido en cenizas, y altas concentraciones de azufre, esto


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último gracias a que se neutraliza con dolomita o piedra caliza, reduciéndose las emisiones de

. La temperatura en el lecho está limitada por la fusibilidad de las cenizas y la combustión

produce menos polución al formarse menos óxidos de nitrógeno al trabajar a temperaturas más moderadas. La principal ventaja de estos reactores es que consiguen una distribución perfecta del aire de combustión, que junto con los efectos combinados de la radiación y convección posibilitan reactores más compactos a igualdad de potencia térmica. Además el tiempo de residencia aumenta para los reactores de lecho fluido circulantes.

1.2. OXI1.2. OXI1.2. OXI1.2. OXI----COMBUSTIÓN.COMBUSTIÓN.COMBUSTIÓN.COMBUSTIÓN. La combustión del carbón, como se ha descrito arriba, es un fenómeno complejo que involucra los efectos de reacciones homogéneas y heterogéneas, transferencia de calor, masa, y el flujo de diferentes fases. Sin embargo, juega hoy día y jugará en el futuro un importante papel en la obtención de energía de manera estable y segura. No obstante, su empleo debe ser compatible con el medio ambiente, socialmente aceptado y económicamente atractivo, o al menos viable. Por ello, las técnicas de conversión deben ser desarrolladas en aras de mejorar la eficiencia de conversión, reduciendo el consumo de combustibles y minimizando las emisiones de contaminantes. El desarrollo de una nueva tecnología de combustión, la oxi-combustión, persigue este objetivo.

Es conocido, que durante la combustión de los combustibles fósiles se genera dióxido de

carbono, , un gas de efecto invernadero. La reducción de la cantidad de que emitimos

es de vital importancia para frenar el incremento de su concentración en la atmósfera y con ello, el efecto invernadero. Aunque se espera que a largo plazo, las energías renovables sean las mejores soluciones para asegurar el suministro y reducir las emisiones, en el corto-medio plazo, es necesario recurrir a tecnologías de captura y almacenamiento de CO2. La captura y

almacenamiento de (CAC, CCS en nomenclatura anglosajona) consiste en la separación del

dióxido de carbono presente en los gases emitidos por la industria para transportarlo y almacenarlos en formaciones geológicas adecuadas, confinándolo por un tiempo indefinido. De esta forma se reduce la cantidad de CO2 emitida a la atmósfera. Actualmente la Oxi-combustión es una tecnología que posibilita la CAC de forma prometedora.

La Oxi-combustión es el proceso de conversión del carbón en una corriente de oxígeno mezclada con una corriente recirculada de los gases de combustión. De esta forma se genera una corriente

de salida rica en lista para su secuestro y almacenamiento. Un esquema del proceso de oxi-

combustión se muestra en la figura 1.4.

Junto con la producción de una corriente concentrada de lista para su secuestro, la principal

ventaja de la tecnología de Oxi-conversión es la mejora en la eficiencia del proceso al no estar presente en la cámara de combustión el nitrógeno procedente del aire utilizado en la combustión convencional. De esta forma, no solo evitamos el robo de la energía química liberada, por parte

del nitrógeno, sino además, las emisiones son reducidas drásticamente. Por otro lado, la

masa y volumen de los gases de combustión producidos se reducen en más del 70 %, permitiendo la reducción del tamaño de los equipos.

Como una de las tres principales tecnologías de captura y almacenamiento de , la tecnología

de oxi-combustión experimenta un rápido desarrollo con proyectos internacionales encaminados a la comercialización. El estado actual de la oxi-combustión puede considerarse semi-comercial, en el sentido de que si surgiera una unidad económicamente viable, proveedor y el comprador


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compartirían riesgo técnico, ya que no se podrían garantizar la fiabilidad, emisiones, etc. debido a la corta madurez y a la falta de experiencia a escala industrial. La figura 1.5 muestra la evolución histórica de los proyectos de oxi-combustión sus hitos y los objetivos esperados de cada investigación.

Figura 1.4.Figura 1.4.Figura 1.4.Figura 1.4. Esquema del proceso de Oxi-combustión.

1.2.1. OXI1.2.1. OXI1.2.1. OXI1.2.1. OXI----COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO.COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO.COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO.COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO.

En la primera generación de plantas de oxi-combustión de carbón, la recirculación del es tal

que la concentración de a la entrada de la caldera está limitada al 25-35 %, tratando de

mantener condiciones en el hogar parecidas a las calderas convencionales de aire. La principal ventaja de este procedimiento es que permite rediseñar las calderas actuales y convertirlas a oxi-combustión sin cambios drásticos.

Aunque el desarrollo de la primera generación de calderas de oxi-combustión es de por sí un

avance importante como método de captura de , y en la mejora de las técnicas de

conversión, se plantea ya la cuestión de aprovechar el potencial de esta tecnología alimentando

mayor concentración de a la caldera, ya que ello permitiría reducir de forma drástica el

tamaño de la instalación [4].

Esta nueva forma de quemar carbón debe realizarse de forma que la temperatura del lecho y de las partículas de carbonizado se mantenga en un nivel similar al de la combustión con aire

(850 ). Hay varios factores que es necesario investigar antes de construir una caldera de

acuerdo a este concepto, como son la capacidad de transferencia de calor y la temperatura que alcanzan las partículas de carbonizado de varios milímetros, comúnmente encontradas en lechos

fluidos, en las condiciones de y que existiría dentro de la caldera. En concreto, es

necesario prevenir la fusión de las partículas de carbonizado en el lecho en aras de mantener la correcta fluidización del mismo.


12121212

Figura 1. 5. Figura 1. 5. Figura 1. 5. Figura 1. 5. Desarrollo histórico de los proyectos de oxi-combustión, [3].

En oxi-combustión, una alta concentración de oxígeno a la entrada puede dar lugar a velocidades de conversión tan grandes que la temperatura de estas partículas supere los niveles admisibles. Esto a su vez depende de la capacidad de mezcla del lecho y del tamaño de las partículas de carbonizado.

Es necesario estimar la velocidad de consumo de las partículas de carbonizado en una atmosfera gaseosa muy diferente a la que existen en las calderas convencionales y de primera generación en lecho fluidizado, teniendo en cuenta los flujos de gas y partículas dentro de la caldera, y establecer las bases del diseñó y operación de las nuevas calderas, para poder llevar a cabo la oxi-combustión en las condiciones más favorables, reduciendo al máximo el tamaño de los equipos y la recirculación de gas de combustión.

Aunque existen otros asuntos, como son los medioambientales y económicos, que son necesarios investigar antes del desarrollo definitivo de la segunda generación de oxi-combustores, los aspectos mencionados arriba se considera la principal limitación que necesita abordarse de forma inmediata [4-6 Y 9].

Los experimentos que se realicen en estas condiciones de operación generarán valioso conocimiento sobre el nuevo proceso de combustión y su comportamiento. De esta forma es razonable llevar a cabo investigaciones, trabajo en laboratorio y reactores a escala piloto antes de aplicar estas nuevas técnicas a conversores de gran escala.

1.3. IMPORTANCIA DE MEDIR LA TEMPERATURA.1.3. IMPORTANCIA DE MEDIR LA TEMPERATURA.1.3. IMPORTANCIA DE MEDIR LA TEMPERATURA.1.3. IMPORTANCIA DE MEDIR LA TEMPERATURA. La importancia de medir la temperatura que alcanzan las partículas de combustible durante la Oxi-combustión, radica en ser la clave para entender la conversión de los combustibles en los oxi-conversores de lecho fluido, y así responder a la pregunta ¿Hasta qué concentración de


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oxígeno se puede llegar en la alimentación sin que se fundan las partículas de carbonizado para un tipo de carbón dado?

La información disponible, modelado y metodología experimental para la determinación de la velocidad de conversión, para la combustión de una única partícula de carbonizado en un reactor, o para la oxi-combustión en una caldera de carbón pulverizado, donde el proceso es muy diferente al producido en los reactores de lecho fluido, no sirven para determinar las condiciones de operación y el exceso de temperatura alcanzado en condiciones de oxi-combustión, en lecho fluidizado.

Hasta el momento no se ha conseguido medir la temperatura de partículas de carbón presentes en lechos fluidizados salvo la inclusión de un termopar dentro de la partículas, limitando el estudio a la determinación de la conversión de partículas muy gruesas, varios centímetros, y hasta un grado de conversión no muy alto, por problemas obvios del método, como la fragmentación de la partícula o problemas del cable con el lecho, y mediante fibra óptica, técnica sujeta a imprecisiones con resultados difíciles de interpretar, ya que se observan las partículas ocasionalmente sólo cuando pasan cerca del campo de visión de la fibra. De los modelos cinéticos planteados en la literatura, algunas medidas se han realizado para su justificación, pero no se ha conseguido dilucidar la forma de conversión de partículas reales en el lecho fluido en oxi-combustión, ni siquiera aplicable a las calderas de primera generación [4-6].

Se concluye que:

1. No se ha podido establecer de forma precisa un modelo cinético suficientemente general que permita predecir de forma cuantitativa el exceso de temperatura de la partícula respecto del lecho.

2. No se conoce como influye la atmósfera gaseosa en partículas de distinto tamaño, ni como las condiciones de oxi-combustión influyen en la atrición y fragmentación de las mismas.

3. Existen dificultades experimentales para la medida de la temperatura de partículas en lecho fluido y la única manera de confirmar modelos teóricos predictivos pasa por entender esta cuestión.

1.3.1. MEDICIONES DE LA TEMPERATURA.1.3.1. MEDICIONES DE LA TEMPERATURA.1.3.1. MEDICIONES DE LA TEMPERATURA.1.3.1. MEDICIONES DE LA TEMPERATURA. Dada la importancia de la medida de la temperatura durante la combustión, existen multitud de trabajos en la literatura que ha abordado este asunto, [9, 18-21]. En ellos, se ha llevado a cabo la medida de la temperatura sobre partículas de carbonizado en dos tipos de circunstancias.

1. Partículas micrométricas de carbón pulverizado en un reactor en suspensión.

2. Partículas de combustibles inmersas en reactores de lecho fluido.

En la combustión de partículas finas de carbón pulverizado en un reactor en suspensión, el problema de la medida de temperatura es muy distinto pues existe una combustión en suspensión con emisión de volátiles y creación de llama. La combustión de volátiles y carbonizado está completamente ligada a la llama, lo que lleva a un dispositivo óptico diferente. En el lecho fluido se convierten partículas gruesas de varios mm, donde la devolatización tiene lugar en una etapa previa, y al final se produce la combustión del carbonizado de manera heterogénea. La emisión de volátiles en este caso suele generar burbujas que se pueden quemar en el lecho, si el tamaño de estas burbujas adquiere suficiente tamaño, al penetrar en las burbujas el aire ascendente del distribuidor, o en el freeboard. Además, la llama de volátiles no permanece


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necesariamente pegada a las partículas si estas permanecen en el lecho. El efecto “quench” de las partículas de coadyuvante impide la formación de llamas alrededor de las partículas.

La utilización de fibra óptica inmersa en un lecho fluido es una técnica sujeta a imprecisiones con resultados difíciles de interpretar, ya que se observan las partículas ocasionalmente sólo cuando pasan cerca del campo de visión de la fibra. Además, no se distingue la distancia exacta entre la partícula de carbonizado y la fibra, y los obstáculos que se encuentren en el campo de visión de la fibra desvirtúan las medidas. El resultado es una nube de puntos con una dispersión muy difícil de valorar. Una descripción detallada de la medida de la temperatura por medio de fibra óptica se encuentra en el Anexo I.

Se concluye que no existe trabajo alguno donde se haya abordado la técnica experimental para la aplicación en lecho fluidizado que en este trabajo se propone.

1.4. EL PROYECTO OXICOGAS1.4. EL PROYECTO OXICOGAS1.4. EL PROYECTO OXICOGAS1.4. EL PROYECTO OXICOGAS----2G.2G.2G.2G. Un factor clave para el desarrollo de oxi-conversores de segunda generación de lecho fluido en

plantas de captura de es identificar la máxima concentración de oxígeno que es posible

alimentar al equipo, ya que esta determinará la velocidad de transferencia de calor partícula-lecho y, por tanto, las condiciones límites de operación para que las partículas de carbonizado no se fundan y el lecho fluido puedan funcionar adecuadamente.

Uno de los objetivos del proyecto OXICOGAS-2G es investigar esta cuestión. La idea es estudiar el modo de conversión de partículas individuales de carbonizado “gruesas”, varios milímetros, en condiciones de oxi-combustión en lecho fluidizado. Se realizará un estudio experimental utilizando el dispositivo diseñado y construido en este Proyecto Final de Carrera que permitirá medir la temperatura de las partículas durante su conversión.

En base a los resultados experimentales obtenidos, se desarrollará un modelo cinético que permita predecir la velocidad de conversión y el campo de temperatura de partículas de distintos tamaños convertidas en ambiente de oxi-combustión. Una vez realizado lo anterior se implementará el modelo de partícula desarrollado en un reactor real simulado, para evaluar el impacto de una alta concentración de oxígeno a la entrada del reactor sobre el funcionamiento real del mismo.

Se concluirá finalmente acerca de las posibilidades de desarrollo de oxi-conversores de segunda

generación, más compactos y eficientes, en futuras plantas de captura de , estableciendo las

bases del diseño y las limitaciones que deben tenerse presentes en el diseño de este nuevo tipo de oxi-conversores.

En resumen, el proyecto OXICOGAS-2G trata de estudiar la forma de conversión y la temperatura que se alcanza en el interior de las partículas de carbonizado en procesos de conversión en lecho fluidizado donde se alimenta una corriente con alto contenido en oxígeno.

1.5. OBJETIVO Y ALCANCE DE ESTE PROYECTO.1.5. OBJETIVO Y ALCANCE DE ESTE PROYECTO.1.5. OBJETIVO Y ALCANCE DE ESTE PROYECTO.1.5. OBJETIVO Y ALCANCE DE ESTE PROYECTO. En una planta de oxi-combustión en lecho fluido de 2ª generación la principal dificultad es que el calor se ha de transferir a mayor velocidad, ya que la temperatura del lecho ha de mantenerse constante. Si la velocidad de transferencia de calor no fuera suficientemente alta, se produciría un aumento de la temperatura del carbonizado, pudiendo llegar a fundirse. Se pretende con el


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proyecto OXICOGAS-2G establecer un límite de la concentración de oxígeno y entender el aumento de la temperatura del carbonizado en función de las condiciones de operación.

Para alcanzar los objetivos del proyecto OXICOGAS-2G, es necesario comparar los resultados teóricos con medidas fiables y de alta calidad. Para obtener medidas con estas características, en este Proyecto Final de Carrera se construye un reactor de lecho fluido bidimensional con paredes transparentes a la radiación infrarroja para realizar medidas ópticas que permitan determinar la temperatura de las partículas de carbonizado bajo las condiciones de oxi-combustión. La utilización de un reactor de lecho fluido bidimensional, situado en el interior de un horno eléctrico equipado con una ventana para la realización de las medidas ópticas, permite oxidar el carbonizado de forma similar a como se convertiría en un equipo real.

Para la determinación de la temperatura de las partículas de carbonizado se desarrolla una técnica de medida basada en los conceptos e ideas usados en la pirometría de colores y en la tecnología actual de las cámaras digitales que proporcionan información de la intensidad de la radiación de la escena visualizada para cada pixel del sensor. El dispositivo de captura de la radiación infrarroja emitida por las partículas de carbonizado es una cámara fotográfica digital, convenientemente seleccionada, que mediante un post-procesamiento de los fotogramas generados se cuantifica e interpreta la intensidad de la radiación que incide sobre el sensor obteniendo la temperatura del cuerpo emisor.


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CAPÍTULO 2. REVISIÓN DE TÉCNICAS PARA LA MEDIDA DE TEMPERATCAPÍTULO 2. REVISIÓN DE TÉCNICAS PARA LA MEDIDA DE TEMPERATCAPÍTULO 2. REVISIÓN DE TÉCNICAS PARA LA MEDIDA DE TEMPERATCAPÍTULO 2. REVISIÓN DE TÉCNICAS PARA LA MEDIDA DE TEMPERATURAS DE PARTÍCULAS URAS DE PARTÍCULAS URAS DE PARTÍCULAS URAS DE PARTÍCULAS EN COMBUSTIÓN.EN COMBUSTIÓN.EN COMBUSTIÓN.EN COMBUSTIÓN.

2.1. ESTADO DEL ARTE EN LA MEDIDA DE LA TEMPERATURA DE PARÍCULAS DURANTE LA 2.1. ESTADO DEL ARTE EN LA MEDIDA DE LA TEMPERATURA DE PARÍCULAS DURANTE LA 2.1. ESTADO DEL ARTE EN LA MEDIDA DE LA TEMPERATURA DE PARÍCULAS DURANTE LA 2.1. ESTADO DEL ARTE EN LA MEDIDA DE LA TEMPERATURA DE PARÍCULAS DURANTE LA COMBUSTIÓN.COMBUSTIÓN.COMBUSTIÓN.COMBUSTIÓN.

2.1.1. ESTADO DEL ARTE EN LA MEDIDA DE LA TEMPERATURA DE LAS PARTÍCULAS 2.1.1. ESTADO DEL ARTE EN LA MEDIDA DE LA TEMPERATURA DE LAS PARTÍCULAS 2.1.1. ESTADO DEL ARTE EN LA MEDIDA DE LA TEMPERATURA DE LAS PARTÍCULAS 2.1.1. ESTADO DEL ARTE EN LA MEDIDA DE LA TEMPERATURA DE LAS PARTÍCULAS DE CARBÓN EN COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO.DE CARBÓN EN COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO.DE CARBÓN EN COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO.DE CARBÓN EN COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO.

2.2. MÉTODOS Y TÉCN2.2. MÉTODOS Y TÉCN2.2. MÉTODOS Y TÉCN2.2. MÉTODOS Y TÉCNICAS TERMOMÉTRICAS EN LA MEDIDA DE TEMPERATURA DE LA ICAS TERMOMÉTRICAS EN LA MEDIDA DE TEMPERATURA DE LA ICAS TERMOMÉTRICAS EN LA MEDIDA DE TEMPERATURA DE LA ICAS TERMOMÉTRICAS EN LA MEDIDA DE TEMPERATURA DE LA PARTÍCULA DE CARBÓN EN COMBUSTIÓN.PARTÍCULA DE CARBÓN EN COMBUSTIÓN.PARTÍCULA DE CARBÓN EN COMBUSTIÓN.PARTÍCULA DE CARBÓN EN COMBUSTIÓN.

2.2.1. TERMOMETRÍA FOTOGRÁFICA.2.2.1. TERMOMETRÍA FOTOGRÁFICA.2.2.1. TERMOMETRÍA FOTOGRÁFICA.2.2.1. TERMOMETRÍA FOTOGRÁFICA.

2.2.2. TERMOMETRÍA MEDIANTE TERMOPARES.2.2.2. TERMOMETRÍA MEDIANTE TERMOPARES.2.2.2. TERMOMETRÍA MEDIANTE TERMOPARES.2.2.2. TERMOMETRÍA MEDIANTE TERMOPARES.

2.2.3. CABLE FUNDIBLE ANILLADO ALREDEDOR DE LA PARTÍCULA.2.2.3. CABLE FUNDIBLE ANILLADO ALREDEDOR DE LA PARTÍCULA.2.2.3. CABLE FUNDIBLE ANILLADO ALREDEDOR DE LA PARTÍCULA.2.2.3. CABLE FUNDIBLE ANILLADO ALREDEDOR DE LA PARTÍCULA.

2.2.4. PIROMETRÍA EN DOS COLORES APLIC2.2.4. PIROMETRÍA EN DOS COLORES APLIC2.2.4. PIROMETRÍA EN DOS COLORES APLIC2.2.4. PIROMETRÍA EN DOS COLORES APLICADA A UN REACTOR DE LECHO ADA A UN REACTOR DE LECHO ADA A UN REACTOR DE LECHO ADA A UN REACTOR DE LECHO FLUIDO.FLUIDO.FLUIDO.FLUIDO.

2.2.5. PIROMETRÍA EN DOS COLORES APLICADA A UN REACTOR DE FLUJO.2.2.5. PIROMETRÍA EN DOS COLORES APLICADA A UN REACTOR DE FLUJO.2.2.5. PIROMETRÍA EN DOS COLORES APLICADA A UN REACTOR DE FLUJO.2.2.5. PIROMETRÍA EN DOS COLORES APLICADA A UN REACTOR DE FLUJO.

2.2.6. PIROMETRÍA COLOR2.2.6. PIROMETRÍA COLOR2.2.6. PIROMETRÍA COLOR2.2.6. PIROMETRÍA COLOR----BANDA.BANDA.BANDA.BANDA.


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CAPÍTULO 2. REVISIÓN DE TÉCNICAS PARA LA MEDIDA DE TEMPERATURAS DE PARTÍCULAS CAPÍTULO 2. REVISIÓN DE TÉCNICAS PARA LA MEDIDA DE TEMPERATURAS DE PARTÍCULAS CAPÍTULO 2. REVISIÓN DE TÉCNICAS PARA LA MEDIDA DE TEMPERATURAS DE PARTÍCULAS CAPÍTULO 2. REVISIÓN DE TÉCNICAS PARA LA MEDIDA DE TEMPERATURAS DE PARTÍCULAS EN COMBUSTIÓN.EN COMBUSTIÓN.EN COMBUSTIÓN.EN COMBUSTIÓN.

En este capítulo, se realiza una revisión de las técnicas de medida de temperatura de las partículas en combustión que se han utilizado en las investigaciones de la literatura. Se comparan entre sí los diferentes métodos y se expone los resultados, limitaciones y restricciones de cada uno de ellos.

La información de este capítulo es fundamental para conocer donde se apoya el método de medida experimental que es este proyecto final de carrera se propone y se explica en el capítulo 3.

