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La medición del ratio aire/combustible en quemadores pre-mezcla para tratamientos térmicos y de superficie

Cuando los hidrocarburos se queman en el aire, lo hacen según una ecuación química determinada. A continuación se muestra un ejemplo de dicha ecuación para ilustrar la combustión del metano (CH4) en el aire (aproximadamente 21% de oxígeno y 79% de gases inertes):

CH4 + 2O2 + 7,52 inertes = CO2 + 2H2O + 7,52 inertes
I_____________I
Aire

Esta ecuación muestra las cantidades (volúmenes) que se necesitan de cada componente para obtener una reacción completa entre metano y aire. Una mezcla de reactivos en la que cada uno está en la proporción exacta para reaccionar completamente es una mezcla estequiométrica. Se pueden escribir ecuaciones similares para otros combustibles.

Generalmente, las mezclas de aire y gas quemado para calentar, etc. contienen una pequeña cantidad de aire en exceso para una eficiencia óptima.

La medición y el control del ratio aire/combustible es crucial para mantener una combustión eficiente y para crear la tensión de superficie correcta en los procesos de tratamiento de llama.

Una forma de medir el ratio es midiendo el oxígeno en la mezcla de aire combustible que no ha reaccionado. Para metano, la concentración de oxígeno en la mezcla que no ha reaccionado en estequiometría sería:

2x100
---------- = 19,01%
1+2+7,52

Por lo que la variación de la concentración del oxígeno del aire en una mezcla estequiométrica es sólo del 2% (21-19). Aunque los analizadores de oxígeno existen para medir estas concentraciones, para obtener una precisión apreciable (como mínimo +/-0,01%) se requiere un equipo muy caro.

Una forma alternativa de determinar el ratio de aire/combustible es pre-quemar una pequeña cantidad de la mezcla y medir el oxígeno residual. De esta forma, la diferencia de oxígeno del aire con una mezcla estequiométrica es 21%, por ejemplo, más de 10 veces el cambio en la mezcla de la reacción. El gráfico de la figura 1 muestra la diferencia.

 

Los analizadores de oxígeno con célula de zirconio son ideales para medir el oxígeno en estas mezclas combustionadas por 2 razones. Primeramente, operan a temperaturas elevadas (600+ºC) y por tanto no es necesario enfriar o acondicionar la muestra de otra forma. En segundo lugar, pueden medir los bajos niveles de oxígeno en estequiometría (e incluso más allá en la zona reductora si es necesario) con elevada precisión. Esto equivale a una precisión en la mezcla que no ha reaccionado de aproximadamente +/-0,002% - significativamente mejor que cualquier alternativa.

 

Miden la concentración de oxígeno de una forma análoga a como un electrodo de pH mide la acidez.

Y al igual que un electrodo de pH que se utiliza para monitorizar la neutralización de un ácido por un álcali, un sensor de oxígeno con célula de zirconio se puede utilizar para monitorizar la neutralización de oxígeno con combustible. El gráfico en la figura 2 muestra la curva de neutralización clásica para tal proceso. El punto de neutralización es donde los reactivos están en las proporciones correctas para no producir ningún tipo de exceso.

 

 

Nota técnica de Hitech Instruments
(traducción de ENTESIS technology)

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