1. CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un sistema de combustión de gases intercambiables en lecho poroso para aplicaciones de cocción y aquellas donde es factible la transferencia de calor por radiación. El sistema cuenta con un sistema de control que permite el ahorro de energía por medio de la interrupción del suministro de gas en función de la temperatura del lecho poroso.

2. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Las emisiones de C0 ₂ provenientes de la actividad industrial por el uso masivo de combustibles de origen fósil han motivado un sinnúmero de acciones para mitigar el efecto invernadero causado por estas emisiones, que van desde el uso de combustibles renovables provenientes de biomasa hasta la exploración de otras fuentes de energía.

Sin embargo, ante el panorama de una canasta energética dominada por los combustibles fósiles en los próximos 40 años (International Energy Agency, 2010) ¹ , una de las medidas más apropiadas para reducir las emisiones de C0 ₂ es la implementación de tecnologías más eficientes para el uso de estos combustibles que permitan reducir su consumo. Una de estas tecnologías es la Hamada combustión en lecho poroso para procesos de calentamiento.

La tecnología de los quemadores porosos tiene sus inicios en los años 70 cuando Weinberg (1971 ) ² planteo el concepto de combustión con exceso de entalpia, el cual hace referencia al proceso de combustión donde se da un precalentamiento de la mezcla aire- combustible aguas arriba de la zona de reacción por efecto de la radiación y conducción de un medio sólido. A partir de este concepto se han desarrollado varias aplicaciones de quemadores de lecho poroso en operaciones de tipo industrial, tales como motores de combustión interna, turbinas de gas, intercambiadores de calor, recuperación de petróleo y gas, iluminación, producción de hidrógeno, generación termoeléctrica, síntesis de HCI, oxidación de compuestos orgánicos volátiles, combustión de combustibles líquidos, tubos radiantes, fusión de vidrio, fusión de metales, entre otros (Mujeebu, Abdullah, Bakar, Mohamad, & Abdullah, 2009; Trimis & Durst, 1996) ³ .

Adicionalmente, existen documentos relacionados con el uso de quemadores de lecho poroso específicamente para aplicaciones de cocción. Por ejemplo, autores como Pantangi et al (201 1 ) ⁴ , estudiaron un quemador de lecho poroso operando con GLP para cocción doméstica en India. Este quemador consiste en un lecho de bolas de alúmina de 5 mm de diámetro soportadas en una malla y en contacto con una matriz porosa de SiC dentro de una carcasa de un material cerámico compuesto de alúmina y silicato de sodio. La alimentación del quemador, el cual no usa sistema de control para la disminución del consumo de combustible, está conformada por un tubo de premezcla donde ingresan el combustible y una corriente de aire comprimido. La evaluación de este quemador arrojó un aumento de eficiencia total de 3% mayor a la eficiencia de los quemadores convencionales usados para la cocción doméstica en ese país.

Con este mismo quemador, autores como Muthukumar y Shyamkumar (2013) ⁵ encontraron aumentos de eficiencia de 10% con respecto a quemadores de cocción convencionales usando una matriz porosa de SiC con 90% de porosidad. Sin embargo, el aumento cayó a solo 6% cuando la porosidad disminuyó a 80%. Es importante aclarar que en estos dos estudios, el calentamiento se da por el mecanismo de radiación, donde la superficie del quemador poroso se encuentra a 5 cm de la parte inferior del recipiente a calentar.

De otro lado, los autores Yoksenakul y Jugjai (201 1 ) ⁶ desarrollaron un quemador de lecho poroso usando solamente bolas de alúmina de 15 mm sin requerir el uso de aire

³ Mujeebu, M. A. , Abdullah, M. Z , Bakar, M. Z. A„ Mohamad, a. a., & Abdullah, M. K. (2009). Applications of porous media combustión technology - A review. Applied Energy, 86(9), 1365- 1375. doi: 10.1016/j.apenergy 2009.01 .017; Trimis, D. , & Durst, F. (1996). Combustión in a porous medium-advances and applications. Combustión Science and Technology, 121, 153-168. Pantangi, V. K. , Mishra, S. C , Muthukumar, P., & Reddy, R. (201 ). Studies on porous radiant burners for LPG (liquefied petroleum gas) cooking applications. Energy, 36(10), 6074-6080. doi: 10 1016/j energy.201 1 08.08.

