Combustión de combustible y transferencia de calor en hornos: Optimización de la eficiencia energética

Combustión de combustible y transferencia de calor en un horno

El calor es necesario en un horno para calentar la carga (material a calentar) y, en ocasiones, para reacciones químicas. Las tres fuentes de energía térmica son: (i) combustión de combustibles, (ii) energía eléctrica y (iii) energía química de reacciones exotérmicas. Excepto en hornos electrotérmicos, la demanda de calor (excluyendo la energía química) se satisface mediante la combustión de un combustible, que puede ser gaseoso (gases subproducto como gas de coque, gas de alto horno, gas de convertidor, gas natural, GLP), líquido (fuel oil, alquitrán) o sólido (carbón, coque).

Principios de la combustión

Todos los combustibles contienen energía potencial que se libera en los productos de combustión (POC). La combustión es la liberación controlada de calor y energía de la reacción química entre un combustible y un oxidante. Casi todos los procesos industriales usan combustibles hidrocarburos. Una reacción generalizada para un hidrocarburo típico es: combustible + oxidante = CO₂ + H₂O + otras especies. Estas "otras especies" dependen del oxidante y la relación combustible/oxidante. El oxidante más común es el aire (≈79 % N₂ en volumen), que atraviesa el proceso inerte. Si la combustión es rica en combustible (falta O₂), quedan hidrocarburos sin quemar y poco O₂ en los gases de escape. Si es pobre en combustible (exceso de O₂), hay O₂ residual en los gases.

Influencia del combustible en la transferencia de calor

El poder calorífico del combustible determina cuánto quemar para lograr la tasa de producción deseada. Se expresa como poder calorífico superior (PCS) o inferior (PCI). El PCI excluye el calor de vaporización del agua, asumiendo que todos los POC son gaseosos (caso habitual en la industria). El PCS incluye la energía adicional de condensación del vapor de agua si los gases salen a baja temperatura.

La composición del combustible define la de los POC y la cantidad de oxidante necesaria. La densidad del combustible influye en los caudales y diámetros de tubería.

Composición de los gases de escape y transferencia de calor

Hidrocarburos sin quemar indican combustión incompleta y pérdida de calor disponible. Un exceso alto de O₂ significa que se suministró demasiado oxidante, que arrastra energía sensible por la chimenea. Si el oxidante es aire, gran parte de la energía del combustible se pierde con el N₂ en los gases de escape.

Los POC transfieren calor a la carga hasta la temperatura requerida y luego abandonan el horno. El calor sensible de los POC a la temperatura crítica del proceso no está disponible para el horno; a mayor temperatura crítica, mayor calor sensible perdido, lo que es clave para la utilización del combustible.

Tipos de oxidantes

Dos oxidantes comunes: aire (mayoría de procesos) y oxidantes enriquecidos en O₂ (>21 % vol.) para procesos de alta temperatura (combustión oxicombustible). Pequeñas cantidades de enriquecimiento en O₂ pueden aumentar significativamente la tasa de producción. Quemadores aire/combustible pueden operar con hasta ~30 % O₂ sin modificaciones mayores. A mayores concentraciones, la llama puede volverse inestable o demasiado caliente. En aplicaciones de muy alta temperatura, se usan oxidantes de alta pureza (>90 % O₂), intensificando enormemente el proceso. La pureza del oxidante influye significativamente en la transferencia de calor.

Relación combustible/oxidante y estequiometría

La relación estequiométrica indica la proporción de O₂ a combustible. Para CH₄ con aire: CH₄ + (2O₂ + 7,52N₂) → CO₂ + 2H₂O + 7,52N₂; relación estequiométrica = 2. Este método (considerar solo O₂) se usa en sistemas con enriquecimiento de O₂.

Llamas reales requieren exceso de O₂ (típico ~3 %) para compensar mezcla imperfecta. Combustión rica: relación <2; pobre: >2. La fracción molar de O₂ en el oxidante es forma común de especificar la composición.

Ejemplo con 3 % exceso de O₂: CH₄ + (2,06O₂ + 7,75N₂) → CO₂ + 2H₂O + 0,06O₂ + 7,75N₂. Demasiado exceso de O₂ desperdicia energía calentando aire en lugar de la carga; se busca el mínimo exceso para bajas emisiones de CO.