2.1. ESTADO DEL ARTE EN LA MEDIDA DE LA 2.1. ESTADO DEL ARTE EN LA MEDIDA DE LA 2.1. ESTADO DEL ARTE EN LA MEDIDA DE LA 2.1. ESTADO DEL ARTE EN LA MEDIDA DE LA TEMPERATURA DE PARÍCULAS DURANTE LA TEMPERATURA DE PARÍCULAS DURANTE LA TEMPERATURA DE PARÍCULAS DURANTE LA TEMPERATURA DE PARÍCULAS DURANTE LA COMBUSTIÓN.COMBUSTIÓN.COMBUSTIÓN.COMBUSTIÓN. Conocer la temperatura de la partícula de combustible es importante por muchas razones:

1). La cinética de conversión de la partícula de carbonizado es sensible a la temperatura que presenta, así medidas de la temperatura son necesarias para determinar la tasa de conversión.

2) Ya que aproximadamente el 2/3 del calor de reacción del carbón sólido se libera en la

oxidación a CO, la medida de la temperatura de la partícula puede indicar la tasa de , [1,

8].

3). Es uno de los parámetros importantes en la transferencia de calor por convección y radiación de la partícula.

4) Juega un importante papel en los problemas técnicos de operación de las calderas por formación de escorias, ensuciamiento, cenizas volantes y deposición.

Numerosos métodos de medida de la temperatura han sido desarrollados hasta la actualidad. El éxito en la selección de una técnica depende de las características de la aplicación donde se vaya a usar. Métodos que requieran contacto físico como los termopares, adecuados para algunas aplicaciones, no son adecuados para situaciones en las que la temperatura de pequeñas partículas en movimiento quiera conocerse. En estos casos, el uso de métodos de “no-contacto” son los más convenientes.

Los métodos de no-contacto son métodos ópticos y están basados en la medida de la radiación térmica y en el hecho de que la radiación espectral que emite un cuerpo es función de su temperatura, es decir, se basan exclusivamente en la detección de la radiación térmica emitida por la partícula y en la Ley de de Planck.

Una de las técnicas ópticas más importante es la Pirometría en una o varias longitudes de ondas (colores). Se trata de un equipo que captura la radiación electromagnética infrarroja por medio de un sistema de lentes, la radiación es conducida por medio de una fibra óptica hacia una unidad radiométrica, donde por medio de filtros, espejos o prismas se divide la radiación en un número de bandas, de varias decenas de nanómetros, que incidirán sobre unos sensores generando un señal eléctrica que contiene información de la radiación que irradió el detector. En


18181818

la figura 2.1, se muestra el esquema de la unidad radiométrica utilizada por

para determinar las temperatura de las partículas de combustible en un lecho fluido.

La pirometría de un sólo color puede ser utilizada si el tamaño de la partícula puede ser medido por un método independiente y si la emisividad es conocida, o puede ser determinada con suficiente precisión. La mayor ventaja de la pirometría en dos colores es su independencia no sólo del tamaño, sino de la emisividad de la partícula si el comportamiento de ésta es gris. Si se utiliza pirometría de más de dos colores un modelo lineal, o de orden mayor, de la emisividad de la partícula puede ser obtenido. Un desarrollo detallado de la obtención de las ecuaciones y medida de la temperatura por el método pirométrico se encuentra en el Anexo I.

describe una serie de situaciones donde se ha medido la temperatura de

partículas o de una nube de éstas usando la técnica pirométrica; partículas levitando estacionariamente en una balanza electrodinámica, una sola partícula fijada en una parrilla o por medio de un alambre, y un grupo de partículas dispersa sobre un plato. En la referencia 10 se encuentran dos aplicaciones de la pirometría realizada en dos colores para la determinación de la temperatura de las partículas de combustible en dos tipos de reactores diferentes, flujo arrastrado (EFR) y lecho fluido (FBR). Para la primera aplicación, medidas simultaneas “in-situ” de la temperatura y el tamaño de la partícula de combustible son obtenidas. En la segunda aplicación, un dispositivo como el descrito antes y mostrado en la figura 2.1, es utilizado para determinar la temperatura del lecho y de las partículas de combustible individuales que tengan una temperatura diferente (mayor) a la del coadyuvante. Estos experimentos demuestran que la técnica es aplicable tanto a pequeña escala de laboratorio como a escala industrial.

Figura 2.1.Figura 2.1.Figura 2.1.Figura 2.1. Esquema de la unidad radiométrica utilizada por

para obtener la temperatura de las partículas de combustible en un reactor de lecho fluido por pirometría de dos colores en 1984.

Se han realizado investigaciones en reactores de “Drop-Tube” (DFT), [18-20], que son instalaciones con condiciones de operación sencillas que permiten generar información sobre la combustión del carbón, tal como la temperatura de las partículas y la correlación entre ésta y el tamaño de las partículas. En estos trabajos, por medio de ventanas de acceso óptico que disponía el reactor, o bien porque todo el reactor es de cuarzo, medidas in-situ fueron realizadas para obtener la información mencionada. En la referencia 18 una cámara de alta velocidad, 5000 fps, es empleada para observar la combustión de la partícula, determinándose la velocidad de esta y su tiempo de residencia. En la referencia 19, además de una cámara de alta velocidad, emplean


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un pirómetro de dos colores para determinar la temperatura de la partícula de carbón que cae por el reactor.

, estudió el error que la presencia de hollín, induce en la medida de la

temperatura de la partícula de combustible, empleando pirometría de dos colores en las distintas regiones espectrales. Concluyó que aplicar la técnica pirométrica en la región visible es adecuado

cuando la temperatura de la partícula de combustible sea superior a aproximadamente.

Cuando la temperatura es menor y la devolatización tiene lugar, la técnica resulta más imprecisa. Causado por la reducción de la intensidad de la emisión en el rango visible y las fuertes emisiones del hollín en dicha región. Debido a que las longitudes de ondas mayores son menos afectadas por la emisión del hollín, mediciones en la ventana espectral alrededor de las 4 �m son las más adecuadas, proporcionando mediciones más precisas que la región visible e infrarrojo cercano. Una descripción detallada sobre la selección de las bandas espectrales se desarrolla en el capítulo 4.

Datos de la caracterización del carbón en un reactor de flujo arrastrado pueden ser poco precisos si medidas pobres de la temperatura de la partícula de combustible se tienen. En la referencia 22, utilizan pirometría en dos colores operando en el infrarrojo, para analizar la devolatización en la combustión del carbón en el rango de 700-1400 K.

2.1.1. ESTADO DEL ARTE EN LA MEDIDA DE LA TEMPERATURA DE LAS PARTÍCULAS DE 2.1.1. ESTADO DEL ARTE EN LA MEDIDA DE LA TEMPERATURA DE LAS PARTÍCULAS DE 2.1.1. ESTADO DEL ARTE EN LA MEDIDA DE LA TEMPERATURA DE LAS PARTÍCULAS DE 2.1.1. ESTADO DEL ARTE EN LA MEDIDA DE LA TEMPERATURA DE LAS PARTÍCULAS DE CARBÓN EN COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO.CARBÓN EN COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO.CARBÓN EN COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO.CARBÓN EN COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO. Es sabido que la temperatura de las partículas de carbón o carbonizado en combustión en un reactor de lecho fluido es superior a la temperatura del lecho. Este exceso de temperatura puede variar desde varias decenas a varias centenas de grados, como puede observarse en la tabla 2.1,

que resume el trabajo de revisión realizado por ....

Tabla 2.1.Tabla 2.1.Tabla 2.1.Tabla 2.1. Medida de la temperatura de la partícula de carbón en combustión sobre lecho fluido,

y las condiciones experimentales de trabajos de la literatura, recogida por .


20202020

Muchos esfuerzos se han llevado a cabo para la cuantificación del exceso de temperatura de las partículas de combustible sobre la del lecho. Las diferentes técnicas experimentales utilizadas en los trabajos que encontramos en la literatura que cuantifican este exceso de temperatura pueden clasificarse en técnicas que usan termopares [14], técnicas que utilizan la fotográfica [15- 18], por medio de pirometría óptica [9-13], y técnicas que utilizan un alambre anillado a la partícula de temperatura de fusión conocida [21].

En la medida realizada por medio de termopares, un agujero es necesario realizar sobre la superficie de la partícula de carbón donde introducir el termopar uniéndose por medio de una resina adhesiva. La partícula luego es suspendida en una localización definida dentro del lecho fluido, o se suelta en él para que se mueva de forma restringida, el histórico de la temperatura de la partícula es obtenido y almacenado. La mayor ventaja de ésta técnica es la medida histórica de la temperatura de una única partícula con buena precisión, incluso para pequeños excesos de temperaturas. Sin embargo, se está midiendo la temperatura del núcleo, y la partícula, o no está en movimiento, o su movimiento está restringido. Además, sólo partículas “grandes”, varios centímetros, pueden ser utilizadas, teniendo además que ser lo suficientemente duras para resistir la perforación, es decir, el método no es aplicable a todos los combustibles.

Por medio de la técnica fotográfica en blanco y negro, o en color, fotogramas de la parte superior del lecho son tomados y la intensidad de las imágenes donde aparecen las partículas de interés son comparadas con fuentes de calibración de temperatura conocida.

El método de pirometría óptica en reactores de lecho fluido está basado en una “guía de luz” inmersa en el lecho y una unidad radiométrica. Estimaciones menos precisas de la temperatura de las partículas se obtienen por medio de anillar un alambre fundible a la partícula de carbón y unirlo por medio de resina adhesiva.


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Los métodos ópticos como la fotografía y el pirómetro óptico, obtienen la temperatura superficial de partículas en movimiento libre y pueden ser aplicadas a partículas de menor tamaño que las usadas para el termopar. La medida histórica de la temperatura no puede ser obtenida, pero en su lugar, la medida de numerosas partículas es obtenida, revelando información sobre las interacciones partícula-partícula. En caso de que el exceso de temperatura entre la partícula de combustible y el lecho sea reducido, por métodos ópticos no se podrá determinar, distinguir, la temperatura de la partícula de interés. La precisión es normalmente más pobre que la obtenida con el termopar. El método fotográfico ha sido aplicado solo a partículas de la superficie del lecho donde la transferencia de masa y calor es diferente a la interior del lecho.

Se concluye que la medida de la temperatura de pequeñas partículas en movimiento no es posible por métodos de contacto sin afectar al fenómeno bajo estudio, y que, no se ha podido desarrollar hasta la fecha ninguna técnica experimental que aporte resultados de alta calidad en las condiciones de oxi-combustión en lecho fluido.

2.2. MÉTODOS Y TÉCNICAS TERMOMÉTRICAS EN LA MEDIDA DE TEMPERATURA DE LA 2.2. MÉTODOS Y TÉCNICAS TERMOMÉTRICAS EN LA MEDIDA DE TEMPERATURA DE LA 2.2. MÉTODOS Y TÉCNICAS TERMOMÉTRICAS EN LA MEDIDA DE TEMPERATURA DE LA 2.2. MÉTODOS Y TÉCNICAS TERMOMÉTRICAS EN LA MEDIDA DE TEMPERATURA DE LA PARTÍCULA DE CARBÓN EN COMBUSTIÓN.PARTÍCULA DE CARBÓN EN COMBUSTIÓN.PARTÍCULA DE CARBÓN EN COMBUSTIÓN.PARTÍCULA DE CARBÓN EN COMBUSTIÓN.

2.2.1. TERMOMETRÍA FOTOGRÁFICA.2.2.1. TERMOMETRÍA FOTOGRÁFICA.2.2.1. TERMOMETRÍA FOTOGRÁFICA.2.2.1. TERMOMETRÍA FOTOGRÁFICA. En la literatura encontramos trabajos [15, 16] que usan la técnica fotográfica aplicada a reactores de lecho fluido con el objetivo de determinar la temperatura de la partícula de combustible, o cuanto se eleva ésta respecto de la del lecho. En ambos trabajos se fotografía la parte superior del reactor. Un esquema del montaje que usan en estos trabajos puede verse en la figura 2.2.

Figura 2.2.Figura 2.2.Figura 2.2.Figura 2.2. Esquema de la instalación utilizada para la determinación de la temperatura de la partícula de carbón en la parte superior del lecho de un combustor por fotografía, [16].


22222222

analiza la temperatura de las partículas de carbón por comparación con fotogramas

de cuerpos negros a temperatura conocida. La comparación es realizada por un densitómetro, dispositivo que mide el grado de oscuridad (densidad óptica) de un material fotográfico. Se trata básicamente de dirigir una fuente de luz hacia una célula fotovoltaica, determinándose la densidad óptica de una muestra colocada entre la fuente de luz y la célula fotoeléctrica.

utiliza una técnica similar a la usada por para medir la temperatura de las

partículas en la parte superior del reactor de lecho fluido. Uno de estos métodos fue de fotografía en blanco y negro, donde la oscuridad del punto, asociada a la presencia de la partícula y relacionada con su temperatura, se analiza la atenuación de la luz por medio de un densitómetro y cada película luego es calibrada frente a unas fotografías de pilas de carbón de temperatura conocida. El segundo método que emplearon fue la fotografía en color, el dispositivo de captura fue dispuesto de manera que en la misma fotografía aparecían 6 bombillas de filamento de tungsteno a temperaturas comprendidas entre 1178 y 1673 K y la superficie del lecho. Equiparando el brillo de las partículas con el de los filamentos obtuvieron la temperatura.

Dos críticas pueden hacerse al método fotográfico que se ha descrito. En primer lugar, condiciones diferentes en la parte superior del lecho respecto de su interior en lo que se refiere a la transmisión de calor y difusión de materia, y en segundo lugar, se compara fotografías de un cuerpo negro, emisividad igual a la unidad, con fotografías de partícula de carbonizado de emisividad comprendidas entre 0.8-0.9, como se concluye en el capítulo 3, concretamente en el punto 3.2.

2.2.2. TERMOMETRÍA MEDIANTE TERMOPARES.2.2.2. TERMOMETRÍA MEDIANTE TERMOPARES.2.2.2. TERMOMETRÍA MEDIANTE TERMOPARES.2.2.2. TERMOMETRÍA MEDIANTE TERMOPARES. Varios trabajos han medido la temperatura de las partículas de carbón durante su combustión en lechos fluidos insertando termopares en un “orifico” realizado sobre la superficie de la partícula y

arrojándola al lecho fluido .

La mayor crítica a este método es que el movimiento de la partícula de carbón es restringido por el cable del termopar. Así, mientras la partícula de carbón está en la fase partícula, el movimiento relativo entre la partícula de carbón y las partículas del lecho podría ser mayor, mejorando la transferencia de calor y disminuyendo la temperatura. Cuando la partícula es rodeada por la fase burbuja, se produce un incremento en la temperatura análoga a la de una partícula en la superficie del lecho.

2.2.3. CABLE FUNDIBLE ANILLADO ALREDEDOR DE LA PARTÍCULA.2.2.3. CABLE FUNDIBLE ANILLADO ALREDEDOR DE LA PARTÍCULA.2.2.3. CABLE FUNDIBLE ANILLADO ALREDEDOR DE LA PARTÍCULA.2.2.3. CABLE FUNDIBLE ANILLADO ALREDEDOR DE LA PARTÍCULA. Yates y Walter, tabla 2.1, fabricaron partículas esféricas de antracita. Un número de estas partículas fue anillada con un cable de aleación de oro-plata, con un punto de fusión de 1273 K.

Ellos recuperaban y analizaban visualmente los anillos después de la combustión de estas partículas a varias temperaturas del lecho fluido. Usando partículas anilladas de diferente diámetro, por ejemplo; 2.5 mm, 5 mm y 7.5 mm, se puede concluir que la temperatura superficial aumenta con la disminución del tamaño de la partícula.

Aunque esta técnica no tiene los inconvenientes de los dos métodos anteriores, presenta el inconveniente de que fabricar la partícula de combustible puede variar su reactividad y energía


23232323

específica. Las diferencias en la combustión y el calor liberado entre la partícula fabricada y el carbón del cual está hecha, pueden causar diferencias en la temperatura superficial.

2.2.42.2.42.2.42.2.4. PIROMETRÍA EN DOS COLORES APLICADA A UN REACTOR DE LECHO FLUIDO.. PIROMETRÍA EN DOS COLORES APLICADA A UN REACTOR DE LECHO FLUIDO.. PIROMETRÍA EN DOS COLORES APLICADA A UN REACTOR DE LECHO FLUIDO.. PIROMETRÍA EN DOS COLORES APLICADA A UN REACTOR DE LECHO FLUIDO. La termometría por medio de la unidad radiométrica y fibra óptica fue introducida por

en 1984. Este método permitía determinar la temperatura del lecho y de las

partículas individuales de combustible cuando existía una diferencia entre ellas. Esta técnica fue

aplicada y desarrollada por , y . Éste último trabajo,

completo la teoría para tener en cuenta la dispersión de la luz.

Como se explicó arriba, la radiación electromagnética infrarroja emitida por el lecho, las partículas de carbonizado, y la emitida por el lecho que es reflejada en la partícula es capturada por la sonda óptica inmersa en el lecho fluido, y conducida a la a la unidad radiométrica por la fibra óptica. En la figura 2.3 se muestra un esquema del recorrido seguido por la radiación infrarroja y los componentes que forman el dispositivo.

La intensidad de la radiación es medida en la unidad radiométrica en dos intervalos espectrales de ancho de banda de varias decenas de nanómetros conseguidos gracias a dos filtros situados

delante de los detectores centradas en y . Estas bandas están centradas en la región visible y

en la infrarroja cercana cuando quiere obtenerse la temperatura de partículas de carbón o carbonizado en condiciones de combustión y/o oxi-combustión. La descripción y justificación de la selección de estos intervalos se encuentra en el capítulo 4. La unidad radiométrica obtiene dos señales que permiten determinar la temperatura de la partícula emisora de la radiación como a continuación se explica.

Figura 2.3.Figura 2.3.Figura 2.3.Figura 2.3. Esquema del camino seguido por la radiación infrarroja en termometría por fibra óptica y representación de la señal eléctrica generada, [13].

La respuesta del sistema a la radiación térmica es calibrada contra un cuerpo negro estándar. Esta

calibración proporciona las señales , i=1,2 referidos a las dos longitudes de onda. Una

representación de las curvas de calibración se muestra en la figura 2.4.


24242424

Figura 2.4.Figura 2.4.Figura 2.4.Figura 2.4. Curvas de calibración de la unidad radiométrica calculadas como la respuesta a la radiación infrarroja emitida por un cuerpo negro, [9].

En la figura 2.5, se representa una parte de la señal generada durante uno de los experimentos

realizados por , en ella, el nivel inferior de cada curva corresponde a la

emisión de las partículas inertes del lecho, , los picos transitorios que se observan, , son

originados cuando una partícula de combustible pasa cerca de la punta de la sonda óptica, dentro del campo de visión de ésta, i=1,2 referidos a las dos longitudes de onda.

Figura 2.5.Figura 2.5.Figura 2.5.Figura 2.5. Señal eléctrica generada por la radiación infrarroja irradiada sobre el sensor cuando pasa una partícula de carbonizado por el campo de visión de la sonda, [9].

La temperatura del lecho puede ser calculada cuando ninguna partícula de combustible está pasando por el campo de visión de la sonda

(2.1)

La altura del transitorio dado por la unidad radiométrica asociado al paso de una partícula de combustible frente a la sonda se modela por

(2.2)


25252525

Donde es la emisividad de la partícula de carbonizado, es la sección transversal de la

partícula de carbonizado, el área de observación de la sonda y es un factor de forma “de

cómo la fibra óptica ve la partícula”.

Si se define el parámetro geométrico

(2.3)

La respuesta de la unidad radiométrica al paso de la partícula de carbonizado queda dada por

(2.4)

En la ecuación (2.4), se tienen ahora dos incógnitas (X, ), luego es necesaria usar las dos

lecturas radiométricas en los dos intervalos espectrales, centrado en y en , para determinar

la temperatura de la partícula de carbonizado que paso por el campo de visión.

(2.5)

Señalar por un lado, que el método es independiente de la emisividad por la suposición de cuerpo gris, y por otro lado, que para que la pirometría por fibra óptica genere una temperatura precisa de la partícula de combustible es necesario que las partículas de combustible y el material del lecho tengan comportamiento de cuerpo gris, , o que sus emisividades sean

conocidas como función de la temperatura y longitud de onda, . Además, las emisiones

de los productos gaseosos de la combustión y el hollín no deben cuantificarse. Un desarrollo detallado del método utilizado por esta técnica y justificación de la selecciones de longitudes de onda realizadas en los trabajos que se encuentran en la literatura están en el anexo I y en el capítulo 4 respectibamente.

Existe una distancia, , a partir de la cual la sonda no “ve” la partícula de carbonizado, esta

longitud viene marcada por la dispersión de la luz que produce las partículas del lecho,

(2.6)

Donde d es el diámetro de las partículas del lecho y es la porosidad del lecho. Es fácil

comprobar que incluso en los lechos más diluidos, , con partículas del lecho de 300 μm

de diámetro, hay una corta distancia de observación, .

2.2.5. PIROMETRÍA EN DOS COLORES APLICADA A UN REACTOR DE FLUJO DE ARRASTRE.2.2.5. PIROMETRÍA EN DOS COLORES APLICADA A UN REACTOR DE FLUJO DE ARRASTRE.2.2.5. PIROMETRÍA EN DOS COLORES APLICADA A UN REACTOR DE FLUJO DE ARRASTRE.2.2.5. PIROMETRÍA EN DOS COLORES APLICADA A UN REACTOR DE FLUJO DE ARRASTRE. Una representación de un reactor de flujo arrastrado, de la unidad radiométrica y de los componentes que la forman está en la figura 2.6. A), en ella podemos ver las ventanas de acceso óptico que tiene el reactor para poder aplicar la técnica pirométrica.

La radiación, compuesta como en el caso anterior por las emisiones de la partícula de combustible, , las paredes del reactor, , y la radiación que emitida por las paredes del reactor

es reflejada en la superficie de la partícula, es capturada por el sistema de lentes y enfocada al final de la fibra óptica primaria para ser conducida a la unidad radiométrica donde es medida

por los detectores en dos bandas espectrales centradas en y por medio de filtros. Esta


26262626

fibra primaria, figura 2.6.A), está rodeada de pequeñas fibras de referencia usadas en el tallaje de las partículas, [10].