⁵ Muthukumar, P., & Shyamkumar, P. I. (2013). Development of novel porous radiant burners for LPG cooking applications. Fuel, 1 12, 562-566. do¡: 10.1016/j.fuel.201 1.09.006

⁶ Yoksenakul, W. , & Jugjai, S. (201 1 ). Design and development of a SPMB (self-aspirating, porous médium burner) with a submerged fíame. Energy, 36(5), 3092-3100. doi: 10.1016/j.energy.201 .02.054. comprimido para garantizar la relación de equivalencia adecuada en la premezcla No obstante, lo anterior fue posible debido a que el quemador opera con potencias entre 23 y 61 kW, las cuales corresponden a potencias que son relativamente altas para operaciones de cocción.

Existen otros estudios y documentos relacionados con el uso de matrices porosas en cocción en los cuales se usan materiales cerámicos porosos para almacenar y recircular calor para el precalentamiento de la premezcla en cocción con GLP y usando quemadores tipo turbulento, entre los cuales se encuentran los siguientes:

^■ Jugjai, S. , & Rungsimuntuchart, N. (2002). High efficiency heat-recirculating domestic gas burners. Experimental Thermal and Fluid Science, 26(5), 581-592. doi: 10.1016/S0894-1777(02)00164-4.

^■ Jugjai, S , Tia, S. , & Trewetasksorn, W. (2001 ). Thermal efficiency improvement of an LPG gas cooker by a swirling central fíame. International Journal of Energy Research, 25, 657-674.

Con lo anterior, los autores lograron aumentos de eficiencia cercanos al 3% con respecto a quemadores convencionales más sin embargo, en los quemadores divulgados por estos autores la combustión no es realizada en el lecho poroso.

Con respecto a quemadores que comprenden lechos porosos, en el arte previo se conocen quemadores de matriz porosa que no necesariamente operan con el principio de combustión con exceso de entalpia y el material poroso cerámico o metálico se usa más como un mecanismo de estabilización de llama y aumento de la radiación. Este tipo de quemadores se encuentra divulgado en los documentos:

^■ Wu, C.-Y. , Chen, K -H , & Yang, S. Y. (2014). Experimental study of porous metal burners for domestic stove applications. Energy Conversión and Management, 77(x), 380-388. doi: 10.1016/j.enconman.2013.10.002.

^■ Gao, H , Qu, Z. , Feng, X., & Tao, W. (2014). Combustión of methane/air mixtures in a two-layer porous burner: A comparison of alumina foams, beads, and honeycombs. Experimental Thermal and Fluid Science, 52, 215-220. doi: 10.1016/j.expthermflusci.2013.09.013

^■ Keramiotis, C , Stelzner, B , Trimis, D. , & Founti, . (2012). Porous burners for low emission combustión: An experimental investigation. Energy, 45(1 ), 213-219. doi 10.10 6/j energy.201 1 .12.006.

■ Wang, H. , Wei, C , Zhao, P. , & Ye, T. (2014) Experimental study on temperature variation in a porous inert media burner for premixed methane air combustión. Energy, 72, 195-200. doi: 10.1016/j.energy.2014.05.024 Asimismo, dichos autores divulgan quemadores de lecho poroso de metano en el que se usó una zona de precalentamiento con bolas de alúmina de 3 mm de diámetro combinada con espumas cerámicas de Zr0 ₂ , Al ₂ 0 ₃ , FeCrAI y SiC con varias porosidades (Gao, 2014) y en los cuales el rango de inflamabilidad se expande al incrementar la conductividad de la espuma pero se estrechan al aumentar la densidad de poros. Adicionalmente, evaluaron la eficiencia térmica y de combustión de un quemador rectangular usando bolas de alúmina y una espuma cerámica de SiSiC de 10 poros por pulgada (Keramiotis et al, 2012) con metano y GLP, encontrando que la operación estable del quemador es más sensible al cambio de potencia que a la aireación de la combustión. Por otra parte, mostraron en un quemador de lecho poroso empleando solamente bolas de alúmina de 4,3 y 10 la variación de la temperatura a lo largo del lecho y cómo esa se relaciona con la estabilidad y la ubicación de la combustión a largo del lecho (Wang et al, 2014)