Características de la llama y números adimensionales

La mayoría de llamas industriales son turbulentas (número de Reynolds turbulento). La escala de Kolmogorov representa la dimensión de disipación. La escala de Taylor relaciona tasa de deformación y fuerzas viscosas. Los tipos de llama: (i) llama arrugada, (ii) muy arrugada, (iii) llamitas en remolinos, (iv) frente de reacción distribuido. El número de Damköhler (Da) = tiempo de reacción / tiempo de flujo, indica el régimen de combustión.

Propiedades de combustión clave

Las propiedades usuales en aplicaciones industriales son: (i) composición de productos de combustión, (ii) temperatura de llama, (iii) calor disponible, (iv) volumen de gases de escape. Son esenciales para calcular la transferencia de calor de llama y gases al horno y a la carga.

Productos de combustión

Variables que afectan la composición de POC: composición del oxidante, relación de mezcla, temperaturas de precalentamiento de aire y combustible, y composición del combustible.

Composición del oxidante

Ejemplo CH₄: con aire estequiométrico, >70 % vol. de gases de escape es N₂. Con O₂ puro: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O; volumen de gases reducido drásticamente. En general: CH₄ + 2O₂ + xN₂ → CO₂ + 2H₂O + xN₂. La composición real depende de oxidante, temperatura de gases y relación de equivalencia (φ = relación real combustible/aire ÷ relación estequiométrica). Combustión estequiométrica: todo O₂ consumido, sin O₂ molecular en productos.

Proceso adiabático: sin pérdidas de calor (cámara perfectamente aislada). No ocurre en la realidad (radiación). La composición de productos en equilibrio adiabático varía con el oxidante. Al eliminar N₂, disminuye su concentración en escape y aumentan CO, CO₂, H₂O. A altos O₂ en oxidante, hay CO significativo por disociación térmica. Radicales H, O, OH aumentan con O₂. NO aumenta hasta ~60 % O₂ y luego cae; con O₂ puro no hay NO (falta N₂). H₂, CO (combustible sin quemar) y O₂ residual aumentan con O₂ por disociación a alta temperatura.

Temperatura real de llama < temperatura adiabática de equilibrio (combustión imperfecta, radiación). La temperatura real depende de qué tan bien la llama irradia y el sistema (carga, refractarios) absorbe. Llamas muy luminosas tienen menor temperatura que no luminosas. Temperatura real también es menor si carga y paredes son más absorbentes (temperaturas bajas, alta absortividad).

Al salir de la llama, los gases pierden más calor por convección y radiación. El objetivo es transferir la energía química del combustible a la carga. Cuanto más eficiente térmicamente el proceso, menor la temperatura en la chimenea. La composición de productos cambia con la temperatura de gases.

Relación de mezcla (φ)

Concentraciones de O₂ y N₂ en escape disminuyen con φ. H₂O y CO₂ máximos en estequiométrico (φ=1) — ambos radiantes no luminosos. Combustible sin quemar (H₂, CO) aumenta con φ, reduciendo calor disponible.

Precalentamiento de aire y combustible

Recuperación de calor para precalentar aire (y a veces combustible) mejora eficiencia térmica y reduce costos. Precalentar aire o combustible afecta composición de POC: CO₂, H₂O, N₂ disminuyen en escape con precalentamiento de aire por disociación. Precalentar combustible tiene limitaciones de seguridad (posible coquización en tuberías) y efecto menor que precalentar aire (masa de combustible << masa de aire).

Composición del combustible

Productos de combustión dependen del combustible. Combustibles gaseosos comunes: H₂, CH₄, C₃H₈, mezclas H₂/CH₄. En luminosidad: H₂ → llama no luminosa; CH₄ → baja luminosidad; C₃H₈ → mayor luminosidad.

Temperatura de llama

Variable crítica para transferencia de calor llama→carga. Temperatura adiabática afectada por: composición oxidante/combustible, relación de mezcla, precalentamiento aire/combustible. Temperaturas reales son menores que adiabáticas, pero tendencias son representativas.

Composición oxidante y combustible

Temperatura sube al reemplazar aire por O₂ (N₂ diluye y reduce temperatura). Aumento rápido de aire a ~60 % O₂; más lento a mayores concentraciones. Composición del combustible impacta fuerte: en mezcla H₂/CH₄, temperatura sube con contenido de H₂ (no lineal, más rápido a alto H₂). H₂ es costoso vs CH₄/C₃H₈, pero combustibles altos en H₂ (subproductos químicos) son más económicos que H₂ comprado.