Cuando una partícula de combustible, cuya temperatura exceda la del fondo, pasa a través del campo de visión de la sonda, un pulso es detectado en las dos señales pirimétricas, figura 2.6. B). Un modelo que tiene en cuenta las tres componentes de la radiación mencionada arriba es

(2.7)

Donde es la respuesta del sistema en , es la respuesta obtenida cuando ninguna partícula

pasa por el campo de visión de las lentes, y son el área de la sección transversal de la

partícula y el área de la sección transversal del campo de visión en el plano focal respectivamente, ε es la emisividad de la partícula. La temperatura de la partícula se obtiene usando la tasa del pulso de luz medio en las dos bandas espectrales (i=1, 2)

(2.8)

Figura 2.6.Figura 2.6.Figura 2.6.Figura 2.6. A) Reactor de flujo arrastrado y componentes de la técnica pirométrica, B) Señal pirométrica asociada al paso de una partícula de combustible por el campo de visión, [10].

2.2.6. PIROMETRÍA COLOR2.2.6. PIROMETRÍA COLOR2.2.6. PIROMETRÍA COLOR2.2.6. PIROMETRÍA COLOR----BANDA.BANDA.BANDA.BANDA. En la referencia 18 desarrollan una teoría utilizando la idea empleada en la pirometría tradicional y la capacidad de respuesta de las cámaras digitales, obteniendo la distribución superficial de temperatura de una única partícula de carbonizado situada en el centro de un reactor esférico. Una representación del reactor que utilizaron y del resultado que obtuvieron aparece en la figura 2.7.A) y 7.B) respectivamente.


27272727

Figura 2.7.Figura 2.7.Figura 2.7.Figura 2.7. A) Representación del reactor esférico con una única partícula de combustible (madera) fija en su interior y las fuentes de radiación infrarroja que intervienen, 1 partícula y 2

reactor. B) Distribución superficial de temperatura de la partícula de combustible, [18].

La pirometría tradicional consiste en quedarse con la radiación infrarroja en bandas espectrales estrechas y obtener su intensidad irradiando un sensor. Como se ha descrito arriba, con una sola longitud de onda podemos determinar la temperatura sí la emisividad de la superficie, el área que emite, y los parámetros ópticos del sistema son conocidos. Radiación en dos o más longitudes de onda puede eliminar la necesidad de conocer la emisividad de la superficie, al área que emite, etc., Una cámara digital a color tiene el potencial de extender eta técnica para obtener medidas de la temperatura y emisividad pixel por pixel.

Aunque, el algoritmo matemático que utilizan en esta nueva técnica es similar al usado por la pirometría tradicional, como las cámaras digitales son sensibles a la luz en de anchos de banda mayores que las bandas usadas en la pirometría tradicional, cientos de nanómetros frente a varias decenas de nanómetros, en la referencia 17 llaman a esta técnica pirometría color-band, para diferenciarlas.

Ellos relacionan la información de la intensidad de la radiación visible que emite la partícula de combustible fotografiada, proporcionada por la cámara digital para cada pixel, con el modelo de la radiación que emite dicha partícula, y gracias al filtro de Bayer que tiene el sensor en su superficie obtiene lecturas de la intensidad de la radiación en tres intervalos espectrales diferentes, es decir, en tres colores; azul [450-495] nm, verde [495-570] nm, y rojo [620-750] nm. Con estas lecturas se obtienen tres relaciones; rojo-azul, rojo-verde, y azul-verde, dependientes sólo de la temperatura. Una de estas relaciones teniendo en cuenta que la radiación capturada proviene de la partícula de combustible y de la radiación que emitida por las paredes del reactor son reflejadas en la superficie de la partícula y capturada, se muestra en (2.9).

(2.9)

Donde DN es la profundidad de digitalización, ver punto 2.3.1, proporcionado por el fichero del fotograma que almacena la información de la intensidad de la radiación que recibió ese

determinado pixel, es un factor para dar consistencia a las unidades, f(gi) hace referencia a una


28282828

función de la ganancia de la cámara (dB), a es el tamaño del pixel, X es el cociente entre el

tamaño real del objeto y su tamaño en el sensor, es el tiempo de exposición, es la

emisividad de la partícula, es la transmitancia de la lente y es la sensibilidad del sensor,

(Ctes. de la ley de Planck), � la

longitud de onda de la radiación en metros, es la temperatura de la superficie de la partícula

y la corresponde a la temperatura del reactor.

CAPÍTULO 3: DESARROLLO Y MODELADO DEL MÉTODO DE MEDIDA DE TEMPERATURA CAPÍTULO 3: DESARROLLO Y MODELADO DEL MÉTODO DE MEDIDA DE TEMPERATURA CAPÍTULO 3: DESARROLLO Y MODELADO DEL MÉTODO DE MEDIDA DE TEMPERATURA CAPÍTULO 3: DESARROLLO Y MODELADO DEL MÉTODO DE MEDIDA DE TEMPERATURA DE DE DE DE PARTÍCULAS EN COMBUSTIÓN EN EL PRESENTE PROYECTO.PARTÍCULAS EN COMBUSTIÓN EN EL PRESENTE PROYECTO.PARTÍCULAS EN COMBUSTIÓN EN EL PRESENTE PROYECTO.PARTÍCULAS EN COMBUSTIÓN EN EL PRESENTE PROYECTO.

3.1. DESCRIPCIÓN DE3.1. DESCRIPCIÓN DE3.1. DESCRIPCIÓN DE3.1. DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO DEL MÉTODO DEL MÉTODO DEL MÉTODO DE MEDIDA DE LA TEMPEMEDIDA DE LA TEMPEMEDIDA DE LA TEMPEMEDIDA DE LA TEMPERATURA DE PARTÍCULAS DE RATURA DE PARTÍCULAS DE RATURA DE PARTÍCULAS DE RATURA DE PARTÍCULAS DE CARBONIZADO.CARBONIZADO.CARBONIZADO.CARBONIZADO.

3.1.1. 3.1.1. 3.1.1. 3.1.1. FUNDAMENTOFUNDAMENTOFUNDAMENTOFUNDAMENTO PARA PARA PARA PARA EL DESARROLLO DEL MÉTODO DE MEDIDA DE EL DESARROLLO DEL MÉTODO DE MEDIDA DE EL DESARROLLO DEL MÉTODO DE MEDIDA DE EL DESARROLLO DEL MÉTODO DE MEDIDA DE TEMPERATURA DE CARBONIZADO.TEMPERATURA DE CARBONIZADO.TEMPERATURA DE CARBONIZADO.TEMPERATURA DE CARBONIZADO.

3.1.2. DESCRIPCIÓN DEL MÉTO3.1.2. DESCRIPCIÓN DEL MÉTO3.1.2. DESCRIPCIÓN DEL MÉTO3.1.2. DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO DE MEDIDA DE LA TEMPERATRADO DE MEDIDA DE LA TEMPERATRADO DE MEDIDA DE LA TEMPERATRADO DE MEDIDA DE LA TEMPERATRA DE DE DE DE CARBONIZADO.CARBONIZADO.CARBONIZADO.CARBONIZADO.

3.1.3. TÉCNICAS DE POST3.1.3. TÉCNICAS DE POST3.1.3. TÉCNICAS DE POST3.1.3. TÉCNICAS DE POST----PROCESADO PARA LA DETERMINACIÓN DE PROCESADO PARA LA DETERMINACIÓN DE PROCESADO PARA LA DETERMINACIÓN DE PROCESADO PARA LA DETERMINACIÓN DE TRAYECTORIASTRAYECTORIASTRAYECTORIASTRAYECTORIAS DE LAS PARTÍCULAS DE CARBONIZADODE LAS PARTÍCULAS DE CARBONIZADODE LAS PARTÍCULAS DE CARBONIZADODE LAS PARTÍCULAS DE CARBONIZADO. . . .

3.2. MODELO DE LA RADIACIÓN CAPTURADA.3.2. MODELO DE LA RADIACIÓN CAPTURADA.3.2. MODELO DE LA RADIACIÓN CAPTURADA.3.2. MODELO DE LA RADIACIÓN CAPTURADA.


29292929

CAPÍTULO 3. CAPÍTULO 3. CAPÍTULO 3. CAPÍTULO 3. DESARROLLO Y MODELADO DEL MÉTODODESARROLLO Y MODELADO DEL MÉTODODESARROLLO Y MODELADO DEL MÉTODODESARROLLO Y MODELADO DEL MÉTODO DE MEDIDADE MEDIDADE MEDIDADE MEDIDA DE TEMPERATURA DE DE TEMPERATURA DE DE TEMPERATURA DE DE TEMPERATURA DE PARTÍCULAS EN COMBUSTIÓN EN EL PRESENTE PROYECTO.PARTÍCULAS EN COMBUSTIÓN EN EL PRESENTE PROYECTO.PARTÍCULAS EN COMBUSTIÓN EN EL PRESENTE PROYECTO.PARTÍCULAS EN COMBUSTIÓN EN EL PRESENTE PROYECTO.

En este capítulo se presenta el método de medida de la temperatura de las partículas de carbonizado que se utilizará en la operación del montaje experimental propuesto en el capítulo 5. La idea es usar el concepto empleado en el método pirométrico mediante fibra óptica, descrito en el capítulo anterior, junto con la capacidad actual de las cámaras digitales, que proporcionan información de la radiación electromagnética que le llega a cada pixel del sensor. De esta forma y utilizando los formalismos de la transmisión de calor por radiación, se puede determinar la temperatura del cuerpo cuya radiación infrarroja irradió el sensor de la cámara.

3.1. DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO DE MEDIDA 3.1. DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO DE MEDIDA 3.1. DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO DE MEDIDA 3.1. DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO DE MEDIDA DE LA TEMPERATURA DE PARTÍCULAS DE DE LA TEMPERATURA DE PARTÍCULAS DE DE LA TEMPERATURA DE PARTÍCULAS DE DE LA TEMPERATURA DE PARTÍCULAS DE CARBONIZADO.CARBONIZADO.CARBONIZADO.CARBONIZADO.

3.1.1. FUNDAMENTO PARA EL DESARROLLO DEL MÉTODO DE MEDIDA DE TEMPERATURA 3.1.1. FUNDAMENTO PARA EL DESARROLLO DEL MÉTODO DE MEDIDA DE TEMPERATURA 3.1.1. FUNDAMENTO PARA EL DESARROLLO DEL MÉTODO DE MEDIDA DE TEMPERATURA 3.1.1. FUNDAMENTO PARA EL DESARROLLO DEL MÉTODO DE MEDIDA DE TEMPERATURA DE CARBONIZADO.DE CARBONIZADO.DE CARBONIZADO.DE CARBONIZADO. Una cámara digital es un equipo formado por una parte óptica, el objetivo, y una parte electrónica, el sensor, que se combinan de forma que capturando la radiación electromagnética visible procedente de la escena visualizada genera una imagen de ésta. Una fotografía digital puede verse en la figura 3.1.

La cámara digital lo que hace es asignar un valor, entre [0, ], en función de la radiación que

recibe cada pixel. Los n bits se conocen como profundidad de digitalización, y a mayor valor,


30303030

mejor es la cámara. Un valor común es de 8 bit, [0, ]. Con un programa de tratamiento

de imágenes, como por ejemplo MATLAB, se puede acceder a esa información, , es decir, si abrimos el archivo de la fotografía de la figura 2.8 con MATLAB, este nos proporciona una matriz de dimensiones 600 x 600 (resolución del sensor), donde cada elemento (i,j) de la matriz contiene un valor comprendido entre [0, ] que modela la radiación que recibió de la escena

visualizada.

Si el sensor de la cámara es sensible a la radiación infrarroja tendremos una matriz cuyos elementos nos informan de la cantidad de radiación electromagnética infrarroja que recibieron sus pixeles. Modelando la radiación que recibirá nuestro sensor por medio de los formalismos propios de la transferencia de calor por radiación podremos determinar la temperatura de la superficie cuya radiación fue capturada. Esta es la idea sobre la cual se construye el dispositivo de medida de temperatura en este proyecto.

Figura 3.1Figura 3.1Figura 3.1Figura 3.1.... Imagen digital, 600x600, de gotas de agua sobre una tela de araña en formato JPEG https://commons.wikimedia.org/wiki/File.

3.1.2. DE3.1.2. DE3.1.2. DE3.1.2. DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO DE MEDIDA DE LA TEMPERATRA SCRIPCIÓN DEL MÉTODO DE MEDIDA DE LA TEMPERATRA SCRIPCIÓN DEL MÉTODO DE MEDIDA DE LA TEMPERATRA SCRIPCIÓN DEL MÉTODO DE MEDIDA DE LA TEMPERATRA DE CARBONIZADO.DE CARBONIZADO.DE CARBONIZADO.DE CARBONIZADO. Para obtener medidas fiables y de calidad de la temperatura de las partículas de carbonizado en condiciones de oxi-combustión en reactores de lecho fluido, se propone el diseño y construcción de un reactor de lecho fluido, de geometría bidimensional (2D), con paredes total o parcialmente “transparentes” a la radiación infrarroja, dentro de un horno eléctrico equipado con una ventana para realizar medidas ópticas por medio de un dispositivo que determine la temperatura de las partículas de carbonizado durante su conversión. Una representación de la idea se puede ver en la figura 3.2


31313131

Figura Figura Figura Figura 3.2.3.2.3.2.3.2. Representación del montaje de un lecho fluido bidimensional (paralepípedo azul) interior al horno eléctrico (paralepípedo rojo) equipado con una ventana (recuadro celeste) que

permita el paso de la radiación electromagnética a capturar, para la determinación de la temperatura de las partículas de carbonizado (partículas negras) inmersa en un lecho fluido de

arena (partículas marrones).

Apoyándonos en los resultados de los trabajos existentes en la literatura, y en la capacidad de las cámaras digitales de modelar el valor de la intensidad de la radiación que incidió sobre el sensor, pixel por pixel. La captura de la radiación térmica se consigue, literalmente, realizando fotografías a la escena visualizada por medio de una cámara fotográfica cuyo sensor es sensible a la radiación infrarroja. Una representación de la toma de un fotograma se representa en la figura 3.3, donde aparecen el lecho, partícula de carbonizado, pared del reactor y ventana de observación del horno. La representación de la fotografía que se obtendría en la situación mostrada en la figura 3.3, se puede observar en la figura 3.4. A) junto con una imagen real de un montaje similar al propuesto, figura 3.4. B).

En la figura 3.5 se representa de forma cualitativa la evolución temporal de la señal que se podría obtener para un pixel del sensor (i,j) cualquiera. En ella se representa el valor que el pixel (i,j) tendría en cada fotograma que la cámara realizó, .


32323232

Figura Figura Figura Figura 3.3.3.3.3.3.3.3. Representación de la toma de fotogramas y con ella la captura de radiación infrarroja.

Figura Figura Figura Figura 3.4.3.4.3.4.3.4. Imagen A)A)A)A) “fotográfica” del montaje de la figura 3.3 con un recuadro rojo y azul que indican las superficies de carbonizado y lecho cuya radiación alcanzan píxeles diferente del

sensor, y B) B) B) B) imagen del montaje real de un lecho fluido bidimensional (University of Twente, Department of termal Engineering).

De manera análoga a como se interpreta la señal en la técnica pirométrica, podemos interpretar la forma de la señal de la figura 3.5.

1. Los niveles inferiores son asociados a la radiación de fondo, formada por la emitida del lecho y la que escapa del horno, debida a los elementos calefactores y refractarios.

2. Los picos se asocian a la radiación más intensa de las partículas de carbonizado.

3. En función del tiempo en el cual, en la posición cuya radiación captura el pixel (i,j) esté una partícula de carbonizado la anchura del pico será mayor, y en función del tiempo en el cual, no pase ninguna partícula de carbonizado, mayor será la ancha del valle.


33333333

Por lo tanto, la altura del pico será asociada a la temperatura superficial de la partícula que ocupa en el fotograma concreto la posición correspondiente a ese pixel. De esta forma, en el instante en el cual se tomó el fotograma de la figura 3.4 A), la curva asociada al pixel marcado

con el recuadro rojo tendrá un mayor que el que tendrá el pixel marcado con el recuadro

azul en ese mismo instante al estar uno capturando radiación procedente de la partícula de carbonizado y el otro la del lecho.

3.1.3. TÉCNICAS DE POST3.1.3. TÉCNICAS DE POST3.1.3. TÉCNICAS DE POST3.1.3. TÉCNICAS DE POST----PROCESADO PARA LA DETERMINACIÓN DE LAS TRAYECTORIAS PROCESADO PARA LA DETERMINACIÓN DE LAS TRAYECTORIAS PROCESADO PARA LA DETERMINACIÓN DE LAS TRAYECTORIAS PROCESADO PARA LA DETERMINACIÓN DE LAS TRAYECTORIAS DE LAS PARTÍCULAS. DE LAS PARTÍCULAS. DE LAS PARTÍCULAS. DE LAS PARTÍCULAS. Tras la ejecución de un experimento esperamos tener un número de matrices igual al producto del número de fotogramas por segundo que realiza la cámara digital, y el número de segundos

que hayamos estado grabando. En cada matriz , habrá valores elevados en ciertos elementos

(i,j) asociados a superficies a mayor temperatura, y valores de elementos (l,k) de menor valor asociado a superficies a menor temperatura. Mediante un procesado de esta información pretendemos determinar la temperatura asociada a cada elemento (i,j), . Es decir, conocido el

valor que cada elemento (i,j) de la matriz de digitalización del fotograma tomado en el

instante k tiene, por medio del post-procesado de imágenes se determinará la temperatura asociada . La determinación de la temperatura se desarrolla a continuación, en el punto 3.2.

Conocidas las matrices , podríamos conocer la temperatura que presenta la partícula de

carbonizado en cada instante k, como la temperatura media de todas las temperaturas que presenten los pixeles a nivel superior, una representación del resultado que podría obtenerse se muestra en la figura 3.6.

Una medida más ambiciosa que tenemos en mente, es determinar la trayectoria seguida por las partículas de carbonizado a lo largo de la conversión. Si alimentamos una única partícula de carbonizado, es obvio, que cada vez que sea detectada en un fotograma tendremos una posición de ella, uniendo los puntos en los cuales se detecto la partícula de combustible en orden cronológico, obtendremos la trayectoria. Sin embargo, al alimentarse más de una partícula de carbonizado, habrá que diseñar un algoritmo que tenga en cuenta, además de la posición en la que se detectan partículas de carbonizado, el tiempo que transcurre desde que en las cercanías de donde se detectó una partícula de carbonizado aparece otra señal característica de que hay una partícula de carbonizado, para intentar inferir si se trata de una nueva partícula o de la anterior que se desplazó. Una representación de la idea se encuentra en la figura 3.7. Es claro, que la geometría del reactor debe ser diseñada de manera que la probabilidad de que la partícula de carbonizado no aparezca en el campo de visión por introducirse en lecho sea mínima, de aquí que el diseño sea 2D.


34343434

Figura Figura Figura Figura 3.5.3.5.3.5.3.5. Representación temporal de la señal que modela la intensidad de la radiación

que alcanza en pixel (i, j).

Figura Figura Figura Figura 3.63.63.63.6.... Representación de la evolución temporal de la temperatura de las partícula de carbonizado como media de las temperaturas que tienen los pixeles de cada fotograma k a un

nivel superior asociado a la emisión de la superficie de la partícula de combustible.


35353535

Figura Figura Figura Figura 3.7. 3.7. 3.7. 3.7. Determinación de la trayectoria seguida por las partículas de carbonizado durante su conversión.

3.2. MODELO DE LA RADIACIÓN CAPTURADA.3.2. MODELO DE LA RADIACIÓN CAPTURADA.3.2. MODELO DE LA RADIACIÓN CAPTURADA.3.2. MODELO DE LA RADIACIÓN CAPTURADA. Como se adelantó en el capítulo anterior y se desarrolla en detalle en el siguiente, pretendemos diseñar y construir un reactor de lecho fluido de geometría bidimensional (2D) con paredes parcial o totalmente transparentes a la radiación infrarroja, que nos permita capturar, cuantificar e interpretar dicha radiación, de forma que podamos determinar la temperatura de las partículas de carbonizado que estarán en conversión en su interior. El reactor estará alojado en el interior de un horno eléctrico equipado con una ventana que permita el acceso óptico del dispositivo de medida. Una representación del diseño del reactor y del horno eléctrico se puede ver en la figura 3.8. A) y 3.8.B), respectivamente.

Como se justificó en el capítulo anterior, la señal que esperamos obtener cuando se represente la evolución temporal de los valores asignados por la digitalización a cada pixel del sensor en función de la radiación que recibieron, se muestra en la figura 3.9. En ella distinguimos dos niveles claramente diferenciados, uno inferior asociado a la radiación de fondo, banda celeste, y otro superior asociado a la radiación más energética de la partícula de carbonizado, banda rojiza.


36363636

Figura 3.Figura 3.Figura 3.Figura 3.8888. A)A)A)A) Representación del reactor de lecho fluido de geometría bidimensional y B)B)B)B) del horno eléctrico equipado con la ventana de observación.


37373737

Figura 3.9Figura 3.9Figura 3.9Figura 3.9.... Evolución temporal de la profundidad digital de cada pixel destacando los niveles inferiores asociados a la radiación de fondo, banda celeste, y los niveles superiores asociados a la

radiación más energética de las partículas de carbonizado, banda rojiza.

Para modelar la radiación que irradiará el sensor de la cámara digital utilizamos la teoría de transmisión de calor por radiación. En la figura 3.10, se muestra como se denominan los flujos radiantes relacionados con una superficie, vemos que por emitancia (M), irradiancia (E), y radiosidad (J), se entiende la potencia radiante que emite, recibe y abandona, respectivamente, la unidad de superficie, .

Figura 3.10Figura 3.10Figura 3.10Figura 3.10. . . . Flujos radiantes relacionados con una superficie; Emitancia (M), Irradiancia (E), y Radiosidad (J), potencia radiante que emite, recibe y abandona, respectivamente, la unidad de

superficie.

Utilizando las definiciones mostradas en la figura 3.10, la Irradiancia sobre el sensor de la cámara, , (3.1), es una fracción de la radiosidad que abandona la ventana del horno, ,.