Adicionalmente, en el estado de la técnica se conocen sistemas rotatorios para barbecue; sistemas de combustión basado en matrices porosas cerámicas o de fibras metálicas compuestas de dos capas; sistemas de combustión turbulenta incorporando un cono cerámico poroso encargado de recuperar calor residual de gases provenientes de la cámara de combustión para el precalentamiento de la premezcla aire/combustible; quemadores en los cuales las entradas de aire son tangenciales al tubo principal de mezcla y generan una combustión tipo turbulenta; sistemas compuestos por una placa cerámica perforada hecha alúmina, sílica, hierro, óxido de calcio, óxido de magnesio, feldespato, potasioóxido de sodio, óxido de titanio y otros materiales auxiliares, en donde la combustión en este sistema se desarrolla en las perforaciones de la placa y encima de ellas; quemador compuesto por un sistema de distribución de aire y gas; quemador de lecho poroso en el que incorporan un dispositivo de ignición aguas arriba del lecho; quemador de lecho poroso construido a partir de láminas corrugadas de carbono siliconizado; quemador que incluye un dispositivo de ignición dentro del lecho y permite la incorporación de un sistema de control de flujo de aire, combustible líquido y combustible gaseoso que garantice una relación de equivalencia óptima durante la operación; quemadores porosos de material compuesto de alúmina y sílice perforado como barrera de retrollama; sistema de combustión en lecho poroso en el que la porosidad del lecho varía a lo largo del recorrido de la premezcla aire/combustible; quemador en lecho poroso especialmente diseñado para aplicaciones de cocción en el que el lecho está conformado por polvo metálico sinterizado o mallas metálicas comprimidas; y quemador en lecho poroso especialmente diseñado para aplicaciones de cocción en el que el lecho está conformado por polvo metálico sinterizado o mallas metálicas comprimidas. En las patentes JP2000-070146, DE19847042, CN102410535, CN201772458, CN102359728, JPS551625 9, US20080124666, US2006035190, US7758337, US20060286498, US5522723, y US2006035189, se pueden ver detalles y ejemplos de este tipo de quemadores. Sin embargo, en el arte previo no se conoce un quemador que presente las siguientes características y soluciones las siguientes dificultades frente a los quemadores ya conocidos en el estado de la técnica:

^■ Un quemador que no tiene partes móviles y en el cual, la combustión no es en superficie sino al interior de un lecho poroso cerámico y puede trabajar con gases combustibles convencionales como gas natural y GLP, y no convencionales como biogás, gas de síntesis y gas de coquería.

^■ Un quemador en el cual la matriz porosa donde se desarrolla la combustión tiene una distribución aleatoria de poros y posee un lecho de partículas amorfas cerámicas para la zona de precalentamiento.

^■ Un quemador con una matriz porosa que sirva de soporte al proceso de combustión y no solamente como recuperador de calor aguas debajo de la zona de combustión turbulenta.

■ Un quemador en el cual la combustión turbulenta funciona independiente de la combustión en lecho poroso y se emplea en el calentamiento de la carga durante el precalentamiento del lecho poroso al inicio de la operación.

■ Un quemador que aunque comprenda un tubo de entrada de aire en el sistema también posea entradas tangenciales para mejorar la uniformidad de la premezcla que entra a la matriz porosa, en donde dichas entradas posean ángulos de inclinación con respecto a la vertical que favorecen el mezclado ascendente y ayudan a vencer la caída de presión del lecho.