Relación de mezcla

Pico de temperatura en estequiométrico. Menor O₂ en oxidante → mayor reducción de temperatura en condiciones no estequiométricas (rico o pobre) por mayor N₂ que absorbe calor. En llamas reales, pico a menudo en ligeramente pobre (mezcla imperfecta requiere más O₂). Casi todas las aplicaciones industriales operan en pobre para bajas emisiones de CO. Temperatura de llama cerca del pico maximiza transferencia de calor, pero maximiza NOx (aumenta exponencialmente con temperatura). Esto ha llevado a diseños para reducir pico de temperatura y NOx, afectando transferencia de calor.

Precalentamiento de oxidante y combustible

Temperatura adiabática varía con precalentamiento. Para O₂/CH₄, aumento pequeño (calor sensible de O₂ es fracción de energía química del combustible). Para aire/CH₄, impacto dramático (gran masa de aire). Temperatura adiabática sube rápido para llamas aire/combustible en muchos combustibles.

Calor disponible

El calor disponible en el sistema de combustión determina eficiencia térmica global y es factor en cálculo de transferencia de calor. No es efectivo maximizar transferencia en sistema con bajo calor disponible. Calor disponible = poder calorífico bruto del combustible – energía que sale con gases de escape calientes.

Calor disponible bruto (CAB) = poder calorífico del combustible + calor sensible de reactantes – calor que llevan POC al salir. CAB representa calor disponible a temperatura crítica del proceso; no representa calor para una función específica por pérdidas varias. Sirve para comparar sistemas combustible-combustión.

En horno hay pérdidas por temperatura crítica, espesor y conductividad del refractario. Calor disponible neto (CAN) = CAB – pérdidas. CAN compara eficiencia de fundición/fusión/calentamiento de distintos hornos.

Pérdidas por aberturas, paredes, infiltración de aire no se consideran en calor teórico (dependen del proceso). Calor teórico es proporcional a energía absorbida por carga en proceso real, relacionado con eficiencia térmica. Se usa para mostrar tendencias de eficiencia vs temperatura de escape, composiciones, relación de mezcla, precalentamiento.

Calor disponible disminuye rápido con temperatura de escape y es relativamente independiente de composición del combustible. Para maximizar eficiencia, minimizar temperatura de escape: maximizar transferencia de calor de gases a carga/paredes y recuperar calor precalentando oxidante/combustible.

A mayor temperatura de escape, más energía sale, menos queda. Calor disponible llega a cero en temperatura adiabática de equilibrio (sin pérdidas). Sistema CH₄/O₂ a ~2000 °C aún tiene 57 % calor disponible. Sistemas CH₄/aire no son económicos para alta temperatura: a ~1300 °C, calor disponible apenas >30 %. Recuperación vía aire precalentado se usa para subir eficiencia.

Al aumentar O₂ en oxidante desde 21 % (aire), calor disponible sube rápido inicialmente — razón por la que enriquecimiento en O₂ es popular (ganancia incremental significativa). Eficiencia térmica CH₄/aire se duplica precalentando aire a ~1100 °C. Para CH₄/O₂, ganancia por precalentar O₂ es menor (eficiencia base ya ~70 %, masa de O₂ menos significativa). Hay riesgos de seguridad con O₂ caliente en tuberías, recuperadores, quemadores. Ahorro de combustible para una tecnología puede calcularse con curvas de calor disponible.

Volumen de gases de escape

Caudal de gases a través de cámara de combustión es proporcional a transferencia convectiva a la carga. Factores que influyen: temperatura de gases (mayor temp → mayor caudal real m³/h por expansión térmica; precalentar aire/combustible sube temp de llama y caudal real; pero caudal corregido a STP es igual). Composición del oxidante: influencia muy fuerte. Oxicombustión elimina N₂. Cambio mayor vs aire/combustible: reducción de volumen de gases de escape. Por unidad de volumen de combustible: 3 volúmenes normalizados para O₂/combustible vs 10,5 para aire/combustible. Reduce velocidad media de gas en cámara y convección a la carga (efecto negativo), pero reduce pérdidas por chimenea (positivo).