Dicha fracción está definida por el factor de forma entre el objetivo de la cámara y la superficie de la ventana, . Por su parte, la radiosidad que abandona la ventana del horno, (3.2), es la

suma de su emitancia, por estar a una determinada temperatura, , más un porcentaje

de la Irradiancia que llega a la ventana del interior del horno, , el porcentaje es la

transmisibilidad del material del cual este hecha la ventana del horno, . Esta irradiancia sobre

la ventana del horno, (3.3), procede del intercambio radiante de las superficies que forma la cámara interior del horno y las paredes del reactor, es decir, es la suma de radiosidad de cada superficie interior del horno que llega a la ventana. Para saber qué cantidad de toda la radiación emitida llega a la ventana del horno se emplean factores de forma, , que indican cómo ve la

superficie i a la superficie j. Una representación de la transferencia de radiación e intercambio radiante descrito se encuentra en la figura 3.11.

(3.1)

(3.2)

(3.3)

De las expresiones anteriores se deduce que para obtener la irradiancia sobre el sensor de la cámara digital es necesario resolver el intercambio radiante entre las superficies interiores del horno con las paredes del reactor, es decir, es resolver el sistema de ecuaciones

(3.4)


38383838

Donde el subíndice i= 1,…,w son el número de superficies interiores del horno que intercambian calor por radiación, es la radiosidad que abandona la superficie i, es la emitancia de la

superficie i como si fuese negra, , , son la emisividad, absortividad, y transmisibilidad,

respectivamente, de la superficie i, es el factor de forma entre la superficie i y la superficie k, w

es el número de superficies que intercambian radiación en la cámara interior del horno.

Figura 3.11Figura 3.11Figura 3.11Figura 3.11.... Representación de la transferencia de radiación e intercambio radiante entre las paredes internas del horno eléctrico, paredes del reactor, ventana de observación y cámara digita, donde; , es la irradiancia sobre el sensor de la cámara, es la radiosidad que

abandona la ventana del horno, , es la irradiancia sobre la ventana del horno, y es la

radiosidad de la superficie i.

La emitancia como cuerpo negro de una superficie i, a temperatura se calcula formalmente por

medio de la ley de Planck, aunque de forma práctica se obtiene por

(3.5)

Donde es una función que da el porcentaje de la radiación emitida por un cuerpo

negro a temperatura entre las longitudes de onda y

conocida como la constante de Stefan-Boltzman.


39393939

En la resolución del sistema de ecuaciones definido en (3.4) hay que tener en cuenta que las paredes que forman el reactor son de cuarzo por motivos que se justificarán en el capítulo 5. El cuarzo tiene una gran transmisibilidad a la radiación infrarroja, luego no sólo será atravesada desde fuera hacia dentro, por la irradiación que le llegue de las superficies exteriores de la cámara del horno, modelado por el término en (3.4), sino que será

atravesada desde dentro hacia fuera, por la radiosidad del lecho de arena. Esto se modela introduciendo un término adicional en el segundo miembro de las ecuaciones de (3.4) cuando i sea una pared del reactor.

Con la resolución de las ecuaciones (3.1-3.4) se ha modelado la irradiación que genera los valores inferiores mostrados en la figura 3.10, Para modelar la radiación que produce los picos de la señal, valores superiores, banda rojiza de la figura 3.10, nos apoyamos en la recreación de la captura de la radiación térmica mostrada en la figura 3.12, donde además, aparecen las componentes de la radiación que recibe el sensor. En la figura 3.13. A) se muestra la recreación del fotograma que se obtendría. Se destacan dos recuadros de la superficie de la escena visualizada que corresponde a dos pixeles distintos del sensor, (i, j) y (m, n). La representación de la señal que se obtendría en ellos aparece en la figura 3.13. B). Donde se señala el valor que para un mismo instante , fotograma, tiene la profundidad digital del pixel asociado a la superficie de

la escena visualizada contenida en el recuadro rojo y la contenida en el recuadro azul. El mayor valor de frente al es debido a que uno está asociado a la radiación que le llega de

la superficie de la partícula de carbonizado y el otro a la radiación de fondo.

Las componentes de la irradiancia del sensor mostradas en la figura 3.11, son la irradiancia analizada en el punto anterior que alcanzaba la ventana de observación del horno, y la

radiosidad de la partícula de carbonizado . La radiosidad de la partícula de carbonizado será la

suma de su emitancia más la cantidad reflejada de las irradiancias que le lleguen de todas las superficies que le rodean, es decir, la suma de la radiación que emite por tener una temperatura, temperatura que queremos conocer, más lo que refleja de toda la radiación que le llega de lo que la rodee:

(3.6)

Donde el subíndice c se refiere al carbonizado y k numera las superficies con las que intercambia calor por radiación, representadas por r.

La expresión puede simplificarse si tenemos en cuenta que la partícula de carbonizado es opaca, y que para la superficies grises

(3.7)

Por otro lado, como se discutirá en capítulo 4, se comete un error despreciable suponiendo que la partícula de carbonizado se comporta como cuerpo gris dentro del intervalo espectral en el cual trabajaremos, además, resultados de la literatura dan soporte para suponer la emisividad de la partícula de carbonizado en 0.85

(3.8)

Durante los experimentos la partícula de carbonizado estará rodeada casi continuamente por la arena del lecho fluido, luego podemos realizar una primera aproximación de la radiosidad de la partícula de carbonizado por


40404040

(3.9)

Donde el subíndice b se refiere a la arena del lecho.

Figura 3.12Figura 3.12Figura 3.12Figura 3.12.... Recreación de la captura de la radiación térmica mostrando la componentes de la radiación que recibe el sensor.

Figura 3.13Figura 3.13Figura 3.13Figura 3.13. A). A). A). A) Representación del fotograma que se obtendría del montaje de la figura 5, B)B)B)B) evolución temporal de la profundidad de digitalización de los pixeles marcados como (i, j) y (m, n).


41414141

CAPÍTULO 4: SELECCIÓN DE CONDICIONES DE OPERACIÓN.CAPÍTULO 4: SELECCIÓN DE CONDICIONES DE OPERACIÓN.CAPÍTULO 4: SELECCIÓN DE CONDICIONES DE OPERACIÓN.CAPÍTULO 4: SELECCIÓN DE CONDICIONES DE OPERACIÓN.

4.1. SELE4.1. SELE4.1. SELE4.1. SELECCIÓN DE INTERVALOS ESPECTRALES DE CAPTURA.CCIÓN DE INTERVALOS ESPECTRALES DE CAPTURA.CCIÓN DE INTERVALOS ESPECTRALES DE CAPTURA.CCIÓN DE INTERVALOS ESPECTRALES DE CAPTURA.

4.1.1. EMISIVIDAD DE LA PARTÍCULA DE COMBUSTIBLE Y MATERIAL DEL LECHO.4.1.1. EMISIVIDAD DE LA PARTÍCULA DE COMBUSTIBLE Y MATERIAL DEL LECHO.4.1.1. EMISIVIDAD DE LA PARTÍCULA DE COMBUSTIBLE Y MATERIAL DEL LECHO.4.1.1. EMISIVIDAD DE LA PARTÍCULA DE COMBUSTIBLE Y MATERIAL DEL LECHO.

4.1.2. EMISIVIDAD PARA EL MATERIAL DEL LECHO.4.1.2. EMISIVIDAD PARA EL MATERIAL DEL LECHO.4.1.2. EMISIVIDAD PARA EL MATERIAL DEL LECHO.4.1.2. EMISIVIDAD PARA EL MATERIAL DEL LECHO.

4.1.3. VENTANAS ESPECTRALES PARA LA APLICACIÓN DE LA PIROMETRÍA DE 4.1.3. VENTANAS ESPECTRALES PARA LA APLICACIÓN DE LA PIROMETRÍA DE 4.1.3. VENTANAS ESPECTRALES PARA LA APLICACIÓN DE LA PIROMETRÍA DE 4.1.3. VENTANAS ESPECTRALES PARA LA APLICACIÓN DE LA PIROMETRÍA DE COLOR.COLOR.COLOR.COLOR.


42424242

CAPÍTULO 4: DISEÑO Y SELECCIÓN DE EQUIPOS.CAPÍTULO 4: DISEÑO Y SELECCIÓN DE EQUIPOS.CAPÍTULO 4: DISEÑO Y SELECCIÓN DE EQUIPOS.CAPÍTULO 4: DISEÑO Y SELECCIÓN DE EQUIPOS.

En este capítulo se realiza un análisis de las hipótesis, simplificaciones y restricciones sobre las que descansa la teoría pirométrica de colores, base del método para medir la temperatura de la partícula de carbonizado en combustión que se desarrolló en el capítulo anterior. Además estas decisiones tienen una influencia directa sobre la selección de los diferentes equipos que forman el montaje experimental que se describe en el capítulo 5.

4.1 SELECCIÓN DE INTER4.1 SELECCIÓN DE INTER4.1 SELECCIÓN DE INTER4.1 SELECCIÓN DE INTERVALOS ESPECTRALES DE CAPTURA.VALOS ESPECTRALES DE CAPTURA.VALOS ESPECTRALES DE CAPTURA.VALOS ESPECTRALES DE CAPTURA. La teoría pirométrica de colores, en la cual nos apoyamos para diseñar nuestro equipo de medida de temperatura de las partículas de carbonizado, presenta una serie de hipótesis, simplificaciones, y restricciones que deben ser tenidas en cuenta si una medida fiable y de calidad se quiere obtener. Para la aplicación de esta técnica, las partículas de carbonizado y del material del lecho, deben exhibir un comportamiento de cuerpo gris o conocer sus emisividades como función de la temperatura y longitud de onda. Además, las emisiones de los productos gaseosos de la combustión y hollín no deben cuantificarse.

En la literatura, [9-20, 22-26] encontramos numerosos trabajos que analizan la validez de estas decisiones y si son importantes los errores que se comenten al suponer comportamientos ideales.

4.1.1. EMISIVIDAD DE LA PARTÍCULA DE COMBUSTIBLE Y MATERIAL DEL LECHO.4.1.1. EMISIVIDAD DE LA PARTÍCULA DE COMBUSTIBLE Y MATERIAL DEL LECHO.4.1.1. EMISIVIDAD DE LA PARTÍCULA DE COMBUSTIBLE Y MATERIAL DEL LECHO.4.1.1. EMISIVIDAD DE LA PARTÍCULA DE COMBUSTIBLE Y MATERIAL DEL LECHO. Numerosos trabajos que encontramos en la literatura, han asumido comportamiento de cuerpo gris para la partícula de carbón y carbonizado con una emisividad alrededor de 0.85, [9-17,22, 24].

Mediciones para partículas de Coque, [11, 25], en el rango de temperaturas ,

muestran que la emisividad para un intervalo espectral comprendido entre la región visible y la infrarroja cercana, [380-2000] nm, difieren en menos del 10 %. Un análisis de errores realizado

en la referencia 9, muestra que una diferencia del 10 % entre daría un error de 6 en la

determinación de la temperatura de la partícula de carbonizado en un reactor de lecho fluido por pirometría de dos colores, donde el subíndice 1 y 2 hacen referencia a la emisividad en los intervalos espectrales centrados en y respectivamente. Por otro lado, en la referencia 24,

se apoyan en la conclusión de de que el comportamiento de la partícula

de combustible como cuerpo no-gris se produce en la región infrarroja comprendida entre los . Por lo tanto, podemos suponer que la partícula de carbonizado se comporta como

cuerpo gris para longitudes de onda menores a ., concluyéndose que la sensibilidad de la

temperatura de la partícula de combustible respecto a que su comportamiento sea no-gris, no es una preocupación seria dentro del rango espectral [380-5000] nm y se puede suponer comportamiento de cuerpo gris.

En la referencia 23, Grosshandler propone una ecuación empírica de la emisividad de la partícula de carbón y carbonizado en la región espectral (1-5) �m, (3.10). Una representación de la curva que se obtiene aparece en la figura 4.1.

(3.10)


43434343

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1Emisividad del combustible

micrometros

ec

Figura 4.1.Figura 4.1.Figura 4.1.Figura 4.1. Representación de la ecuación empírica para la emisividad de la partícula de carbón y carbonizado, , obtenida por Grosshandler, [23].

4.1.2. EMISIVIDAD PARA EL MATERIAL DEL LECHO.4.1.2. EMISIVIDAD PARA EL MATERIAL DEL LECHO.4.1.2. EMISIVIDAD PARA EL MATERIAL DEL LECHO.4.1.2. EMISIVIDAD PARA EL MATERIAL DEL LECHO. Numerosos trabajos en la literatura asumen como negro el comportamiento del lecho de arena, [9-13].

En la referencia 9, medida de la temperatura del lecho por medio de las señales de la pirometría en dos colores, y de un termopar situado cerca de la sonda óptica fueron comparadas. En la figura 4.2 se muestra la temperatura que se obtuvo para el lecho haciendo uso de la expresión (3.11), además, se representa la media de los valores obtenidos por medio de una línea.

(3.11)

La señal pirométrica proporcionó una temperatura para el lecho que oscilaba alrededor de , frente a los medidos por el termopar. El acuerdo entre las medidas

independientes da soporte para suponer comportamiento gris del material del lecho

También en la referencia 9, el valor medio de la emisividad del lecho, , fue calculado haciendo

uso de las señales perimétricas según (3.12), junto con el error que se podría cometer como desviación estándar. El resultado que obtuvieron se muestra en la figura 4.3. De la gráfica se concluye que podemos asumir como negro el comportamiento del lecho de arena. La caída en el valor de la emisividad del lecho en el tercer cálculo fue asociado a la deposición de suciedad en la ventana de la sonda.

(3.12)


44444444

Figura Figura Figura Figura 4.24.24.24.2.... Temperatura del lecho, , calculada de la relación de las señales pirométrica en

y , la línea es el valor medio, [9].

Figura 4.3Figura 4.3Figura 4.3Figura 4.3.... Variación temporal de la emisividad del lecho, , Emisividad del lecho calculada

mediante la técnica pirométrica en distintos instantes de tiempo, obtenida de la relación de las señales pirométrica en y . Las barras representan el error como

desviación estándar, [9].

4.1.3. VENTANAS ESPECTRALES PARA LA APLICACIÓN DE LA PIROMETRÍA DE COLOR.4.1.3. VENTANAS ESPECTRALES PARA LA APLICACIÓN DE LA PIROMETRÍA DE COLOR.4.1.3. VENTANAS ESPECTRALES PARA LA APLICACIÓN DE LA PIROMETRÍA DE COLOR.4.1.3. VENTANAS ESPECTRALES PARA LA APLICACIÓN DE LA PIROMETRÍA DE COLOR. Las bandas espectrales que dejan pasar los filtros e inciden sobre el detector generando las señales a partir de la cual se inferirá la temperatura superficial de la partícula de combustible mediante pirometría de colores, deben seleccionarse. Estas bandas tienen una anchura de varias decenas de nanómetros, función de la tecnología del filtro, y están centradas en una longitud de onda ,

y .

Las bandas espectrales podrían seleccionarse en función de la transmisión espectral atmosférica. Esto permitiría evitar las bandas de absorción de las especies más importantes de la combustión como son el oxígeno ( ), el dióxido de carbono ( ), y el vapor de agua ( ).En la figura

4.4 aparecen las ventanas espectrales de estas especies. Sin embargo, no se estaría teniendo en


45454545

cuenta que cerca o sobre la superficie de la partícula puede ser significante la concentración de algunas especies inorgánicas como el potasio y el sodio, y la concentración de productos también característicos de la combustión como el monóxido de carbono (CO), los hidrocarburos ( ),

óxidos de nitrógeno ( ), y óxidos de azufre ( ), cuya absorción puede afectar a la calidad y

precisión de la medida de la temperatura superficial de la partícula de combustible. Por lo tanto, en la selección de las bandas espectrales, la interferencia de las características espectrales del medio y de la partícula debe ser tenida en cuenta. De la referencia 19, conocemos las bandas de absorción de las especies anteriores; Vapor de agua [(2.5-2.9) y 4.8] �m, Dióxido de carbono [2.7 y 4.3] �m, Monóxido de carbono [4.7] �m, Hidrocarburos [3.5] �m.

Los efectos en la medida de la temperatura por interferencia en la región espectral de las especies anteriores dependen de la concentración, distribución espacial de los componentes del gas, de la temperatura del gas y de las bandas espectrales escogidas para la medida. Así el posible error que se comete es muy difícil de estimar. Sin embargo, si las bandas son seleccionadas teniendo en cuenta las ventanas espectrales de todas las especies, el problema puede estar controlado. Los trabajos que encontramos en la literatura dan la posición de las ventanas espectrales en el visible e infrarrojo cercano, [9, 10, 12, 19, 23, 24, 26].

Figura Figura Figura Figura 4.4.4.4.4.4.4.4. Transmisibilidad del oxígeno con ozono, dióxido de carbono, vapor de agua y la superposición de ellas.

En la combustión del carbón, la oxidación de los volátiles que escaparon de la partícula genera una llama que la rodea, además, es característico de esta conversión la presencia de una nube de


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hollín alrededor de la partícula. La luminosidad producida por la llama y la conversión del hollín puede producir un error en la medida de la temperatura superficial de la partícula. Los efectos que la nube de hollín producen en la medida obtenida por pirometría en dos colores fue

analizado por . En su trabajo estudió, para una única partícula de carbonizado

esférica rodeada por una nube uniforme de hollín, el efecto de las propiedades del hollín, el efecto de la fracción volumétrica de éste y la diferencia en la temperatura obtenida por pirometría de dos colores utilizando diferentes bandas espectrales . El modelo de la única partícula fue también expandido a una suspensión de un gran número de partículas y los efectos de la densidad óptica de la suspensión estudiados. Grosshandler concluyó que el hollín aumenta la temperatura determinada por pirometría si la temperatura del hollín es superior a la de la superficie de la partícula en 200 k. En tal caso, medidas hechas en longitudes de onda pertenecientes al infrarrojo cercano (NIR) son significativamente más precisas que los realizados en el visible. Sin embargo, si la fracción volumétrica de la nube de hollín es menor a , se

puede asumir que la temperatura inferida no se desvía de la real en más de 100 k.

Del trabajo de Grosshandler se deduce que la presencia de hollín genera incertidumbre para las medidas pirométricas, la incertidumbre es función de varias incógnitas y no puede ser cuantificada. Sin embargo, observaciones directas de la combustión del carbón pulverizado han mostrado que la mayor luminosidad de la nube de hollín se produce justo después del calentamiento, durante la devolatización, desapareciendo después de ésta en tiempos muy reducidos, del orden de las decenas de ms [10]. Así la presencia de hollín es un importante aspecto a tener en cuenta en los experimentos de devolatización. Mediante el uso de longitudes de onda infrarrojas, bandas espectrales centradas en las 4 �m, se reduce los efectos del hollín.

En la combustión de partículas de carbón la llama puede producirse por la conversión de CO a CO2 alrededor de la partícula. La temperatura de la llama producida es mayor a la temperatura de la partícula. No hay emisión o absorción por CO o CO2 en las banas VIS-NIR.

Grosshandler sugirió que para dar por buenas las medidas de temperaturas durante la emisión de volátiles se realizaran dos mediciones tomando bandas situadas al doble de distancia y dar por buena la medida si coincidían.

Un compromiso óptimo entre, la sensibilidad del sensor respecto la longitud de onda, tiempo de respuesta, linealidad, y la tasa señal-ruido [10, 24] debe buscarse. Un amplio ancho de banda da mayor tasa seña/ruido, pero una banda estrecha es preferible por evitar errores de características espectrales diferentes, como el comportamiento no-gris. Además, para el ancho de banda, la respuesta del detector y la forma de la función de Planck debe ser tenida en cuenta en la interpretación de los datos del sistema.

Además la transmitancia de la fibra óptica a la radiación también debe tenerse en cuenta.

En nuestros experimentos pretendemos determinar la temperatura superficial de la partícula de carbonizado. El carbonizado se produce después de la devolatización, luego perdida de precisión y fiabilidad en la medida por presencia de volátiles y hollín no debe preocuparnos, así como por la presencia de compuestos inorgánicos sobre la superficie de la partícula. Además, la formación de llama tampoco debe ser tenida en cuenta a la hora de la selección de nuestro intervalo espectral de trabajo, pues aunque puede formarse por conversión del CO a alrededor de la

partícula, el efecto “quench” del coadyuvante la apagaría enseguida.


47474747

Una representación de las ventanas espectrales teniendo en cuenta lo analizado arriba se muestra en la figura 4.5.

Figura Figura Figura Figura 4.5.4.5.4.5.4.5. Ventanas espectrales libres en nuestro proyecto. [1, 3, 5, 11, 16].


48484848

CAPÍTULO 5: DISEÑO DEL EQUIPO ESPERIMENTAL.CAPÍTULO 5: DISEÑO DEL EQUIPO ESPERIMENTAL.CAPÍTULO 5: DISEÑO DEL EQUIPO ESPERIMENTAL.CAPÍTULO 5: DISEÑO DEL EQUIPO ESPERIMENTAL.

5.1. REACTOR DE LECHO FLUIDO.5.1. REACTOR DE LECHO FLUIDO.5.1. REACTOR DE LECHO FLUIDO.5.1. REACTOR DE LECHO FLUIDO.

5.2. H5.2. H5.2. H5.2. HORNO ELÉCTRICO.ORNO ELÉCTRICO.ORNO ELÉCTRICO.ORNO ELÉCTRICO.

5.3. EQUIPO DE MEDIDA DE TEMPERATURA.5.3. EQUIPO DE MEDIDA DE TEMPERATURA.5.3. EQUIPO DE MEDIDA DE TEMPERATURA.5.3. EQUIPO DE MEDIDA DE TEMPERATURA.

5.3.1. CONCEPTOS ÓPTICOS APLICADOS A LAS CÁMARAS DIGITALES 5.3.1. CONCEPTOS ÓPTICOS APLICADOS A LAS CÁMARAS DIGITALES 5.3.1. CONCEPTOS ÓPTICOS APLICADOS A LAS CÁMARAS DIGITALES 5.3.1. CONCEPTOS ÓPTICOS APLICADOS A LAS CÁMARAS DIGITALES FOTOGRÁFICAS.FOTOGRÁFICAS.FOTOGRÁFICAS.FOTOGRÁFICAS.

5.3.2. TECNOLOGÍA DE SENSORES.5.3.2. TECNOLOGÍA DE SENSORES.5.3.2. TECNOLOGÍA DE SENSORES.5.3.2. TECNOLOGÍA DE SENSORES.

5.3.3. SELECCIÓN DE OBJETIVO Y CÁMARA.5.3.3. SELECCIÓN DE OBJETIVO Y CÁMARA.5.3.3. SELECCIÓN DE OBJETIVO Y CÁMARA.5.3.3. SELECCIÓN DE OBJETIVO Y CÁMARA.