■ Un quemador en el que los poros de la matriz cerámica son aleatorios y la combustión se realiza dentro de estos poros y que adicionalmente, cuente con un lecho de partículas amorfas cerámicas para el precalentamiento y estabilización de la zona de combustión.

■ Un quemador en el cual la matriz porosa sirva de soporte al proceso de combustión y no genere llamas aguas abajo. Además, un quemador en el cual la combustión turbulenta funcione independiente de la combustión en lecho poroso y se genere a partir de la velocidad con la que sale una premezcla aire/combustible a través de puertos del mismo diámetro con ángulos de inclinación.

• Un quemador en el cual el sistema de control del quemador, además de regular la entrada de aire y combustible, permite abrir y cerrar el flujo de combustible en función de la temperatura del lecho, de tal manera que el quemador puede operar por períodos de tiempo sin suministro de combustible.

■ Un quemador que posee una zona de precalentamiento compuesta de partículas cerámicas no esféricas en contacto con una espuma cerámica, con estructura de poro regular pero distribuida aleatoriamente, con lo cual se logre mayor área para la distribución de la reacción de combustión.

^■ Un quemador en que el sistema de control del quemador, además de regular la entrada de aire y combustible, permita abrir y cerrar el flujo de combustible en función de la temperatura del lecho, de tal manera que el quemador puede operar por períodos de tiempo sin suministro de combustible y además, posea una zona de precalentamiento compuesta de partículas cerámicas no esféricas en contacto con una espuma cerámica que no necesita de un elemento de ignición dentro del lecho poroso dado que la ignición de la mezcla se origina en el calor acumulado durante la etapa de precalentamiento.

■ Un quemador en donde la zona de barrera de retrollama esté compuesta por partículas cerámicas no esféricas provenientes de residuos en operaciones industriales de molienda, las cuales a su vez actúan como zona de precalentamiento de la premezcla aire/combustible aguas arriba de la zona principal de combustión y en el cual, se permite la intercambiabilidad entre combustibles convencionales y renovables diferentes al hidrógeno y usados con mayor frecuencia industrialmente; y

^■ Un quemador con una zona de precalentamiento compuesta de partículas cerámicas no esféricas en contacto con una espuma cerámica, con estructura de poro regular pero distribuida aleatoriamente, con lo cual se logra mayor área para la distribución de la reacción de combustión.

Si bien el arte previo enseña quemadores de lecho poroso, no existen aún sistemas de combustión en lecho poroso y combustión turbulenta con las características previamente mencionadas y en los cuales sea posible usar combustibles convencionales como gas natural y gas licuado del petróleo, al igual que combustibles de bajo poder calorífico como biogás, gas de síntesis y gas de coquería y al mismo tiempo, la combustión en este sistema puede darse con premezclas pobres con relaciones de equivalencia entre 0,30 y 0,92.

En particular, es relevante mencionar que ninguna de las anterioridades señaladas reporta un sistema de combustión en lecho poroso y combustión turbulenta en el cual el lecho poroso del sistema de combustión emplea partículas cerámicas provenientes de residuos de procesos industriales de molienda con geometría esférica y no esférica compuestas de Al ₂ 0 ₃ , Zr0 ₂ o SiC, las cuales se combinan con espumas cerámicas y en cuya interfase se estabiliza la zona de combustión Adicionalmente, no se enseña en conjunto un sistema de combustión independiente tipo turbulento para calentamiento por convección en la etapa inicial de precalentamiento del lecho poroso y con un sistema de control, que permita el ahorro de energía por medio de la interrupción del suministro de gas en función de la temperatura del lecho poroso, aprovechando la capacidad acumuladora de calor de éste. De esta manera, debido a que se mantiene el flujo de calor hacia la carga a pesar de interrumpir el suministro de combustible, la eficiencia del sistema no se vería afectada.