Propiedades de transporte de gases de escape

Propiedades de transporte de componentes gaseosos en cámara son clave para transferencia de calor y dinámica de fluidos. Dependen de temperatura y composición. Propiedades importantes varían con composición combustible/oxidante, relación de mezcla, precalentamiento de aire. Efecto de precalentamiento de combustible es mínimo. Composición y temperatura de gases necesarias para calcular radiación gaseosa no luminosa. Propiedades de transporte para coeficiente convectivo (número de Nusselt, Nu). Nu = f(Pr, Re). Coeficiente h = Nu·k/d (d dimensión característica, k conductividad térmica fluido). Propiedades necesarias para Nu, Pr, Re:

• Densidad: para Re y velocidad media de gas. Inversamente proporcional a temperatura absoluta. Disminuye rápido al aumentar O₂ en oxidante (mayor temp llama). Menor densidad → menor Re → menor convección (si todo lo demás igual). Pero caudal másico también baja, así que velocidad media no cambia mucho; impacto en convección por velocidad es mínimo. Densidad mínima en φ intermedios (temp adiabática equilibrio). Disminuye casi linealmente con precalentamiento aire (inverso a curva temp llama). No lineal con mezcla H₂/CH₄ (inverso a temp adiabática).
• Calor específico: para Pr. Aumento no lineal con temp escape (más rápido a altas temps). Aumenta casi linealmente con % O₂ en oxidante → mejora convección. Relación compleja con φ: aumento inicial, máximo local en estequiométrico, luego disminuye, meseta, vuelve a subir. En CH₄, sube rápido en φ altos. Procesos industriales operan en ligeramente pobre (relación más lineal). En mezclas H₂/CH₄, calor específico sube rápido a alto H₂ (similar a temp llama).
• Conductividad térmica: afecta Pr (relación inversa). ~√(temp absoluta). Aumento no lineal con temp (similar a calor específico). Aumenta rápido con % O₂ en oxidante (casi lineal, más rápido a bajos O₂). Relación compleja con φ: máximo local en estequiométrico. En H₂, máximo local = máximo global en amplio rango φ. En CH₄, sube rápido en muy rico (φ alto), superando máximo estequiométrico. Fenómeno similar en C₃H₈. En ligeramente pobre (típico industrial), cambio rápido en conductividad. Conductividad vs precalentamiento aire: aumenta ligeramente más que lineal. Vs H₂ en mezcla H₂/CH₄: aumenta mucho más rápido.
• Viscosidad: medida de difusión de momento. Relación similar a conductividad. Importante para Pr y Re (efectos opuestos: viscosidad ↑ → Pr ↑, Re ↓). Aumento casi lineal con temp escape. Aumenta con % O₂ en oxidante (similar a temp adiabática). Pico en φ=1 (estequiométrico), baja en rico/pobre. Aumenta con precalentamiento aire (comparable a temp llama). Aumenta con H₂ en mezcla H₂/CH₄ (más rápido a alto H₂).
• Número de Prandtl (Pr): para coeficiente convectivo. Componentes: calor específico, viscosidad, conductividad. Cambia con composiciones, φ, precalentamiento aire. Poco cambio con precalentamiento combustible. Pr disminuye con temperatura (no uniforme: moderado al principio, luego lento, rápido a altas temps). Relación altamente no lineal con composición oxidante: para CH₄ y C₃H₈, Pr baja rápido y se estabiliza a alto O₂; para H₂, mínimo en ~50 % O₂. Relación no lineal con φ: máximos y mínimos locales. Pr disminuye casi linealmente con precalentamiento aire. Pr disminuye al bajar H₂ en mezcla H₂/CH₄ (rápido a alto H₂).
• Número de Lewis (Le): difusividad térmica / difusividad molecular (masa). Importante para transferencia de calor en combustión. Le > 1 → mejoras en convección por recombinación química. Le = 1 para temps <1200 °C (según combustible), luego sube rápido. Le > 1 para todas composiciones oxidante en equilibrio adiabático. Pico en composiciones intermedias, baja a alto O₂. Pico dramático en estequiométrico, Le < 1 en φ altos. Aumenta casi linealmente con precalentamiento aire en equilibrio adiabático. Sube más rápido al aumentar H₂ en mezcla H₂/CH₄.

Transferencia de calor en un horno

Factores que afectan la transferencia de calor a la carga:

Flujo de calor dentro de la carga

En calentamiento eléctrico (resistencia o inducción), líneas de flujo se concentran bajo la superficie. En calentamiento por combustible, calor entra por superficie (radiación/convección) y difunde por conducción. Requiere diferencia de temperatura interna. Flujo estacionario en carga plana. En otras geometrías, líneas de flujo rara vez paralelas o estacionarias. Flujo transitorio: temperatura en punto y tiempo requiere método de elementos finitos. Aumentar temp horno (alto "cabezal térmico") o "calentamiento rápido" suele causar calentamiento no uniforme, requiriendo mayor tiempo de homogenización, a veces anulando el propósito.