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CAPÍTULO 5: DISEÑO DEL EQUIPO ESPERIMENCAPÍTULO 5: DISEÑO DEL EQUIPO ESPERIMENCAPÍTULO 5: DISEÑO DEL EQUIPO ESPERIMENCAPÍTULO 5: DISEÑO DEL EQUIPO ESPERIMENTAL.TAL.TAL.TAL.

En este capítulo se describen los diferentes componentes de la instalación a diseñar y montar en el laboratorio para las futuras experiencias de investigación, Se justifica la selección y diseño de cada uno de los equipos, haciendo uso del análisis desarrollado en el capítulo 4,

Se emplea especial esfuerzo en dar soluciones o evitar los posibles problemas que en su montaje o futura operación puedan aparecer.

5.1. REACTOR DE LECHO FLUIDO.5.1. REACTOR DE LECHO FLUIDO.5.1. REACTOR DE LECHO FLUIDO.5.1. REACTOR DE LECHO FLUIDO. En el reactor de lecho fluido es donde se llevarán a cabo los experimentos de oxi-combustión, es decir, donde se producirá las reacciones que queremos estudiar. Éste, además de cumplir con los requisitos propios de todo reactor, debe permitir el paso de la radiación infrarroja generada en su interior, modificándola en la menor medida posible, de forma que la cámara digital pueda capturarla y cuantificarla en fotogramas. Por lo tanto, se trata de diseñar un reactor que permita realizar medidas ópticas no intrusivas de su interior permitiendo determinar la temperatura superficial de la partícula de carbonizado en oxi-conversión.

El material de las paredes del reactor surge del compromiso entre la resistencia mecánica, las propiedades ópticas y valor económico. Resistencia mecánica para soportar las elevadas temperaturas de operación, y el desgaste y erosión producidos por la fricción y golpes de las partículas del lecho durante su funcionamiento. La radiación infrarroja debe atravesar las paredes del reactor, al menos en la superficie “observada” por el dispositivo, para ser capturada. Luego, además de soportar las condiciones de operación de temperatura y erosión por el borboteo de la arena, debe tener una transmitancia adecuada a la radiación en el intervalo espectral infrarrojo de interés. Por último, el diseño debe ser económicamente viable.

Se propone construir el cuerpo del reactor del lecho fluido de cuarzo. La curva de transmisibilidad del cuarzo se puede ver en la figura 5.1, este material presenta un elevado punto

de fusión, superior a los y un muy bajo coeficiente de dilatación, del orden de

. Una descripción de sus especificaciones se encuentra en el anexo II, III y IV. Sus

propiedades ópticas, térmicas, mecánicas y económicas lo hacen ser el material de construcción seleccionado para el cuerpo del reactor.


50505050

Figura 5Figura 5Figura 5Figura 5.1..1..1..1. Curva de transmisibilidad de una lámina de sílice fundido SQ de espesor 1 mm y 10 mm, usado por el fabricante Greenlight Solutions, anexo II Y III.

El cuerpo del reactor no es más que un contenedor de cuarzo hueco, abierto en su parte inferior y superior. Con unas dimensiones de 200 mm de ancho, 500 mm de alto y 38 mm de espesor. Si tenemos en cuenta que el espesor de pared es de 10 mm, queda un espacio interior de 180 mm x 500 mm x 18 mm donde producirse las reacciones. Una representación del cuerpo del reactor puede verse en la figura 5.2. La altura del lecho de arena sin expandir estará en torno a los 150 mm, de forma que durante los experimentos el lecho expandido esté cercano a los 180 mm.


51515151

Figura 4.2.Figura 4.2.Figura 4.2.Figura 4.2. Representación del cuerpo del reactor de cuarzo con las dimensiones exteriores e interiores, y la altura del lecho de arena sin expandir.

El material del lecho son partículas de arena refractaria, bauxita normalmente, del orden de varias centenas de micras. Además de su papel en la reacción, producen erosión y desgaste en las paredes del reactor por su constante ‘burbujeo’. Para evitar que la superficie del lecho correspondiente al campo de visión de la cámara se erosione, pudiendo afectar a la radiación infrarroja que se captura y cuantifica, tal y como muestra la figura 5.3, se protegerá la zona con una lámina de zafiro. El zafiro presenta una transmisibilidad a la radiación infrarroja adecuada, figura 5.4, además de una elevada dureza, 9 en la escala Mohs, tan solo el diamante podría

arañarlo, y alta temperatura de fusión cercana , su coeficiente de expansión térmica es

del mismo orden que el del cuarzo, por lo que, al ser tan bajo, no presentan problemas operativos por diferencias en las dilataciones. Información detallada del cuarzo puede verse en el Anexo III.

Figura Figura Figura Figura 5555.3..3..3..3. Comportamiento que tendría una superficie irregular cuando sobre ella incide un haz de luz blanca. En este caso se dice que se produce la difusión de la luz.

http://curso2012fisica.blogspot.com.es/p/4-ano-reflexion-y-refraccion-de-la-luz.html.

Figura Figura Figura Figura 5555.4..4..4..4. Curva de transmisibilidad para el zafiro que utilizan en la construcción de las láminas Multi-lab, Anexo IV.

La lámina de zafiro estará sometida a las condiciones de operación interiores del reactor, temperatura de operación, erosión por el borboteo de la arena, productos de la combustión, etc.


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Es crucial poder fijarla en la posición adecuada y evitar que partículas de arena, así como polvo, penetren entre ésta y la cara de la pared de cuarzo para evitar errores en la medida y asegurar su fiabilidad. Para introducir y dar soporte a la lámina de zafiro dos soluciones se proponen, ambas se muestran en la figura 5.5. Por un lado, en la figura 5.5. A) la lámina de zafiro podría sujetarse en la placa distribuidora del agente de fluidización. Por otro lado, figura 5.5.B), es pegarla con un adhesivo a las paredes laterales del reactor. El adhesivo es resistente al ácido y soporta

, una descripción detallada aparece en el anexo II Y III., ya que es el adhesivo utilizado

por el fabricante, que construirá el cuerpo del reactor, para adherir las láminas de cuarzo entre si formando el contenedor arriba descrito. En ambas opciones se obtiene el mismo resultado, este se muestra en la figura 5.5.C).

Debido a la lámina de protección del zafiro el volumen donde se producirá la oxi-conversión de las partículas de carbonizado será aproximadamente de 180 mm x 180 mm x 15 mm. La geometría bidimensional busca maximizar la probabilidad de “ver” partículas de carbonizado en cada fotograma, ya que un mayor espesor aumentaría el tiempo en el cual la partícula de carbonizado estaría tras el coadyuvante sin poderse ver.

Figura Figura Figura Figura 5555.5..5..5..5. A) Reactor de cuarzo con la lámina de zafiro sujeta en la placa distribuidora, B) Reactor de cuarzo con la lámina de zafiro pegada con adhesivo.

El diseño de la campana de inyección del agente de fluidificación y de extracción de gases se hizo para conseguir velocidades de circulación de los gases por los conductos de admisión y extracción de 3 m/s y velocidades de fluidización similares a 1 m/s.


53535353

La velocidad de circulación de gases por el conducto inmediatamente después de la campana de extracción y el conducto de inyección a la campana distribuidora se eligió de 3 m/s, además de para reducir la pérdida de carga y para minimizar el arrastre de partículas de coadyuvante y/o inquemados, si la alimentación del combustible se tuviese que hacer por el conducto de extracción, por motivos constructivos; de espacio por ejemplo, se quiere que el carbonizado caiga al lecho en el menor tiempo posible, es decir, el diseño busca una velocidad de sedimentación del carbonizado mayor a la velocidad de circulación de los gases.

La velocidad de fluidización tomada para el dimensionado surge de ser la utilizada por la University of Twente situada en Enschede, Holanda. Allí, el departamento de ingeniería térmica, realiza un experimento similar al propuesto, con un reactor de dimensiones idénticas a las nuestras con una velocidad de fluidización de 0.8 m/s. Además, en la literatura se encuentran estudios que analizan la velocidad de fluidización en reactores de lecho fluidizado 2D, [27], y trabajos que estudian el efecto de la simplificación 2D [28].

En la referencia 27 obtuvieron que la mínima velocidad de fluidización en lechos fluidos 2D no depende de la altura de éste, sino que incrementa la velocidad mencionada respecto la 3D, con el incremento de la tasa

(5.1)

Donde y son la mínima velocidad de fluidización 2D y 3D respectivamente,

es el tamaño de la partícula del lecho de arena, t es el espesor del reactor, a= 8.5 y b= 1.6.

Ellos compararon su correlación (5.1) con los resultados de la literatura, observaron que predecían experiencias en las cuales el material de las paredes del reactor es de cristal, y no las experiencias realizadas en reactores de pared de naturaleza plástica, como el plexiglás.

Si analizamos la variación de según (5.1), teniendo en cuenta que t=15 mm y

variando el tamaño del diámetro de las partículas del lecho entre 200-800 μm se obtiene el resultado mostrado en la figura 4.6. Vemos como para partículas de coadyuvante de tamaños comprendidos entre las 200 y 800 μm la velocidad a utilizar en el reactor bidimensional es como mucho un 8% mayor a la que se usaría en el caso 3D.

En la referencia 28, intentan cuantificar el error que se comete cuando se simplifica el comportamiento de 3D a 2D. Realizan simulaciones para varias condiciones de fluidización; velocidad de fluidización, altura del lecho, temperatura del reactor y tamaño de la partícula. Sus detalladas comparaciones revelan que cualitativamente el comportamiento 2D es similar a 3D, siendo el rendimiento sobre-predicho en un 45%.


54545454

200 300 400 500 600 700 8001

1.01

1.02

1.03

1.04

1.05

1.06

1.07

1.08

1.09

1.1

Um

f,2D

/ U

mf,3D

micras

Velocidad mínima de fluidización 2D vs 3D

Figura 5Figura 5Figura 5Figura 5.6..6..6..6. Variación del cociente de la mínima velocidad de fluidización 2D vs 3D utilizando la correlación (4.1), para una profundidad de lecho de 15 mm.

5.2. HORNO ELÉCTRICO.5.2. HORNO ELÉCTRICO.5.2. HORNO ELÉCTRICO.5.2. HORNO ELÉCTRICO. La función del horno eléctrico es proporcionar la temperatura de operación de las experiencias. Debido a las características particulares de este proyecto, estará equipado con una ventana de observación que permita el paso de la radiación infrarroja y soporte las condiciones térmicas de

operación, que por una cara serán superiores a los y por la otra estará a temperatura

ambiente. El aislamiento del horno asegura temperaturas superficiales de la cámara exterior por

debajo de los , lo que está del lado de la seguridad del personal que trabaje con él y emite

poca energía en la banda espectral de trabajo de nuestra cámara. Una representación del horno presupuestado, aparece en la figura 5.7, con dimensiones exteriores 800 mm x 1100 mm x 900 mm. Interiormente el horno dispone de una cámara, que es la que alcanza la temperatura de operación, de dimensiones 500 mm x 700 mm x 300 mm. Información más detallada puede encontrarse en los Anexos II, III y IV.

El material seleccionado para formar la ventana es el cuarzo, cuyas propiedades térmicas, ópticas y mecánicas se discutieron en el punto anterior, y su transmisibilidad se puede observar en la figura 5.1. La finalidad de la ventana es dotar al horno de un acceso óptico para que la cámara digital pueda “observar” lo que sucede en el interior del reactor y capturar la radiación infrarroja procedente de la escena visualizada. La posición exacta de la ventana de cuarzo es función principalmente de las características de operación de la cámara digital, desarrollado en el siguiente punto, y de la posición del reactor en el interior del horno eléctrico, una representación de esta dependencia puede observarse en la figura 5.7. La finalidad es, equipar al horno con una ventana, cuya superficie sea lo menor posible evitando así pérdidas innecesarias y que permita


55555555

capturar la radiación infrarroja de las reacciones que se producen en el interior del reactor, permitiéndonos inferir la temperatura de las partículas de carbonizado que la emitieron.

La temperatura de operación del horno se alcanza por medio de la radiosidad de las paredes de la cámara interior del horno. Su calentamiento debe ser uniforme para evitar la fractura de las paredes del reactor, ventana del horno y/o lámina de protección de zafiro, por gradientes de térmicos elevados. Para evitar estos gradientes sobre las superficies de cuarzo y zafiro, el calentamiento debe ser uniforme. Además, las fractura de las superficies de cuarzo y/o zafiro puede producirse también por variaciones rápidas de la temperatura del hogar. Para evitar variaciones rápidas de temperaturas, el horno dispone de un sistema de control, que permite la subida y bajada de la temperatura en rampa, así como, un mantenimiento constante de ésta durante un tiempo determinado previamente para los experimentos o mientras no se alcancen situaciones que activen el autómata. El control de la temperatura se realiza por medio de termopares colocados en distintos puntos cuya lectura es interpretada por un autómata que decide si el funcionamiento está dentro de los límites establecidos o se están alcanzando situaciones límites. Un esquema del control se muestra en la figura 5.8. En ella se representa como la temperatura interna del horno es establecida en función de la temperatura a la cual se encuentra el lecho y/o la partícula de carbonizado y de la temperatura de operación del horno eléctrico. Una descripción detallada del control del horno se encuentra en el anexo III.

Por último, las dimensiones del horno además de ser elegidas para albergar en su interior al reactor deben permitir la entrada de los elementos de sujeción, entrada de los conductos que inyectan el agente de fluidización, y salida de los gases de reacción.

El calentamiento del horno debe ser uniforme para no fracturar las paredes del lecho y/o la superficie de zafiro por gradientes térmicos. Dos formas de irradiar tenemos, directa o indirecta. La forma indirecta, que se consigue radiando superficies del horno y que estas calienten el hogar, es la que consigue mayor uniformidad en el calentamiento.


56565656

Figura 5Figura 5Figura 5Figura 5.7..7..7..7. Horno eléctrico con dimensiones exteriores 800 mm x 1100 mm x 900 mm y cámara interior 500 mm x 700 mm x 300 mm. Se destaca la dependencia de la posición y superficie de la ventana de observación con el campo de visión de la cámara y la posición del reactor en el

interior del horno eléctrico. Figura no a escala.

Figura 5Figura 5Figura 5Figura 5.8..8..8..8. Esquema del control de la temperatura de operación del horno eléctrico, ,, en

función de , temperatura de referencia para el horno, temperatura del carbonizado y

temperatura del lecho. Una descripción detallada se encuentra en las especificaciones del fabricante.


57575757

5555.3. EQUIPO DE MEDIDA DE TEMPERATURA..3. EQUIPO DE MEDIDA DE TEMPERATURA..3. EQUIPO DE MEDIDA DE TEMPERATURA..3. EQUIPO DE MEDIDA DE TEMPERATURA. Como se vio anteriormente, los métodos para medir la temperatura superficial de las partículas en conversión se basan exclusivamente en la radiación emitida y en la Ley de Planck. En el presente proyecto, el dispositivo de captura es una cámara fotográfica digital, dispuesta en un soporte o trípode, conectada mediante el cableado de transferencia de datos a un ordenador que trabaja con la señal de cada pixel del fotograma por medio de un software. Los algoritmos matemáticos de evaluación de los resultados son conceptualmente similares a los tradicionales usados en pirometría y se basan en los formalismos de la transferencia de calor.

5.3.1. CONCEPTOS ÓPTICOS APLICADOS A LAS CÁMARAS DIGITALES FOTOGRÁFICAS.5.3.1. CONCEPTOS ÓPTICOS APLICADOS A LAS CÁMARAS DIGITALES FOTOGRÁFICAS.5.3.1. CONCEPTOS ÓPTICOS APLICADOS A LAS CÁMARAS DIGITALES FOTOGRÁFICAS.5.3.1. CONCEPTOS ÓPTICOS APLICADOS A LAS CÁMARAS DIGITALES FOTOGRÁFICAS. Una cámara digital es un dispositivo compuesto por un sistema óptico; el objetivo, y un componente electrónico; el sensor. Estos dos deben ser seleccionarlos de forma que su funcionamiento conjunto produzca una imagen con la calidad necesaria para cada aplicación. El objetivo es el elemento que forma la imagen de la escena visualizada. En las cámaras de fotografía digital, esta imagen se forma en el plano del sensor, donde se registra. En la mayoría de los instrumentos ópticos el objetivo está compuesto por un conjunto de lentes individuales, fijas o móviles unas respecto a otras, que permiten compensar los defectos ópticos de las lentes individuales que lo componen, y cambiar la distancia focal equivalente (zoom). Cuando se hace referencia al objetivo de una cámara fotográfica se está considerando la lente equivalente al conjunto de lentes individuales que lo forman. Esta lente equivalente es una lente delgada convergente, obtenida siguiendo los formalismos propios de la óptica geométrica.

El tamaño del mínimo elemento que es capaz de formar el objetivo es determinado por su resolución óptica. Una representación de las dos formas equivalentes de expresarlo puede verse en la figura 5.9. Donde por un lado, en la escena visualizada, se indica la mínima separación angular, (criterio de Rayleigh), entre los rayos luminosos procedentes de los extremos del

objeto, y por otro lado, también se expresa en la imagen formada, caracterizando el diámetro de

la imagen del mínimo objeto que puede formar el objetivo (Disco de Airy).

(5.2)

(5.3)

Donde � es la longitud de onda electromagnética que capture el objetivo. En fotografía se suele usar el valor central del espectro visible, correspondiente a la longitud de onda de la máxima emisión de la luz solar y máxima sensibilidad espectral relativa para el ojo humano, el verde. A la relación , se la denomina número de diafragma, se la representa por , y gradúa la cantidad

de luz (radiación) que entra a la cámara.

De lo anterior se concluye que, la mínima separación ( ) entre dos objetos puntuales de la

escena visualizada para que sus imágenes (discos de Airy) correspondientes sean distinguibles sobre el sensor, o el mínimo elemento (tamaño) que puede captar el objetivo, se puede aproximar por:

(5.4)

Por otro lado, el resultado proporcionado por la cámara digital (la imagen), tendrá la máxima calidad cuando el disco de Airy producido por el objetivo coincida con el tamaño del mínimo


58585858

elemento sensible del sensor, el pixel. Esta relación entre la resolución óptica del sensor, el tamaño y número de pixel es un factor de diseño importantísimo en una cámara digital.

Figura 5Figura 5Figura 5Figura 5.9..9..9..9. Representación del mínimo elemento que es capaz de capturar y forma el objetivo representado en el plano real y en el plano imagen, [30].

El mínimo elemento que distingue el sensor digital es el conjunto (pareja) formado por un pixel sobre el que incide la luz (pixel en blanco) y un pixel sobre el que no incide energía (pixel negro), ya que la pareja de dos pixeles adyacentes “encendidos” formaría un único pixel equivalente ampliado en el que no se podrían diferenciar los dos pixeles individuales. Esto lleva a definir unas unidades de medida de la resolución espacial del sensor digital basadas en agrupar una línea de pixeles encendidos y una línea paralela adyacente de pixeles apagados, . Esta pareja,

denominada par de líneas, se considera como elemento básico de la imagen digital, de manera que una manera de evaluar la resolución del sensor es indicar el número de pares de líneas por unidad de longitud del mismo, .

(5.5)

(5.6)

La relación optima que debe de haber entre la resolución del objetivo y del sensor se muestra en la figura 5.9.

Figura Figura Figura Figura 5555.9..9..9..9. Relación optima entre la resolución óptica del objetivo y la del sensor, [30].


59595959

Es importante señalar, que está es una resolución geométrica en el plano del sensor. Para poder distinguir dos pixeles adyacentes es preciso que exista también una mínima diferencia de contraste entre ellos. La relación entre la resolución espacial y la diferencia de contraste está descrita por la función de transferencia de modulación (MTF) del instrumento óptico, La curva MTF da un “punto” a partir del cual la cámara digital no es capaz de distinguir los elementos adyacentes. Representa cómo el contraste de una imagen disminuye mientras mayor es la frecuencia espacial del objeto, es decir, resulta más difícil discernir puntos o diferencias entre elementos adyacentes mientras estos tienen menor tamaño o están más próximos.

Al diseñar un sistema óptico es importante tener en cuenta la resolución de todos sus componentes, porque un componente de alta calidad, por ejemplo un objetivo con alta resolución, combinado con un sensor de baja calidad, que proporcione un contraste muy bajo a partir de cierta frecuencia espacial del objeto, da como resultado una cámara con bajas prestaciones.

La relación entre la resolución óptica, el tamaño y número de pixeles de un sensor es un factor de diseño para cámaras digitales muy importante. Dicha relación está dada porque el mínimo elemento de la imagen (pixel) debe corresponder con el mínimo elemento que es capaz de de formar el objetivo (disco de Airy).

• Si el disco de Airy es mayor que un pixel, entonces la imagen de un mismo punto se proyectará sobre más de un pixel, formando un pixel combinado equivalente y estamos desaprovechando la calidad del sensor ya que la imagen formada tendrá menor resolución que el sensor.

• Si el disco de Airy es menor que un pixel, la imagen de cada punto del objetivo incidirá únicamente sobre parte de la superficie del elemento foto-detector, por lo que su relación señal ruido será baja y estamos desaprovechando la calidad óptica del objetivo. El ruido será alto y la imagen registrada de calidad reducida.

5.3.2. TECNOLOGÍA DE SENSORES.5.3.2. TECNOLOGÍA DE SENSORES.5.3.2. TECNOLOGÍA DE SENSORES.5.3.2. TECNOLOGÍA DE SENSORES. Desde el punto de vista de la tecnología, los sensores se pueden analizar teniendo en cuenta dos características principales; el tipo de semiconductor que constituye cada elemento sensible, y el mecanismo de respuesta a la luz de cada elemento sensible individual.