Por el contrario, en la presente solicitud se especifica un quemador que presenta los efectos deseados y con el cual se genera un ahorro de combustible de entre 20% y 50% y se alcanzan eficiencias térmicas más altas que las de los sistemas de combustión de llama libre usadas en los equipos de cocción industrial.

3. DESCRIPCION GENERAL DE LA INVENCIÓN

Según los problemas que se han logrado identificar en el estado de la técnica, la presente invención hace referencia a un sistema de combustión de gases intercambiables en lecho poroso para aplicaciones de cocción y otras aplicaciones donde es factible el uso de transferencia de calor por radiación. Debido al mecanismo de combustión superadiabática de este sistema, es posible usar combustibles convencionales como gas natural y gas licuado del petróleo, al igual que combustibles de bajo poder calorífico como biogás, gas de síntesis y gas de coquería. Al mismo tiempo, la combustión en este sistema puede darse con premezclas pobres con relaciones de equivalencia entre 0,30 y 0,92.

El lecho poroso del sistema de combustión emplea partículas cerámicas provenientes de residuos de procesos industriales de molienda con geometría esférica y no esférica compuestas de A 0 ₃ , ZrCb o SiC, las cuales se combinan con espumas cerámicas y en cuya interíase se estabiliza la zona de combustión. Esta configuración es complementada con un sistema de combustión independiente tipo turbulento para calentamiento por convección en la etapa inicial de precalentamiento del lecho poroso. El equipo cuenta con un sistema de control que permite el ahorro de energía por medio de la interrupción del suministro de gas en función de la temperatura del lecho poroso, aprovechando la capacidad acumuladora de calor de éste. Debido a que se mantiene el flujo de calor hacia la carga a pesar de interrumpir el suministro de combustible, la eficiencia del sistema no se afecta.

Los resultados experimentales han mostrado que con el sistema de combustión de la presente solicitud es posible, generar ahorro de combustible de entre 20% y 50% y alcanzar eficiencias térmicas más altas que las de los sistemas de combustión de llama libre usadas en los equipos de cocción industrial. El incremento de la eficiencia térmica es del orden de 10 a 25%.. Al mismo tiempo, la disminución en el consumo de combustibles gaseosos conlleva a una reducción entre 30 y 50% de las emisiones de gases de efecto invernadero como el C0 ₂ en los procesos de calentamiento donde se use este sistema de combustión.

3.1 Lecho poroso

El lecho poroso del sistema de combustión de la presente invención está compuesto de dos zonas: una zona de precalentamiento conformado por partículas cerámicas de geometría esférica y/o no esférica provenientes de residuos de procesos industriales de molienda, compuestas de Al ₂ 0 ₃ , Zr0 ₂ , SiC o una combinación de estos. 3.2 Zona de combustión principal

La otra zona, la zona de combustión principal, está conformada por una espuma cerámica con porosidad entre 10 y 30 ppp (poros por pulgada) y compuesta de Al ₂ 0 ₃ , Zr0 ₂ , SiC, SiSiC o una combinación de ellos. La forma irregular de las partículas del lecho de precalentamiento permite que la interfase entre esta zona y la zona de combustión de la espuma cerámica sea más uniforme, lo cual favorece la transferencia de calor por conducción hacia la zona de precalentamiento. Una característica especial del sistema de combustión descrito es que permite la subdivisión del lecho poroso en áreas más pequeñas, con lo cual se incrementa el flujo de calor radiante por unidad de área.

Debido a que el material de la zona de precalentamiento debe alcanzar la temperatura de ignición del combustible, al inicio de la operación del sistema es necesario emplear un período de precalentamiento de este material, mediante combustión convencional de premezcla encendida por una bujía de ignición aguas arriba del lecho poroso. Para suplir el calentamiento de la carga durante este período, el lecho poroso es complementado con un sistema de combustión independiente tipo turbulento para calentamiento por convección, el cual se interrumpe de forma automática cuando la combustión en lecho poroso entra en operación.