Conductividad y difusión térmica

Gran variación en conductividad térmica de metales → afecta directamente flujo/difusión de calor y uniformidad de temperatura. Factor clave: difusividad térmica = conductividad / (calor específico × densidad). Numerador = tasa de flujo de calor a volumen unitario; denominador = calor absorbido por ese volumen. Mayor relación → calor se conduce, distribuye y absorbe mejor.

Conductividades y difusividades de sólidos varían mucho con temperatura. Calores específicos y densidades varían poco (excepto aceros en transición de fase). Conductividad de metales puros baja con temperatura; aleaciones generalmente suben.

Tiempo de rezago (Lag time)

Efecto de conductividad en flujo de calor y distribución interna (Fig 1): tres láminas mismo tamaño de aleaciones férricas calentadas por dos caras. Temp superficial sube rápido en todas, pero interiores suben distinto por difusividades. Tardan distinto en equilibrarse con temp horno.

Fig 1 Efecto de la conductividad térmica en el flujo de calor y la distribución interna de temperatura

Materiales calentados en hornos industriales no son necesariamente continuos: a menudo tiras enrolladas o piezas apiladas. Calor fluye entre piezas por pequeños puntos de contacto o espacios con gas (conductividad muy baja). Pila de placas = conductancia muy baja. Pequeños huecos de aire son mejores aislantes que metal sólido. Huecos diferenciales causan malas no uniformidades.

Flujo rápido en cada pieza apilada solo por circulación de gases calientes (convección y radiación gaseosa). Masas de gas deben reemplazarse constantemente (baja masa, bajo calor específico, capa delgada → se enfrían rápido sin entregar mucho calor). Para calentamiento uniforme y reproducible, evitar apilar piezas.

Transferencia de calor a la superficie de la carga

En hornos, calor se transfiere por tres modos: (i) conducción, (ii) convección, (iii) radiación. Esenciales para diseñadores/operadores. La mayoría usa combustión de combustibles. Combustión = cinética química rápida/grande → energía química a energía sensible (térmica). Aumentar área de mezcla combustible/oxidante o temp reactantes → reacciones más rápidas → mayor temp fuente. Reacciones exotérmicas → pueden volverse incontroladas (liberación térmica > evacuación por transferencia) → explosión.

Llama = región delgada de reacción exotérmica rápida. Ejemplo: llama Bunsen. Corriente laminar premezclada combustible/aire ignitada externamente → zona de reacción cónica (frente de llama). Turbulencia aumenta espesor y área de zona de reacción → mayor velocidad de combustión. Velocidad laminar gas natural ~18 m/min; turbulenta 2-10x más. En llama laminar, expansión térmica + reactividad aumentada por temp > aceleración a llama turbulenta. Excepto llamas luminosas largas, la mayoría industriales son turbulentas.

Transferencia de calor por conducción

Transferencia molécula a molécula de energía vibracional, usualmente en sólidos. Transferencia solo por conducción a carga es rara. Ocurre: metal frío sobre solera caliente; inmersión momentánea en baño de sal o metal líquido.

Dos sólidos en contacto perfecto (sin capa de óxido, aire, fluido): superficies de contacto asumen instantáneamente temp intermedia. Gradientes de temp inversamente proporcionales a conductividades (Fig 2).

Fig 2 Efecto de la conductividad y el tiempo en gradientes de temperatura en dos sólidos de diferente temperatura y conductividad, en contacto firme

Flujo de calor (tasa por unidad área) depende de temps, difusividades y configuraciones. En práctica, poca calor se transfiere por conducción, excepto flujo de calor de lingote a patines refrigerados por agua.

Inmersión repentina de metal frío en sal/metal líquido: líquido se solidifica en superficie → conducción sola. Muy breve, capa sólida se funde → luego conducción + convección.

Transferencia de calor por convección

Combinación de conducción y movimiento de fluido, transporta moléculas calientes/frías a otra superficie. Corriente gaseosa paralela a superficie sólida → transferencia energía vibracional.

Capa límite de fluido estancado, viscoso, mala conductividad se adhiere a superficie → manta aislante, reduce flujo calor. Calor cruza capa estancada por conducción. Aumentar velocidad corriente principal → adelgaza capa límite → aumenta coeficiente convectivo. Conductancia capa límite (coeficiente película) = función velocidad másica (momento, Re).