En función del primer criterio de análisis, las dos tecnologías principales son; los dispositivos de carga acoplada (CCD), y los basados en semiconductores de óxidos metálicos complementarios (CMOS). Cada uno de estos tipos se caracteriza por una distribución geométrica de los elementos individuales foto-detectores diferentes. En este sentido se define un parámetro, el factor de relleno, que es el cociente entre el área efectiva ocupada por los elementos sensibles y el área total del sensor. Así, los CCD tienen mayor valor y, por tanto, una mayor resolución espacial que los CMOS porque estos integran en el propio circuito integrado del sensor los componentes electrónicos de amplificación y conversión analógico-digital. Por el contrario, gracias a esto mismo, los sensores CMOS presentan una mayor velocidad y capacidad de respuesta. En ambos casos, es necesario, situar un filtro de color sobre el sensor para poder medir las intensidades relativas de las componentes roja, verde, y azul de la luz incidente y generar la imagen en color.

En opinión de Emilio Gómez González, [30] los rápidos avances en este campo han conducido a que, en los modelos más modernos, las prestaciones de los sensores CMOS sean superiores a los CCD y los vayan desplazando.


60606060

Según el segundo criterio de análisis, el mecanismo de respuesta a la luz de cada elemento sensible individual, hay dos categorías diferentes: sensores mono-capa y sensores multicapa. Los primeros se caracterizan porque la señal generada por cada pixel está relacionada con la totalidad de luz incidente sobre toda la superficie, independientemente de la longitud de onda (color) de la misma. Por el contrario, los foto-detectores de los sensores multicapa están compuestos por varios materiales semiconductores superpuestos, cada uno de los cuales genera una señal de salida relacionada con un rango espectral de la luz incidente, dejando pasar los colores restantes hacia las capas siguientes. Midiendo las intensidades de la señal correspondiente a las tres componentes básicas de la luz de cada pixel se obtiene el color de la luz incidente.

En una cámara monocroma, el color asignado a cada pixel (escala de grises) es función de la señal eléctrica que en él es generada y no influye el valor de los píxeles adyacentes. En una cámara a color, el color que se asigna a cada pixel no sólo es función de la energía que éste recibe, sino también de la radiación recibida en los pixeles adyacentes. Por tanto, el valor que se le asigna al pixel, es determinado por medio de un algoritmo propio de cada fabricante, que por supuesto no podemos conocerlo. Por esto, en el presente proyecto se trabajará con una cámara monocroma, que presentan mayor resolución, mejor señal/ruido, mayor contraste, y mayor sensibilidad con poca luz que las cámaras a color, y además, son ideales para aplicaciones de medidas.

5.3.3. SELECCIÓN DE OBJETIVO Y CÁMARA.5.3.3. SELECCIÓN DE OBJETIVO Y CÁMARA.5.3.3. SELECCIÓN DE OBJETIVO Y CÁMARA.5.3.3. SELECCIÓN DE OBJETIVO Y CÁMARA. Debido al objetivo del proyecto, necesitamos que el resultado generado por la combinación de cámara y lente nos permita diferenciar elementos del menor tamaño posible y con el menor contraste posible entre ellos. De esta forma los fotogramas obtenidos nos proporcionarán información de superficies de las partículas menores con diferencia de temperaturas más reducidas. Además de que el sensor sea sensible a la radiación infrarroja y tenga la menor sensibilidad posible a ella, de forma que necesite la menor energía por unidad de superficie incidiendo sobre él para generar un fotograma, debe capturar varias decenas de fotogramas por segundo.

Las video-cámaras térmicas fueron descartadas por la viabilidad económica del proyecto. El precio de éstos equipos superan los 30.000 €. En la figura 5.10, muestro una clasificación de las video-cámaras FLIR, en función de los intervalos espectrales de trabajo y su precio. FLIR es líderes en el sector de cámaras de formación de imágenes térmicas, ellos diseñan, fabrican y comercializan sus equipos en una amplia variedad de aplicaciones comerciales, industriales y gubernamentales.

Un modelo de cámaras con sensores sofisticados y sensibles al visible e infrarrojo cercano (VIS-NIR) son las fabricadas por XImea. El modelo en concreto que hemos seleccionado es xiQ USB 3 Visión Cámara. Se trata de la cámara más compacta del mercado, su hoja de especificaciones detalladas está en el Anexo II y III. Estas cámaras tienen un filtro delante del sensor que puede no incluirse en la fabricación y obtener buenos resultados de captura en NIR. Concretamente, el modelo MQ042RG-CM, que puede procesar hasta 90 fps, cuenta con un sensor CMV4000, sensor de gran eficiencia cuántica específicamente creado para el infrarrojo cercano (NIR), como puede verse en la figura 5.11.

Este modelo tiene un resolución de 2048 x 2048 píxeles, es decir, 4.2 MPx y un rango dinámico de 60 dB, su precio, como puede verse en el Anexo IV es de 1740 €, tienen un consumo bajísimo, de 1W, uno de los menores del mercado y un paso de datos elevado, 5Gbit/s y 400 Mpix/s. Son las cámaras más pequeñas del mercado con USB 3.0 y C/CS mount para la óptica,


61616161

con un tamaño de 26.4 x 26.4 x 21.2mm y un peso de 26g. La profundad de digitalización que presenta es de e las especificaciones del fabricante sabemos que el tamaño del pixel es de 5.5 �m luego la resolución del sensor de la cámara será:

(5.7)

(5.8)

Figura Figura Figura Figura 5555.10..10..10..10. Clasificación de las videocámaras térmicas en función de su precio y ventanas espectrales de trabajo.

Figura Figura Figura Figura 5555.11.11.11.11. Respuesta espectral para el sensor CMV4000 que monta la cámara xiQ USB 3 Visón cámara (MQ042MG-CM).


62626262

La selección del objetivo se hará de forma que el campo de visión (FOV) sea de 200 mm x 200 mm sobre la superficie de la pared del reactor, teniendo la máxima resolución óptica, y sus lentes deben tener transmisibilidad en el infrarrojo cercano. La relación entre el FOV necesario en la

escena visualizada, el FOV angular del objetivo , la distancia de trabajo (WD) y la distancia

focal del objetivo se muestra en la figura 5.12.

El objetivo seleccionado está optimizado para aplicaciones de alta resolución en el visible e infrarrojo cercano, más de 100 lp/mm. Se trata de un objetivo SCHENEIDER apto para sensores CCD y CMOS. Presentan buena transmisión debido a su recubrimiento de banda ancha, ofrecen imágenes muy brillantes en el rango espectral de 400-1000 nm. Cuenta con un diseño mecánico robusto y proporcionan distorsiones geométricas menores al 2.5 %. Su precio es de 1544 €, información más detallada puede encontrarse en el Anexo II y III.

Figura Figura Figura Figura 5555.12. .12. .12. .12. Relación entre el Campo de visión lineal, angular ( ), distancia de trabajo (WD) y

longitud focal del objetivo.

Teniendo en cuenta que la distancia focal del objetivo es de 35 mm y que la longitud horizontal

de sensor que monta nuestra cámara es 11.3 ( ), se obtiene que nuestro

dispositivo trabaja con un FOV angular de . Con este resultado y teniendo en cuenta el

FOV lineal de la escena visualizada requerido se calcula por trigonometría la distancia de trabajo, WD de 620 mm.

El ‘tamaño’ mínimo que es capaz de formar el objetivo sobre el plano del sensor viene dado por el valor del disco de Airy, (5.3). Este valor será función del número de diafragma del objetivo. En la tabla 5.1, se muestra el valor del mencionado disco de Airy en función de los números de diafragma que disponen el objetivo seleccionado de la familia SCHENEIDER HIGH RESOLUTION COMPACT VIS-NIR LENSES.


63636363

Tabla 4.1Tabla 4.1Tabla 4.1Tabla 4.1. Disco de Airy del objetivo en función del número de diafragma.

f# f# f# f# Da (Da (Da (Da (μm)m)m)m)

1.4 2.818

2 4.03

2.8 5.64

3.8 7.65

4 8

5.6 11.3

Como se mencionó arriba, para obtener una imagen de calidad el ”tamaño” del disco debe Airy debe coincidir con el del pixel del sensor. Si no fuese posible, el diseño, pensando en no

perjudicar a la tasa señal-ruido, requiere que sea mayor que el pixel. Teniendo en cuenta que

el tamaño del pixel del sensor que tiene el modelo MQ042RG-CM de xiQ USB 3 Visión es 5.5 μm, indica que tenemos que trabajar con un número de diafragma igual a 2.8.

Para determinar ahora el mínimo tamaño del elemento que la cámara será capaz de ver en la escena visualizada se utiliza el resultado de la expresión (4.9), obtenida relacionando (5.2) y (5.3), y se entra en (5.4) con él, y el valor de la distancia de trabajo de 300 mm en (5.10),

obteniéndose que se distingue en la escena visualizada elementos de 50 aproximadamente.

(5.10)

(5.11)


64646464

NOTACIÓN.NOTACIÓN.NOTACIÓN.NOTACIÓN.

LETRAS LATINAS.LETRAS LATINAS.LETRAS LATINAS.LETRAS LATINAS.

AAAA Superficie (Superficie (Superficie (Superficie ( ))))....

aaaa Tamaño del pixel.Tamaño del pixel.Tamaño del pixel.Tamaño del pixel.

DNDNDNDN Profundidad de digitalización.Profundidad de digitalización.Profundidad de digitalización.Profundidad de digitalización.

dddd DiámeDiámeDiámeDiámetro.tro.tro.tro.

EEEE Irradiancia.Irradiancia.Irradiancia.Irradiancia.

f(gi)f(gi)f(gi)f(gi) Ganancia de la cámara (db).Ganancia de la cámara (db).Ganancia de la cámara (db).Ganancia de la cámara (db).

GGGG Factor de forma.Factor de forma.Factor de forma.Factor de forma.

JJJJ Radiosidad.Radiosidad.Radiosidad.Radiosidad.

MMMM Emitancia.Emitancia.Emitancia.Emitancia.

PPPP Profundidad de digitalización.Profundidad de digitalización.Profundidad de digitalización.Profundidad de digitalización.

RRRR Señal de la unidad radiométrica usada en la pirometría por fibra óptica (V).Señal de la unidad radiométrica usada en la pirometría por fibra óptica (V).Señal de la unidad radiométrica usada en la pirometría por fibra óptica (V).Señal de la unidad radiométrica usada en la pirometría por fibra óptica (V).

SSSS Sensibilidad del sensor.Sensibilidad del sensor.Sensibilidad del sensor.Sensibilidad del sensor.

TTTT TemperaturaTemperaturaTemperaturaTemperatura....

XXXX parámetro geométrico definido en el capítulo 2, expresión 2.3.parámetro geométrico definido en el capítulo 2, expresión 2.3.parámetro geométrico definido en el capítulo 2, expresión 2.3.parámetro geométrico definido en el capítulo 2, expresión 2.3.

LETRAS GRIEGAS.LETRAS GRIEGAS.LETRAS GRIEGAS.LETRAS GRIEGAS.

AbsortividadAbsortividadAbsortividadAbsortividad....

Emisividad.Emisividad.Emisividad.Emisividad.

�� Longitud de onda.Longitud de onda.Longitud de onda.Longitud de onda.

Porosidad del lecho.Porosidad del lecho.Porosidad del lecho.Porosidad del lecho.

ττττ Transmisibilidad. Transmisibilidad. Transmisibilidad. Transmisibilidad.

Cte. de StefanCte. de StefanCte. de StefanCte. de Stefan----Boltman.Boltman.Boltman.Boltman.

(i,j)(i,j)(i,j)(i,j) Pixel (i,j)Pixel (i,j)Pixel (i,j)Pixel (i,j)


65656565

SUBSUBSUBSUB----ÍNDICES.ÍNDICES.ÍNDICES.ÍNDICES.

bbbb Lecho de arena.Lecho de arena.Lecho de arena.Lecho de arena.

cccc Carbonizado.Carbonizado.Carbonizado.Carbonizado.

oooo Lecho de arena.Lecho de arena.Lecho de arena.Lecho de arena.

SUPERSUPERSUPERSUPER----ÍNDICESÍNDICESÍNDICESÍNDICES

k k k k Instante k.Instante k.Instante k.Instante k.

oooo Cuerpo negro. Cuerpo negro. Cuerpo negro. Cuerpo negro.

REFERENCIAS.REFERENCIAS.REFERENCIAS.REFERENCIAS.

ESTUDIOS GENERALES SOBRE COMBUSTIÓN Y OXIESTUDIOS GENERALES SOBRE COMBUSTIÓN Y OXIESTUDIOS GENERALES SOBRE COMBUSTIÓN Y OXIESTUDIOS GENERALES SOBRE COMBUSTIÓN Y OXI----COMBUSTIÓNCOMBUSTIÓNCOMBUSTIÓNCOMBUSTIÓN

[1] Xavier Elías Castells (2005). Los residuos como combustibles, en Tratamiento y valorización energética de residuos, Ediciones Díaz de Santos.

[2] Xavier Elías Castells (2005). La combustión. Factores endógenos y exógenos, en Tratamiento y valorización energética de residuos, Ediciones Díaz de Santos.

[3] T. Wal, R. Stanger, S.Santos. The current state of oxy-fuel technology: demonstrations and technical barriers. Oxyfuel Combustion conference.

[4] J. Saastamoinen, A. Tourunen, T. Pikkarainen, H. Hasa, J. Miettinen, T. Hyppanen, K. Myohanen. Fluidized bed combustion in high concentrations of O2 and CO2. Proc. 19th Int. Conf. Fluid. Bed Combust. 2006, No. 49.

[5] F. Scala, R. Chirone. Combustion of single coal char particles under fluidized bed oxyfiring conditions. Industrial & Engineering Chemistry Research,4911029-11036 (2010).

[6] F. Scala, R. Chirone. Fluidized bed combustion of single coal char particles at high CO2 concentration. Chemical Engineering Journal, 165 902-906 (2010).

[7] Prabir Basu, (2006), Combustion, in Combustion and Gasification in Fluidized beds. Taylor & Francis Group, LLC

[8] Oxi-Combustión y Oxi-Gasificación en Lecho Fluidizado: Estudio de la Conversión del

Carbonizado para el Diseño y Optimización de Equipos de Captura de Co2 de Segunda

Generación (ENE2012-37999)

MEDIDAS DE LA TEMPERATURA MEDIANTE FIBRA ÓPTICA.MEDIDAS DE LA TEMPERATURA MEDIANTE FIBRA ÓPTICA.MEDIDAS DE LA TEMPERATURA MEDIANTE FIBRA ÓPTICA.MEDIDAS DE LA TEMPERATURA MEDIANTE FIBRA ÓPTICA.

[9] R Hernberg, J Stenberg. Simultaneous in situ measurement of temperature and size of burning char particles in a fluidized bed furnace by means of fiberoptic pyrometry. Combust Flame. 1993: 95:191– 205.


66666666

[10] Joutsenoja, T. Pyrometric thermometry and sizing of fuel particle combustion. Tampere 1998.

[11] Temi M. Linjewile, Ashley S. Hull and Pradeep k. Agarwal. Optical probe measurements of the temperature of burning particles in fluidized bed. Fuel 1994, 73 pp 1880-1888.

[12] Joutsenoja, T. Heino, P. Hernberg, R. and Bonn, B . Pyrometric Temperature and size Measurements of Burning Coal Particles in a Fluidized Bed Combustor Reactor. Combustion and flame 118:707–717 (1999).

[13] Macêk, A. Bulik, C. Direct measurement of char-particle temperatures in fluidized bed combustors. Twentieth Symposium (Internacional) on Combustion Institue, 1984/pp. 1223-1230.

MEDIDAS DE LA TEMPERATURA POR TERMOPAR.MEDIDAS DE LA TEMPERATURA POR TERMOPAR.MEDIDAS DE LA TEMPERATURA POR TERMOPAR.MEDIDAS DE LA TEMPERATURA POR TERMOPAR.

[14] Winter, F. Prah, M. E. and Hofbauer, H. Temperatures in a fuel particles burning in a fluidized bed: The effect of drying, devolatilization, and char combustion. Combust. Flame 108:302 (1997).

MEDIDAS DE LA TEMPERATURA POR FOTOGRAFÍA.MEDIDAS DE LA TEMPERATURA POR FOTOGRAFÍA.MEDIDAS DE LA TEMPERATURA POR FOTOGRAFÍA.MEDIDAS DE LA TEMPERATURA POR FOTOGRAFÍA.

[15] Roscoe, J. C., Witkowski, A. R., and Harrison, D. The temperature of coke particles in a fluidized combustor. Trans. IChemE 58:69 (1980)

[16] Ross, I. B., Patel, M. S., and Davidson, J. F. The temperatures of burning carbon particles in fluidized beds. Trans. IChemE 59:83 (1981).

[17] H.Lu, LT. Ip, A. Mackrory, L. Werrett, J. Scott, D. Tree, L. Baxter. Particle Surface Temperature Measurements with Multicolor Band Pyrometry. AIChE Journal (2009) , 55:243–255.

[18] L. zhang, E. Binner, Y. Qiao, Chun-Zhu. Li, High-speed Camera Observation of Coal Combustion in Air and O2/CO2 Mixtures and Measurement of Burning Coal Particle Velocity. Enegy Fuels 2010, 24 pag 29-37.

[19] L. zhang, E. Binner, Y. Qiao, Chun-Zhu. Li, In-situ diagnostics of Victorian brown coal combustion in O2/N2 and O2/CO2 mixtures in drop-tube furnance.

[20] L. zhang, E. Binner, Y. Qiao, Chun-Zhu. Li, Sankar Bhattacharya and Yoshihiko Ninomiya. Experimental Investigation of the Combustion of Bituminous Coal in Air and O2/CO2 Mixtures: 1. Particle Imaging of the Combustion of Coal and Char. Energy Fuel 2010, 24, 4803-4811.

ALAMBRE FUNDIBLE ANILLADO A LA PARTÍCULA DE COMBUSTIBLE.ALAMBRE FUNDIBLE ANILLADO A LA PARTÍCULA DE COMBUSTIBLE.ALAMBRE FUNDIBLE ANILLADO A LA PARTÍCULA DE COMBUSTIBLE.ALAMBRE FUNDIBLE ANILLADO A LA PARTÍCULA DE COMBUSTIBLE.

[21] Yates, J. G. and Walker, P. R., 1978, Proc Second Engng Foundation Conf, Eds, J. F. Davidson and D. L. Keairns, Cambridge University Press, 241.

COMPARACIÓN Y ANÁLISIS DE TÉCNICAS.COMPARACIÓN Y ANÁLISIS DE TÉCNICAS.COMPARACIÓN Y ANÁLISIS DE TÉCNICAS.COMPARACIÓN Y ANÁLISIS DE TÉCNICAS.


67676767

[22] Stubington, F.T. Comparison of techniques for measuring the temperatura of char particles burning in a fluidised bed. Chrmical enginners Res Des, Vol 63, pp 241-249.

[23] Grosshandler, W. L., The Effect of Soot on Pyrometric Measurements of Coal Particle Temperature. Combustion and Flame, 1984, 55, 59.

[24] Godoy, S. M, Lockwood, F.C. Development of a two-colour infrared pyrometer for coal particle temperature measurements during devolatilisation Fuel 1997;77(9–10):995–9.

[25] Sheindlin, A. E. (Ed), Radiative Properties of solid materials, Energiya, Moscow, 1974. In Russian.

[26] Brewster, M, Q., Kunitomo, T., Optical Constants of Coal, Char and Limestone., Journal of Heat Transfer, 1984, 106, 106, 106, 106, 678.

ANALISIS DE VELOCIDADES MÍNIMAS DE FLUIDIZACIÓN EN LECHOS FLUIDOS 2D.ANALISIS DE VELOCIDADES MÍNIMAS DE FLUIDIZACIÓN EN LECHOS FLUIDOS 2D.ANALISIS DE VELOCIDADES MÍNIMAS DE FLUIDIZACIÓN EN LECHOS FLUIDOS 2D.ANALISIS DE VELOCIDADES MÍNIMAS DE FLUIDIZACIÓN EN LECHOS FLUIDOS 2D.

[27] S. Sánchez-Delgado, J. A. Almendros-Ibañez, N. García-Hernando, D. santana. On the minimun fluidization velocity in 2D fluidized beds. Poweder Technology 207 (2011) 145-153.

[28] Schalk Cloete, Stein Tore Johansen, Shahriar Amini. Investigation into the effect of simulating a 3D cylindrical fluidized bed reactor on a 2d plane.

APLICACIONES PRÁCTICAS DE LA CAPTURA INFRARROJA Y EQUIPOS DE FORMACIÓN DE APLICACIONES PRÁCTICAS DE LA CAPTURA INFRARROJA Y EQUIPOS DE FORMACIÓN DE APLICACIONES PRÁCTICAS DE LA CAPTURA INFRARROJA Y EQUIPOS DE FORMACIÓN DE APLICACIONES PRÁCTICAS DE LA CAPTURA INFRARROJA Y EQUIPOS DE FORMACIÓN DE IMÁGENES. IMÁGENES. IMÁGENES. IMÁGENES.

[29] Practical Applications of infrared thermal sensing and imaging equipment. Chapter 2, 16-27. ISBN 0-8194-3138-9

[30] Gómez González, Emilio. Guía para conocer las cámaras de fotografía digital. ISBN: 978-84-938404-1-9.


68686868

ANEXO I: TERMOMETRÍA EN DOS COLORES

1.1. DESCRIPCIÓN DE LA UNIDAD PIROMÉTRICA.

I.2. PROCESO DE CÁLCULO.

I.2.1. MÉTODO 1.

I.2.2. MÉTODO 2.

I.2.2.1. TRANSFERENCIA DE CALOR ENTRE UNA SONDA ÓPTICA Y UNA CAVIDAD

NEGRA.

I.2.2.2. PARTÍCULA RADIANDO EN EL INTERIOR DE LA CAVIDAD NEGRA.

I.2.2.3. PIROMETRÍA DE UNA PARTÍCULA EN UN LECHO FLUIDO.

I.3. TALLAJE DE LA PARTÍCULA.

I.3.1. Gc

I.3.1.1. REFLEXIÓN TOTAL DE LA LUZ EN UNA FIBRA ÓPTICA.

I.3.1.2. MÉTODO GEOMÉTRICO.

I.3.1.3. ATENUACIÓN DE LA RADIACIÓN POR PARTÍCULAS DEL LECHO.


69696969

ANEXO I: TERMOMETRÍA DE DOS COLORES

Se describe la teoría que se usa para determinar la temperatura de las partículas de combustible y del

lecho, a partir de la señal eléctrica obtenida capturando la radiación electromagnética que emiten y

analizada en una unidad radiométrica, [1-3].