El dispositivo conformado por la zona de precalentamiento con partículas cerámicas, la zona de combustión con espuma cerámica y el sistema complementario de combustión tipo turbulento, cuenta con un sistema de control cuya función principal es el ahorro de energía por medio de la interrupción del suministro de gas por determinados períodos de tiempo en función de la temperatura del lecho poroso, aprovechando la capacidad acumuladora de calor de éste. Además, el sistema de control mantiene la relación aire/combustible dentro de los rangos de estabilidad con relaciones de equivalencia entre 0,3 y 0,92, e igualmente pone en marcha la ignición y duración del período de precalentamiento del lecho poroso al ¡nido de la operación y del tiempo de funcionamiento del sistema de combustión tipo turbulento.

4. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCION

El equipo objeto de la presente solicitud de patente se esquematiza en la figura 1. El lecho poroso del quemador consiste en una espuma cerámica (1) de SiSiC y una capa de piezas de alúmina (2) proveniente de la operación de molienda en molinos de bolas. Estas piezas están soportadas en una malla perforada (3) metálica o cerámica. Estos materiales están contenidos en una carcasa (5) cerámica o metálica y rodeados por material aislante (4) para prevenir pérdidas de calor. A la carcasa se encuentra adherido un tubo metálico (6) al cual ingresan en la parte inferior el combustible a través de la boquilla (8) y el aire proveniente del sistema de ventilación mecánica (18) a través de los conductos (7), los cuales son tangenciales al tubo (6). En la parte superior de la carcasa (5), se ubica un quemador tipo turbulento (9) cuya premezcla entra por el Venturi (10). La función de este quemador es iniciar el calentamiento de las paredes de la carga (21) al inicio de la operación donde el lecho de alúmina (2) se encuentra frío y debe ser calentado por la premezcla que ingresa en el tubo (6). Esta premezcla es encendida por la bujía de ignición (20).

El dispositivo está equipado con un sistema de control con un PLC central (14) que recibe las señales de flujo de combustible de las placas de orifico (11 ) y (13) y del flujo de aire de la placa de orificio (12) De acuerdo con el flujo de combustible ingresando al quemador por el tubo (6), el PLC (14) ajusta el caudal de aire de la premezcla actuando sobre el variador de velocidad (17) que controla las revoluciones del sistema de ventilación mecánica. De esta manera se garantiza que el quemador en todo momento está operando con una relación aire/combustibles adecuada.

Al inicio de la operación, el PLC (14) permite el paso de combustible a través de las válvulas proporcionales (15) y (16). Cuando el lecho de alúmina (2) alcanza la temperatura de ignición del combustible, el PLC (14) cierra el paso de combustible por la válvula proporcional (16) del quemador turbulento (9) y ajusta el flujo de combustible del quemador de lecho poroso con la válvula proporcional (15) y el flujo de aire con el variador de velocidad (17). Durante la operación del quemador en modo de combustión en lecho poroso, la termocupla (22) indica la temperatura próxima a la zona de reacción.

Para el ahorro de combustible, el PLC envía señales a la válvula proporcional (15) para cortar el suministro de combustible y volverá a abrir cuando la termocupla (22) indique que la temperatura ha disminuido a un valor a partir del cual la combustión podría desestabilizarse. De esta manera, el quemador puede operar con ciclos de cierre de combustible sin afectar la transferencia de calor hacia la carga (21 ) debido al calor almacenado en la espuma cerámica (1) y el lecho de alúmina (2), lo cual no es posible hacer con los sistemas de combustión convencionales de llama libre.

5. BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

La figura 1 corresponde a un esquema de la sección transversal del sistema de combustión en lecho poroso complementado con el sistema de combustión tipo turbulento, al igual que un diagrama del sistema de control que está acoplado con el sistema de combustión

La figura 2 corresponde a una vista superior del sistema de combustión en lecho poroso complementado con el sistema de combustión tipo turbulento.

La figura 3 es una vista superior de un sistema de combustión que usa el mismo principio de operación descrito en la presente invención en el cual se ha subdividido el área de la zona principal de combustión para mayor concentración de calor radiante por unidad de área.