En primer lugar, se describe las características y funcionamiento de los componentes que forman la

unidad pirométrica. En segundo lugar se entra en el desarrollo del método de cálculo de las

temperaturas. Dos caminos son descritos en función de si desprecian la radiación emitida por el lecho

que es reflejada en la partícula de combustible que alcanza la sonda, [1, 2] o si es tenida en cuenta, [3].

En tercer lugar se describe como a partir de la señal pirométrica se puede determinar el tamaño de la

partícula, [3].

I.1. DESCRIPCIÓN DE LA UNIDAD PIROMÉTRICA.

El dispositivo de medida está formado por una sonda óptica, unidad radiométrica, amplificadores y un

convertidor de señal analógico-digital conectado al ordenador, figura A1.1.

Figura AI.1. Representación del montaje experimental utilizado por , formado por un

reactor de lecho fluido, la sonda óptica, la unidad radiométrica, amplificadores y un convertidor de

señal analógico-digital conectado al ordenador.


70707070

La sonda de cuarzo está encapsulada en un tubo de acero inoxidable y con una ventana de zafiro

protegiendo su punta. La radiación electromagnética emitida por las partículas que pasan cerca de la

punta, dentro del campo de visión de la sonda, es conducida por una fibra óptica hasta la unidad

radiométrica. En el interior de dicha unidad hay dos filtros que separan la luz en dos intervalos

espectrales seleccionados, centrados en , antes de llegar al detector (sensor), de manera que se

obtiene las dos señales que permiten determinar la temperatura de la partícula emisora de la radiación.

En la figura A1.2, se representa una pequeña parte de la señal generada por la unidad pirométrica, en

ella los valores inferiores corresponden a la temperatura de las partículas inertes del lecho, y los picos

transitorios que se observan, son originados cuando una partícula de combustible pasa cerca de la punta

de la sonda óptica, dentro del campo de visión de ésta, y es captada.

Figura A1.2. Representación de la señal generada por la unidad pirométrica, donde los valores inferiores

corresponden a la radiación de fondo, y los picos a las partículas de combustie que pasan cerca del

campo de visión del dispositivo, [1].

La sonda óptica fue diseñada específicamente para transmitir radiación de manera continua del interior

del lecho hacia el exterior, el resto de los componentes (fibra óptica, filtros, detectores, amplificadores y

canal de registro) son artículos comerciales.

1.2. PROCESO DE CÁLCULO.

1.2.1. MÉTODO 1.

En primer lugar se describe el método cálculo que asume que la radiación registrada por el sistema

óptico procede de dos fuentes:

1. La partícula de combustible a temperatura , que ocupa parte del campo de visión del sistema

óptico (X).

2. El material del lecho a temperatura , que ocupa parte del campo de visión del sistema óptico

(1-X).

No analizando la radiación que emitida por el lecho es reflejada por la partícula de combustible y

alcanza la . Debido a que la emisividad del carbón es alta, ver capítulo 4, se puede considerar

pequeño el efecto de no considerar esta radiación reflejada, [2].


71717171

La radiación que alcanza el sensor y que es la causante de generar la señal eléctrica, puede ser

modelada por medio de la ley de Planck (A1.1), que da el poder emisivo por longitud de onda de un

cuerpo ideal a una temperatura T, y definiendo una variable que sea la fracción del campo de visión del

sistema óptico ocupado por la partícula de combustible X.

(A1.1)

Con , � la longitud de onda de la radiación en

metros y T la temperatura del cuerpo en Kelvin.

De esta manera las señales registradas por la unidad radiométrica, figura A1.2, son proporcionales a la

suma

(A1.2)

El primer término de la suma modela la radiación emitida por el lecho y el segundo la emitida por la

partícula de combustible. El subíndice i, hace referencia a uno de los dos intervalos espectrales que

serán captados, de forma que , son el valor de la emisividad del lecho y combustible

respectivamente en el rango espectral i.

(A1.3)

(A1.4)

Teniendo en cuenta que la salida de los canales depende de la respuesta del sensor (foto-diodos) a cada

intervalo espectral ( ), que son datos del fabricante, y la simplificación (A1.5), obtenemos las

expresiones para , dadas en (A1.6) y (A1.7) respectivamente.

� (A1.5)

(A1.6)

(A1.7)

De la figura A1.2, se sabe el valor que tendrá la señal eléctrica para X=0 ( ), es decir, cuando

en el campo de visión de la sonda no esté presente ninguna partícula de combustible. Entrando con este

valor en (A1.6) y (A1.7), se obtiene el valor de las constantes ( ) como función de las magnitudes

que gobiernan el problema.

(A1.8)


72727272

(A1.9)

Sustituyendo (A1.8) y (A1.9) en (A1.6) y (A1.7) respectivamente, y entrando en (A1.6) ó (A1.7) con X=0,

para determinar el valor de , se puede obtener un sistema de dos ecuaciones (A1.12 y

A1.13) y dos incógnitas ( , X)

(A1.12)

(A1.13)

Despejando en ambas expresiones , se obtiene la igualdad (A1.16), pudiendo determinarse el valor de

X, conocidas la emisividad de la partícula de combustible y del lecho, capítulo 4, que hace que se cumpla

(A1.14)

(A1.15)

(A1.16)

Una vez hallado el valor de X se entra en (A1.14) ó (A1.15) y se puede saber el valor de la temperatura

de la partícula combustible.

Las expresiones (A1.14) y (A1.15) sólo tienen sentido físico si X<1. Para hallar la temperatura de la

partícula de combustible cuando X=1, se sustituye dicho valor de X en (A1.6) y (A1.7), obteniéndose

(A1.17)

(A1.18)

Realizando el cociente entre (A1.18) y (A1.17), suponiendo comportamiento de cuerpo gris para la

partícula de combustible ( , Capítulo 4) y despejando , se llega a:

(A1.19)

Una ecuación equivalente a las obtenida para el cálculo de se encuentra agrupando los términos

multiplicados por el factor geométrico X y los que no lo están en las ecuaciones (A1.12) y (A1.13).

(A1.20)

(A1.21)

La altura del pico transitorio en la señal eléctrica que da la unidad pirométrica, figura A1.2, puede

definirse como


73737373

(A1.22)

Aplicando la definición (22) en (20) y (21), se tiene

(A1.23)

(A1.24)

Relacionando estas dos últimas expresiones entre sí, se obtiene la ecuación (que no depende del factor

geométrico X) equivalente al sistema (A1.12, A1.13) donde la única incógnita es la temperatura de la

partícula de combustible, bajo la suposición de comportamiento de cuerpo gris de las partículas del

lecho ( ) y combustible , Capítulo 4.

(A1.25)

La temperatura de las partículas de lecho se determina como antes se dijo, entrando en (A1.6) ó (A1.7)

con .

1.3.2. MÉTODO 2.

En el análisis realizado arriba, se supuso que la energía que transporta la sonda estaba formada por la

emitida por la partícula de combustible por estar a una temperatura y la emitida por el material del

lecho a temperatura . Un análisis más preciso puede ser realizado, teniendo en cuenta la radiación

reflejada por la partícula de combustible que le llega del lecho.

Se comienza estudiando la transferencia de calor entre una sonda óptica y una cavidad negra.

Cuantificado este intercambio radiante, se modela la radiación que alcanza la sonda cuando existe una

partícula en el interior de la cavidad, para analizar, en último lugar, la atenuación de la radiación, que

alcanza a la sonda, por el material del lecho.

1.3.2.1. TRANSFERENCIA DE CALOR ENTRE UNA SONDA ÓPTICA Y UNA CAVIDAD NEGRA.

Como se observa en la figura A1.3, se considera una cavidad, de comportamiento negro, de superficie

y temperatura . La cavidad tiene una pequeña apertura de área , a través de la cual la luz

procedente de la cavidad es transferida hacia fuera por medio de una fibra óptica.


74747474

Figura A1.3. Representación de una cavidad de comportamiento negro, , con una abertura, , desde

donde mira la fibra óptica, , [3].

Definiéndose

• como la proporción de la radiación que emite la pared y alcanza la sonda.

• como la proporción de la radiación que emite la sonda y alcanza la pared.

Podemos expresar el flujo radiante recibido por la sonda cómo:

(A1.26)

Donde está dada por (A1.1). Aplicando el principio de complementariedad entre los factores

definidos, y teniendo en cuenta que G=1 (toda la radiación emitida por la sonda alcanza la cavidad), se

obtiene

(A1.27)

Si entramos con (A1.27) en (A1.26), se obtiene

(A1.28)

Suponiendo que la radiación recibida por la sonda ( ), es conducida por la fibra óptica y alcanza la

unidad radiométrica, la respuesta de dicha unidad será

[V] (A1.29)

Donde es una función que representa las propiedades de la unidad radiométrica, filtros y

constantes para que las unidades sean coherentes.

La ecuación (A1.29) forma la base de la calibración de la unidad pirométrica por medio del

comportamiento de la cavidad pirométrica de temperatura conocida. La figura A1.4. Muestra un

ejemplo típico obtenido en la calibración de la unidad.


75757575

Figura A1.4. Curvas de calibración de la unidad radiométrica calculadas como la respuesta a la radiación

infrarroja emitida por un cuerpo negro, [3].

Como se puede deducir no es necesario el conocimiento explicito de la función .

1.3.2.2. PARTÍCULA RADIANDO EN EL INTERIOR DE LA CAVIDAD NEGRA.

Ahora se considera una partícula radiando con una superficie total y una temperatura suspendida

dentro de la cavidad y contenida en el campo de visión de la sonda, figura A1.5.

Figura A1.5. Representación de una cavidad de comportamiento negro, , con una abertura, , desde

donde mira la fibra óptica, a con una pequeña partícula suspendida, [3].

Para determinar el flujo radiante que alcanza la sonda óptica, definimos nuevos factores que modelen la

cantidad de la radiación emitida por un cuerpo que alcanza otro.


76767676

• es la proporción de la radiación emitida por la partícula que alcanza la sonda.

• es la proporción de radiación emitida por la partícula que recibe la pared.

• es la proporción de radiación que emite la pared y alcanza la partícula.

• es la proporción de radiación emitida por la pared a la sonda que bloque la partícula.

El flujo que recibe ahora la sonda (30) es la suma de tres términos:

1. Radiación emitida por la partícula que alcanza la sonda .

2. Radiación emitida por la cavidad que alcanza la sonda .

3. Radiación emitida por la cavidad que alcanzaría la sonda pero que bloquea la

partícula .

El flujo radiante que recibe la sonda queda

(A1.30)

A continuación, se desarrolla la radiación que emite partícula y cavidad.

• La radiación emitida por la partícula de combustible es la que radia por estar a una temperatura

y la reflejada que le llega de la emitida por la cavidad.

(A1.31)

�

� (A1.32)

�

Si se mete la relación (A1.32) en (A1.31)

=

(A1.33)

• La radiación emitida por el lecho es dada por (A1.34), se observa que no se está teniendo en

cuenta el efecto Hohlraum, es decir, se desprecia la radiación emitida por la partícula que

reflejada en las paredes de la cavidad alcanza la sonda (suposición de comportamiento negro de

la cavidad).

(A1.34)


77777777

Donde , fue definida en (A1.26), como la radiación que alcanzaba la sonda cuando no había partícula

de combustible en la cavidad.

• La radiación emitida por la cavidad que bloquea la partícula evitando que alcance la sonda es

(A1.35)

Sustituyendo los términos desarrollados en (A1.33), (A1.34) y (A1.35) en (A1.30) se obtiene

(A1.36)

Donde los dos primeros sumandos modelan la energía que emite la partícula y alcanza la sonda, el

tercero la radiación emitida por la cavidad que alcanzaría la sonda si no existiera partícula y por lo tanto

hay que quitarle la radiación que ésta bloquea, último término.

Es posible obtener el valor de . Para ello, hay que caer que, cuando el flujo que recibe la

sonda (�) es el recibido cuando no hay partícula de combustible en la cavidad ( ), es decir, .

(A1.37)

Despejando de (A1.37) se obtiene

(A1.38)

Si se entra en (36) con (38)

(A1.39)

Suponiendo, como antes se hizo, que la radiación � que recibe la sonda es conducida por la fibra óptica

y alcanza la unidad radiométrica, la respuesta que se obtiene será

(A1.40)

Metiendo (A1.39) en (A1.40) y operando se tiene

(A1.41)

Si se tiene en cuenta que la señal que proporciona la unidad radiométrica cuando le llega sólo radiación

emitida por la cavidad es la dada en (A1.42), usamos la ecuación (A1.29), copiada de nuevo en (A1.43), y

las aplicamos a (A1.41), se obtiene la altura del transitorio dado por la unidad radiométrica asociado al

paso de una partícula de combustible frente a la sonda (A1.45), figura A1.6.

(A1.42)

(A1.43)

(A1.44)

Si se define el parámetro geométrico


78787878

(A1.45)

Queda la respuesta de la unidad radiométrica

(A1.46)

Si se define como luminosidad de la partícula ( ), la diferencia , de (A1.46) se ve que depende

no sólo del tamaño de esta y su temperatura, sino también de su posición respecto la sonda.

Cuando ninguna partícula de combustible esté presente en el campo de visión de la sonda la medida

radiométrica será , de donde podrá determinarse si es conocida la curva de calibración

, figura A1.6.

Figura A1.6. Ejemplo de la determinación de la temperatura de fondo, , por medio de la señal

proporcionada por la unidad radiométrica, , [3].

Cuando una partícula de combustible aparezca en el campo de visión de la sonda, la lectura

radiométrica pasará a valer . En la ecuación (A1.46), se tienen ahora dos incógnitas (X, ), luego es

necesaria usar las dos lecturas radiométricas en los dos intervalos espectrales, centrado en el visible ( )

y en el infrarrojo cercano ( ).

(A1.47)

En esta ecuación la única incógnita es y puede obtenerse sin dificultad como se indica a continuación

�

� (A1.48)

La temperatura que cumpla la igualdad (A1.48) es la temperatura de la partícula de combustible.


79797979

Se puede ver que la ecuación (A1.47) no depende del factor X, es decir, del tamaño de la partícula, y es

válida para partícula de combustible completamente o parcialmente contenida en el campo de visión.

En el primer método no se tuvo en cuenta la radiación emitida por la cavidad reflejada en la partícula, es

decir, no se tiene en cuenta el segundo sumando de la ecuación (A1.31). Se llega a una expresión

(A1.25), para determinar la temperatura de la partícula de combustible, diferente a (A1.47), Sin

embargo la emisividad de la partícula de combustible es cercana a la unidad y no tener en cuenta esta

radiación reflejada no causa un gran error en la determinación de .

1.3.2.3. PIROMETRÍA DE UNA PARTÍCULA EN LECHO FLUIDO.

En análisis anterior puede aplicarse para partículas de combustible sólido en un lecho fluido. En la figura

A1.7, se muestra un esquema de la sonda inmersa en un reactor de lecho fluido para realizar medidas

radiométricas.

Figura A1.7. Representación de una sonda óptica inmersa en un lecho fluido, donde además de la

partícula de combustible se muestra el material del lecho, [3].

Cuando una partícula de combustible atraviesa el campo de visión de la sonda lo suficientemente cerca,

su radiación no es enteramente atenuada por el material del lecho que hay entre la partícula y la sonda,

registrándose un cambio en la señal proporcionada por la unidad radiométrica, figura 8. Usando la

ecuación (A1.47) podemos determinar .

Es necesario establecer un criterio, por el cual, se determine qué cambio en la señal eléctrica obtenida

se debe al paso de una partícula de combustible y cual al ruido inherente a todo equipo electrónico.

Para poder considerar que una perturbación en el comportamiento temporal de ( ) se debe al

paso de una partícula, el investigador establece un umbral ( ), por encima del cual se considerará

que pasó una partícula.

(A1.49)

Las fluctuaciones en la señal suelen ser debidas a las fluctuaciones en el lecho, cuyo valor eficaz medio

con del orden de 10 mv, siendo el ruido electrónico siete veces menor, [3]. Además de acotar la altura

del pulso, también es necesario hacerlo con la anchura, es decir, con su duración temporal. De esta

manera rechazamos fluctuaciones de luminosidad con una duración superior a los 20-30 ms.


80808080

Figura A1.8. Representación del comportamiento temporal de la señal pirométrica cuando una partícula

de combustible pasa por el campo de visión de la sonda, [3].

1.4. TALLAJE DE LA PARTÍCULA.

La señal que genera la unidad radiométrica está modelada por la expresión (A1.44), copiada

nuevamente en (A1.50).

(A1.50)

Información sobre el tamaño de la partícula, que origina el cambio en la señal eléctrica puede ser

obtenida una vez se ha determinado .

(A1.51)

El valor de X contiene información sobre , ésta información está en forma de producto y

no puede ser obtenida de forma explícita a no ser que obtengamos información sobre y por

caminos alternativos.

1.4.1. Gc

, fue definido como la cantidad de radiación emitida por la partícula que alcanza la sonda. Por lo

tanto, su valor será función de la distancia (z) de la partícula de carbonizado a la superficie de la fibra

óptica y la distancia existente entre los centros ( ), figura A1.9. Esta dependencia, se puede determinar

por la condición de reflexión total de la luz en la fibra óptica y un método geométrico.


81818181

Figura A1.9. Representación de la dependencia de la cantidad de radiación emitida por la partícula que

alcanza la sonda con la distancia (z) de la partícula de carbonizado a la superficie de la fibra óptica y la

distancia existente entre ambos centros ( ), [9].

1.4.1.1. REFLEXIÓN TOTAL DE LA LUZ EN LA FIBRA ÓPTICA.

La apertura numérica (NA) caracteriza el rango de ángulos para los que un sistema óptico acepta luz.

Como podemos ver en la figura A1.10, el sistema captará todos los rayos que tengan un ángulo de

incidencia, respecto del eje óptico, menor o igual a (rayos azules) y no captará los de ángulo mayor

(rayos rojos).

(A1.52)

La fibra óptica es una guía de ondas electromagnéticas que trabaja a frecuencias ópticas. Cada filamento

consta de un núcleo central de plástico o cristal (óxido de silicio y germanio) con un alto índice de

refracción, rodeado de una capa de un material similar con un índice de refracción ligeramente menor,

figura A1.11.

En el interior de una fibra óptica, la luz se va reflejando contra las paredes en ángulos muy abiertos, de

tal forma que prácticamente avanza por su centro. De este modo, se pueden guiar las señales luminosas

sin pérdidas por largas distancias.


82828282

Figura A1.10. Representación de los rayos que captura un sistema óptico en función de la inclinación

que tengan, .

Figura A1.11. Representación de uno de los filamento que componen la fibra óptica formado por el

núcleo central, con índice de refracción , y un revestimiento de menor índice de refracción, .

Una vez definido analítica y gráficamente la apertura numérica de un sistema óptico. Se puede

determinar el ángulo de aceptancia ( ) para una fibra óptica.

Cuando la luz llega a una superficie que limita con un índice de refracción menor, el ángulo de refracción

será mayor (ley de Snell), de forma que existe un ángulo de incidencia límite a partir del cual el ángulo

de refracción es de 90 o mayor, produciéndose el efecto de reflexión total.

Definimos entonces el ángulo de aceptancia ( ) de una fibra óptica como el máximo ángulo en el cual el

rayo de luz incidente se refleja totalmente en el recubrimiento de la misma (es atrapado por las paredes

de la fibra).

Para obtener dicho ángulo, figura A1.12, se parte de la ley de Snell


83838383

(A1.53)

Figura A1.12. Reflexión y refracción de las ondas electromagnéticas cuando llegan a uno de los

filamento que componen la fibra óptica formado por el núcleo central, con índice de refracción , y un

revestimiento de menor índice de refracción, . Siendo el ángulo de aceptancia.

Una vez que el rayo de luz incide sobre la fibra con ángulo y es refractado con , viaja por el núcleo

hasta que incide sobre la superficie del revestimiento. Aplicando la ley de Snell en ese punto y operando

(A1.54), puede obtenerse cual debe ser el ángulo de transmisión para que el ángulo de refracción sea de

.

(A1.54)

Entrando con (A1.54) en (A1.53) y comparando el resultado con la definición (A1.52), determinamos la

apertura numérica de la fibra óptica.

(A1.55)

Como se ve está representado en la figura A1.12, cuando el rayo de luz incide con un ángulo menor o

igual al de aceptancia de la fibra es transmitido (radiación azul), sin embargo aquella radiación con un

ángulo de incidencia mayor no es transmitido (radiación roja).

1.4.1.2. MÉTODO GEOMÉTRICO.

Hallar es calcular el ángulo sólido bajo el cual la fibra óptica puede recibir radiación de la partícula y

ésta verifica la condición de la apertura numérica, figura A1.13.


84848484

Figura A1.13. Representación del ángulo sólido, superficie roja, bajo el cual la fibra óptica puede recibir

radiación de la partícula y ésta verifica la condición de la apertura numérica.

El cociente entre el área definida por la circunferencia negra y la sombreada de rojo es el valor de

para la posición de la partícula representada en la figura A1.13.

Existen nueve regiones de simetría axial en el campo de visión de la sonda que generan diferentes ,

figura A1.14. Del cálculo surge una integral que es resuelta .

Figura A1.14. Nueve regiones de simetría axial en el campo de visión de la sonda que generan diferentes

, [3].

1.4.1.3. Atenuación de la radiación por las partículas de lecho.

En un lecho fluido la radiación que alcanza la sonda es atenuada por la dispersión y absorción de las

partículas del lecho. Este efecto de atenuación se trata por medio de la definición de ‘la longitud del

camino libre de la luz, ’ (56).


85858585

(A1.56)

� �

�

Donde , es el área transversal de la partícula del

lecho y � es la porosidad del lecho.

El efecto de la atenuación es por tanto la disminución de la cantidad de radiación que alcanza la sonda y

su efecto puede ser agrupado junto con , figura A1.16.

En la figura A1.16. a), se representa la dependencia de , para una partícula de combustible, frente a su

distancia radial ) y distancia axial ( ) adimensional, cuando la atenuación es débil (�=99 %, d=0.3

mm � 30 mm). En la figura 16. b), la atenuación es más fuerte (�=60 %, d=0.3 mm � 0.75

mm).

Figura A1.16. A) se representa la dependencia de , para una partícula de combustible, frente a su

distancia radial ) y distancia axial ( ) adimensional, cuando la atenuación es débil (�=99 %, d=0.3

mm � 30 mm). En B), la atenuación es más fuerte (�=60 %, d=0.3 mm � 0.75 mm), [3].

La línea azul nos indica el cambio en el valor de cuando nos alejamos de la sonda en dirección axial,

mientras la línea roja nos aleja de la línea central, figura A1.13.

REFERENCIAS.

[31] Macêk, A. Bulik, C. Direct measurement of char-particle temperatures in fluidized bed

combustors. Twentieth Symposium (Internacional) on Combustion Institue, 1984/pp. 1223-

1230.

[32] Temi M. Linjewile, Ashley S. Hull and Pradeep k. Agarwal. Optical probe measurements of the

temperature of burning particles in fluidized bed. Fuel 1994, 73 pp 1880-1888.


86868686

[33] R Hernberg, J Stenberg. Simultaneous in situ measurement of temperature and size of burning

char particles in a fluidized bed furnace by means of fiberoptic pyrometry. Combust Flame.

1993: 95:191– 205.


87878787

ANEXO II: LISTA DE EQUIPOS.ANEXO II: LISTA DE EQUIPOS.ANEXO II: LISTA DE EQUIPOS.ANEXO II: LISTA DE EQUIPOS.

II.1. REACTOR DE LECHO FLUIDO BIDIMENSIONAL.II.1. REACTOR DE LECHO FLUIDO BIDIMENSIONAL.II.1. REACTOR DE LECHO FLUIDO BIDIMENSIONAL.II.1. REACTOR DE LECHO FLUIDO BIDIMENSIONAL.

II.2. HORNO ELÉCTRICO.II.2. HORNO ELÉCTRICO.II.2. HORNO ELÉCTRICO.II.2. HORNO ELÉCTRICO.

II.II.II.II.3. CÁMARA DIGITAL.3. CÁMARA DIGITAL.3. CÁMARA DIGITAL.3. CÁMARA DIGITAL.

II.4. EQUIPO INFORMÁTICO.II.4. EQUIPO INFORMÁTICO.II.4. EQUIPO INFORMÁTICO.II.4. EQUIPO INFORMÁTICO.

II.5. TANQUES DE ALIMENTACIÓN.II.5. TANQUES DE ALIMENTACIÓN.II.5. TANQUES DE ALIMENTACIÓN.II.5. TANQUES DE ALIMENTACIÓN.

II.6. SISTEMA DE CONTROL DE LA ALIMENTACIÓN DEL AGENTE DE FLUIDIFICACIÓN.II.6. SISTEMA DE CONTROL DE LA ALIMENTACIÓN DEL AGENTE DE FLUIDIFICACIÓN.II.6. SISTEMA DE CONTROL DE LA ALIMENTACIÓN DEL AGENTE DE FLUIDIFICACIÓN.II.6. SISTEMA DE CONTROL DE LA ALIMENTACIÓN DEL AGENTE DE FLUIDIFICACIÓN.

II.7. SISTEMA DE EXTRACCIÓN DE GASES DE COMBUSTIÓN.II.7. SISTEMA DE EXTRACCIÓN DE GASES DE COMBUSTIÓN.II.7. SISTEMA DE EXTRACCIÓN DE GASES DE COMBUSTIÓN.II.7. SISTEMA DE EXTRACCIÓN DE GASES DE COMBUSTIÓN.

II.8. SISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA DEL HORNO.II.8. SISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA DEL HORNO.II.8. SISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA DEL HORNO.II.8. SISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA DEL HORNO.

II.II.II.II.9. SISTEMA DE CONTROL ELÉCTRICO.9. SISTEMA DE CONTROL ELÉCTRICO.9. SISTEMA DE CONTROL ELÉCTRICO.9. SISTEMA DE CONTROL ELÉCTRICO.

II.10. ANALIZADOR DE GASES.II.10. ANALIZADOR DE GASES.II.10. ANALIZADOR DE GASES.II.10. ANALIZADOR DE GASES.

II.11. LIMPIEZA DE GASES.II.11. LIMPIEZA DE GASES.II.11. LIMPIEZA DE GASES.II.11. LIMPIEZA DE GASES.

II.12. TERMOPARES.II.12. TERMOPARES.II.12. TERMOPARES.II.12. TERMOPARES.


88888888

ANEXO II: LISTA DE EQUIPOS.ANEXO II: LISTA DE EQUIPOS.ANEXO II: LISTA DE EQUIPOS.ANEXO II: LISTA DE EQUIPOS.

En este anexo se muestra el montaje experimental, así como su funcionamiento, de todos los dispositivos, componentes, equipos y aparatos necesarios.

Figura AII.1. Figura AII.1. Figura AII.1. Figura AII.1. Representación de la planta que se montará en los laboratorios de la Escuela superior de ingenieros de Sevilla: 1. Reactor de lecho fluido bidimensional, 2. Horno eléctrico, 3. Cámara digital, 4. Equipo informático, 5. Tanques de alimentación, 6. Sistema de alimentación,

7. Sistema de extracción, 8. Sistema de control de temperatura, 9. Sistema de protección eléctrica,


89898989

10. Analizador de gases, 11. Sistema de limpieza de gases, 12. Termopares, 13. Conexiones a la red eléctrica.

En la figura AII.1 se muestra la planta que se montará en los laboratorios de la Escuela Superior de Ingenieros de Sevilla, para alcanzar el objetivo de determinar la temperatura superficial de las partículas de carbonizado en conversión dentro de un reactor de lecho fluido en condiciones de oxi-combustión. Una representación a escala y detallada del montaje se encuentra en el plano del Anexo IV. Como se observa en la figura numerosos dispositivos y equipos son necesarios, cada uno de ellos apoyados por otros auxiliares que facilitan o complementan su uso.

II.1. REACTOR DE LECHO FLUIDO BIDIMENSIONAL.II.1. REACTOR DE LECHO FLUIDO BIDIMENSIONAL.II.1. REACTOR DE LECHO FLUIDO BIDIMENSIONAL.II.1. REACTOR DE LECHO FLUIDO BIDIMENSIONAL.

Como se ha descrito en detalle en el capítulo anterior, el conversor donde se llevará a cabo las reacciones cuyo conocimiento se busca generar, es un reactor de lecho fluido de dimensiones tales que dan soporte para suponer un comportamiento bidimensional.

El cuerpo de reactor es un contenedor de cuarzo hueco por dentro, abierto en su parte superior e inferior, de forma que permita la salida de los gases producidos en la combustión y la entrada del agente de fluidificación, mezcla de oxígeno y nitrógeno, respectivamente. El material elegido fue el cuarzo por sus óptimas propiedades ópticas para nuestro propósito y buenas propiedades mecano-térmicas, así como, un coste admisible para el presupuesto. En la figura AII.1 se muestra una representación del cuerpo del reactor.

Figura AII.2.Figura AII.2.Figura AII.2.Figura AII.2. Representación del cuerpo del reactor de cuarzo con las dimensiones exteriores e interiores, y la altura del lecho de arena sin expandir.

La entrada del agente de fluidización y salida de los gases de la combustión se realiza por medio de dos campanas de acero inoxidable que se sellan a la parte inferior y superior del cuerpo de


90909090

cuarzo respectivamente. Ambas campanas, exteriormente estarán sujetas, proporcionando el soporte necesario a todo el reactor. Además, la campana de extracción de los gases tiene una toma, a través de la cual se alimenta el carbonizado. En la figura AII.3 se representa el acabado final del reactor con las campanas de admisión y extracción de gases.

En el interior del reactor se situará una lámina de zafiro que proteja a la superficie de observación del dispositivo de captura de la erosión que pudiera producir las partículas del lecho de arena en su constante borboteo.

Figura AII.3Figura AII.3Figura AII.3Figura AII.3. Representación del reactor de lecho fluido de geometría 2D

II.2. HORNO ELÉCTRICO.II.2. HORNO ELÉCTRICO.II.2. HORNO ELÉCTRICO.II.2. HORNO ELÉCTRICO.

Para suministrar el calor necesario para que se lleven a cabo las reacciones que a investigar, así como, controlar la temperatura de operación, se utiliza un horno eléctrico.

El horno eléctrico es un horno tubular vertical, modelo TVH4/50/700/11, montado en chasis metálico e incluye una ventana de cuarzo de 120 mm x 120 mm.

Presenta dimensiones exteriores de 650 mm x 950 mm x 750 mm, con una cámara interior de

500 mm x 700 mm x 300 mm. La máxima temperatura de trabajo es de . La potencia es

de 9 KW con una tensión de alimentación de 380 v y 50 Hz, (3 fases + neutro + tierra).

Los elementos calefactores son aleaciones especiales de Fe-Cr soportados sobre canales rectangulares en las paredes interiores. Una representación del horno eléctrico descrito se


91919191

encuentra en la figura AII.4, se muestran detalles de la ventana de observación y sujeción del reactor..

El control de la temperatura así como las protecciones eléctricas se desarrollan en los puntos II.1.8 y II.1.9 respectivamente. Información detallada, así como de las especificaciones del fabricante, se encuentran recogidas en los Anexos III y IV.

Figura AII.Figura AII.Figura AII.Figura AII.4.4.4.4. Representación del horno eléctrico descrito y presupuestado en el Anexo III.

II.3. CÁMARA DIGITAL.II.3. CÁMARA DIGITAL.II.3. CÁMARA DIGITAL.II.3. CÁMARA DIGITAL.

El dispositivo de captura es una cámara fotográfica digital con sensor CMOS sensible a la radiación infrarroja cercana y un objetivo cuyas lentes permitan el paso de esta misma radiación. La cámara seleccionada pertenece a las fabricadas por Ximea, concretamente el modelo xiQ USB 3 Visión Cámara MQ042RG-CM. El objetivo es de la marca SHENEIDER, apto para sensores CCD y CMOS.

Como elementos auxiliares del dispositivo de captura se necesita un cable USB3 de transmisión de datos, disponibles en 3, 5 y 8 metros, y un sistema de soporte o fijación de la cámara, trípode. Además, el objetivo estará equipado con un filtro de longitudes de onda, así conseguimos que sobre el sensor solo incida radiación dentro de la ventana espectral seleccionada, ver capítulo 4.

Información detallada de los diferentes equipos ópticos y sus especificaciones, así como de sus elementos auxiliares se encuentra en el Anexo III.


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II.4. EII.4. EII.4. EII.4. EQUIPO INFORMÁTICO.QUIPO INFORMÁTICO.QUIPO INFORMÁTICO.QUIPO INFORMÁTICO.

El equipo informático encargado de procesar y trabajar con los fotogramas obtenidos, está formado por un ordenador portátil más un programa de adquisición y procesado de imágenes, como MATLAB.

II.5. TANQUES DE ALIMENTACIÓN.II.5. TANQUES DE ALIMENTACIÓN.II.5. TANQUES DE ALIMENTACIÓN.II.5. TANQUES DE ALIMENTACIÓN.

Se pretende estudiar la conversión del carbonizado en condiciones de Oxi-combustión. Para ello, es necesario generar el agente de fluidización a inyectar en el reactor. Con tal fin, son necesarias botellas de oxígeno, nitrógeno y/o dióxido de carbono.

II.6. SISTEMA DII.6. SISTEMA DII.6. SISTEMA DII.6. SISTEMA DE CONTROL DE LA ALIMENTACIÓN DEL AGENTE DE FLUIDIFICACIÓN.E CONTROL DE LA ALIMENTACIÓN DEL AGENTE DE FLUIDIFICACIÓN.E CONTROL DE LA ALIMENTACIÓN DEL AGENTE DE FLUIDIFICACIÓN.E CONTROL DE LA ALIMENTACIÓN DEL AGENTE DE FLUIDIFICACIÓN.

Para la ejecución de los experimentos será necesario un sistema de control del caudal volumétrico, o flujo másico, que inyecte al interior del reactor el agente de fluidización. Esto se realizará por medio de Mass-flow, o de manera más económica, por medio de rotámetros.

Además del equipo encargado del control del caudal, el sistema de alimentación está compuesto por los conductos de alimentación que conducen la alimentación a la campana de fluidización del reactor.

La composición del gas suministrado al lecho se controla por medio de un equipo electrónico, de forma que la concentración de cada componente, es la adecuada para cada experimento.

II.7. SISTEMA DE EXTRACCIÓN DE GASES DE COMBUSTIÓN.II.7. SISTEMA DE EXTRACCIÓN DE GASES DE COMBUSTIÓN.II.7. SISTEMA DE EXTRACCIÓN DE GASES DE COMBUSTIÓN.II.7. SISTEMA DE EXTRACCIÓN DE GASES DE COMBUSTIÓN.

De manera similar al sistema de alimentación, el sistema de extracción lo componen los conductos que llevan los gases de la combustión producida en la conversión del reactor hacia la salida al exterior. La salida de gases a la atmósfera debe ser diseñada conforme a la legislación y evitando el impacto visual.

II.8. SISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA DEL HORNO.II.8. SISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA DEL HORNO.II.8. SISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA DEL HORNO.II.8. SISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA DEL HORNO.

La unidad de control de temperatura del horno se situa en una caja adosada en el lateral con un controlador electrónico WEST 6400, con sistema PID y 4 programas independientes con 16 segmentos para rampas, estancias y finalización de proceso.

II.9. SISTEMA DE CONTROL ELÉCTRICO.II.9. SISTEMA DE CONTROL ELÉCTRICO.II.9. SISTEMA DE CONTROL ELÉCTRICO.II.9. SISTEMA DE CONTROL ELÉCTRICO.

El funcionamiento seguro y correcto del horno eléctrico, así como la seguridad de las personas que trabajen con él, es asumido por un equipo eléctrico alojado en una caja en un lateral del horno.

El control eléctrico se realiza por medio de un control de potencia silencioso con relé de estado sólido trifásico y una tarjeta electrónica incluida en el controlador para alarma fondo de escala alta. II.10. ANALIZADOR DE GASES.II.10. ANALIZADOR DE GASES.II.10. ANALIZADOR DE GASES.II.10. ANALIZADOR DE GASES.


93939393

Por medio del analizador de gases podemos conocer la composición de los gases de la combustión, así obtenemos información adicional sobre el rendimiento de la conversión, emisiones que se producen, etc.

II.11. LIMPII.11. LIMPII.11. LIMPII.11. LIMPIEZA DE GASES.IEZA DE GASES.IEZA DE GASES.IEZA DE GASES.

Un sistema de limpieza de gases es necesario para eliminar de la corriente de gases de salida las

sustancias contaminantes que se puedan general durante la combustión, como los .

II.12. TERMOPARES.II.12. TERMOPARES.II.12. TERMOPARES.II.12. TERMOPARES.

El termopar es el instrumento de medida puntual que debe proporcionarnos la temperatura de los componentes y /o superficies necesarias, bien para el control de la temperatura de operación, o bien para cuantificar la radiación que emiten dichas superficies, interiores del horno, necesaria para determinar la superficial de la partícula de combustible

Se trata de sensores de temperatura, económicos e intercambiables. Tienen conectores estándar y son capaces de medir un amplio rango de temperaturas. Existen diferentes tipos de termopares, para las experiencias utilizaremos termopares tipo K, aptos para gran número de aplicaciones,

son capaces de medir temperaturas superiores a los .


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ANEXO III: COSTES DE EQUIPOS.

III.I. COSTES DE EQUIPOS

III.1.1. REACTOR DE LECHO FLUIDO BIDIMENSIONAL.

III.1.2. HORNO ELÉCTRICO.

III.1.3. CÁMARA DIGITAL.

III.1.4. EQUIPO INFORMÁTICO.

III.1.5. TANQUE DE ALIMENTACIÓN.

III.1.6. SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE GASES.

III.1.7. SISTEMA DE EXTRACCIÓN DE GASES.

III.2. PRESUPUESTOS Y ESPECIFICACIONES.


III.2.1.1. CUERPO DEL LECHO FLUIDO.

III.2.1.2. LÁMINA DE PROTECCIÓN DEL REACTOR: LÁMINA DE ZAFIRO.




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ANEXO III. COSTES DE EQUIPOS.

Un resumen de los costes asociados a los diferentes equipos, dispositivos y componentes auxiliares

necesarios para el montaje experimental descrito en la memoria del se encuentra en la tabla AIII.1, en la

tabla se desglosa el coste de cada equipo numerado en la figura AIII.1, teniendo en cuenta no solo el

propio equipo o dispositivo, sino además, contabilizando el coste de los componentes auxiliares

necesarios para el correcto funcionamiento del montaje

Figura AIII.1. Representación de la planta que se montará en los laboratorios de la Escuela superior de

ingenieros de Sevilla: 1. Reactor de lecho fluido bidimensional, 2. Horno eléctrico, 3. Cámara digital, 4.


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Equipo informático, 5. Tanques de alimentación, 6. Sistema de alimentación, 7. Sistema de extracción, 8.

Sistema de control de temperatura, 9. Sistema de protección eléctrica, 10.

Debido a la poca masa de combustible que se convertirán en cada experiencia, en los gases de salida, la

concentración de productos contaminantes como el , CO y estarán en concentraciones del

orden de las ppm, así no necesitaremos un sistema de limpieza de gases ni un analizador. De esta forma

el sistema de extracción de gases está formado por tuberías o conductos, prescindiéndose de un

analizador de gases y un sistema de limpieza, equipos 10 y 11 respectivamente. No obstante, si se

decide alimentar el reactor con una mezcla de oxígeno y de dióxido de carbono, en lugar de oxígeno y

nitrógeno, si sería necesaria la limpieza de los gases de combustión antes de su emisión a la atmósfera.

III.1. REACTOR DE LECHO FLUIDO BIDIMENSIONAL.

El coste total del reactor es la suma del coste de cada uno de sus componentes constructivos. Por un

lado está, el cuerpo de cuarzo del reactor de cuarzo y la lámina de protección del campo de visión de

zafiro. Por otro lado, hay que cuantificar el coste de la campana que inyecta el agente de fluidización al

reactor y la campana que extrae los gases producidos durante la combustión.de fluidificación y la

campana de extracción de los gases de combustión.

III.2. HORNO ELÉCTRICO.

El coste del horno eléctrico engloba no solo la propia cámara donde se alcanzan las temperaturas de

operación, además, en su precio está contemplado el de los sistemas de control de temperatura y de

protección, equipos 8 y 9 respectivamente, de aquí que aparezcan con costo nulo en la tabla A5.1.

III.3. CÁMARA DIGITAL.

El coste del dispositivo de captura surge de la suma del precio de la cámara fotográfica digital, el

objetivo de visión que monta con una transmisibilidad adecuada, mayor al 90 % a la radiación infrarroja

cercana, el filtro a la radiación, el cable de transmisión de datos y el aparato de apoyo o trípode.

III.4. EQUIPO INFORMÁTICO.

El coste del equipo informático es la suma del precio de los componentes hardware y software que lo

componen.

III.5. TANQUE DE ALIMENTACIÓN.

Las botellas que contienen los gases necesarios para formar la corriente de fluidización tienen un coste

compuesto por un fijo al adquirir una botella más un alquiler que se paga anualmente.

III.6. SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE GASES.

Coste asociado al equipo encargado de dejar pasar el caudal másico o flujo volumétrico seleccionado

previamente de cada tanque de alimentación, que una vez en la misma tubería es conducido a la

campana de admisión del reactor. Además de las conducciones de acero inoxidable, se recoge el coste

de los Manorreductores.

III.7. SISTEMA DE EXTRACCIÓN DE GASES.


97979797

Como se mencionó en la introducción de este punto 5.2, debido a la poca masa de combustible que

reaccionará en el reactor, no es necesario ningún sistema de limpieza gases, luego el sistema de

extracción estará formado por los conductos uq expulses los gases generados a la atmósfera.

Tabla AIII.1. Resumen del costo de los equipos, dispositivos, componentes auxiliares del montaje

experimental.

EQUIPO.

1 REACTOR DE LECHO FLUIDO. 11.827 €

- Cuerpo de cuarzo. 2.220 €

- Lámina protección de zafiro. 8.407 €

- Campana de gases y placa distribuidora. 1.000 €

2 HORNO ELÉCTRICO. 7.442 €

- Horno eléctrico. 7.442 €€

- Portes y embalaje. 0 €

- Servicio técnico. 0 €

3 DISPOSITIVO DE CAPTURA. 3422

- Cámara digital. 1.740 €

- Objetivo . 1.543 €

- Filtro paso largo 850-920 nm. 166 €

- Cable USB3. 39 €

- Trípode. 100 €

4 EQUIPO INFORMÁTICO. 1.000 €

- Ordenador portátil.

- Programas informáticos y/o licencias.

5 TANQUES DE ALIMENTACIÓN. 2 x 270 € =540 €


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- Botella 10 . 188 €

- Alquiler anual. 82 €

6 SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE GASES. 220 €

- Conductos de acero inoxidable (€/kg) 2 €

- Manorreductores 200 €

7 SISTEMA DE EXTRACCIÓN DE GASES. 20 €

- Conductos de acero inoxidable (€/kg) 2 €

8 CONTROL TEMPERATURA DEL HONO. O €

- Incluido en el precio del horno eléctrico.

9 CONTROL ELÉCTRICO DEL HORNO O €

- Incluido en el precio del horno eléctrico.

10 ANALIZADOR DE GASES. O €

- No necesario.

11 SISTEMA D ELIMPIEZA DE GASES. 0 €

- No necesario (N2+O2).

12 TERMOPARES. 100 €

- Termopar tipo K

- Auxiliares de medida.

TOTAL 24.171 €


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III.2.1.1. CUERPO DEL LECHO FLUIDO.


100100100100



III.2.1.2. LÁMINA DE PROTECCIÓN DEL REACTOR: LÁMINA DE ZAFIRO.


101101101101




102102102102




103103103103

ANEXO IV. MEMORIA DE PLANOS.

IV.1. REACTOR DE CUARZO.

IV.1.1. CUERPO DEL LECHO FLUIDO.

IV.2. HORNO ELÉCTRICO.


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IV.1. REACTOR DE CUARZO.

IV.1.1. CUERPO DEL LECHO FLUIDO.


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IV.2. HORNO ELÉCTRICO.

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