Hornos <600 °C: convección es principal (radiación débil). Quemadores alta velocidad (alto momento) dan altos coeficientes convectivos. Altas velocidades dan distribución temp más uniforme (pieza única o múltiples) — más flujo másico lleva calor sensible a temps moderadas. A bajas temps, altas tasas transferencia total solo con altas velocidades gas (radiación a 550 °C < 1/10 de 1200 °C). Quemadores alta velocidad usados donde radiación no llega por sombras.

Transferencia de calor por radiación

Radiación entre sólidos

Sólidos radian incluso a bajas temps. Flujo radiativo neto a receptor = diferencia entre radiación recibida de fuente y re-emitida por receptor a fuente. Flujo neto entre cuerpo caliente (fuente) y frío (receptor) = ecuaciones Stefan-Boltzmann.

Emisividad y absortividad son propiedades clave. Emisividad = calor radiante emitido por superficie, decimal de emisión máxima (cuerpo negro) por unidad tiempo/área. Emisividad aparente (emittance) considera rugosidad, ranuras (área aparente > real). Absortividad = calor absorbido por superficie, decimal de absorción máxima (cuerpo negro).

Ingenieros usan emisividad 0,85 en hornos refractarios convencionales. Pero temp, estado superficie, aleación marcan diferencia. Ej: tira acero inoxidable calentada <3 min en horno catenario: emisividad no cambia aunque temp suba de ambiente a 1100 °C. Midiendo temp superficie tira y horno, se revisan curvas de calentamiento asumiendo oxidación no cambió emisividad/absortividad.

Radiación de llamas claras y gases

Dos orígenes radiación POC → sólidos: (i) llama clara y gases, (ii) partículas microníticas de hollín en llama luminosa. Radiación gas claro no sigue ley cuarta potencia Stefan-Boltzmann. Solo gases triatómicos (≥3 átomos/molécula) emiten/absorben apreciablemente: CO₂, H₂O, SO₂. Excepción: CO diatómico (menos radiación). Otros diatómicos (O₂, N₂, aire, H₂) poder radiante despreciable.

Radiación gaseosa no sigue ley cuarta potencia (gases no radian en todas longitudes onda como sólidos/cuerpos grises). Cada gas radia en pocas bandas estrechas. Depende de: temp, presión parcial/% vol cada gas triatómico, espesor capa gas.

Temp gas radiante baja en dirección flujo. Para mantener radiación activa, gas debe renovarse continuamente con gas caliente nuevo → también mejora convección. Mayores velocidades alimentación gas reducen caída temp a lo largo camino. Factor crítico para uniformidad temp en hornos alta temperatura.

Hornos a menudo diseñados basados en radiación refractario → carga (resultados razonables), pero algunas situaciones no se explican solo por radiación refractario. Radiación directa gases horno entrega ~62 % (±2 %) calor a carga; refractarios ~38 % (±2 %). Temps gas necesarias para transferir calor a refractario y carga son generalmente mucho mayores que las asumidas.

Radiación de llamas luminosas

Si porción rica en combustible de mezcla aire/combustible se expone a calor (parte más caliente llama), moléculas combustible sin quemar polimerizan/cracking térmico → moléculas pesadas sólidas (hollín). Partículas brillan en caliente → luminosidad → aumenta capacidad radiante total llama.

Si combustible y aire no se mezclan bien al salir boquilla, pueden calentarse a temp donde hidrocarburos crackean (polimerizan). Calentamiento adicional lleva partículas a temp brillo. Al mezclarse O₂, arden. A lo largo llama, formación nuevo hollín = combustión previo. Más adelante, producción hollín disminuye, todo hollín incinerado. Procesos combustión mezcla retardada deben completarse antes que gases pasen a chimenea. Si llama aún luminosa en entrada chimenea, humo en salida. Humo = hollín enfriado (bajo temp ignición) antes de mezclarse con aire suficiente.

Capacidad radiante añadida de llamas luminosas las enfría más rápido que llamas claras → cumplen propósito (entregar calor). Enfriamiento puede anular parte de ganancia por mayor luminosidad (emisividad efectiva).

Llamas luminosas elegidas porque su mayor longitud (mezcla retardada) da distribución temp más uniforme en cámaras grandes. Con alto precalentamiento aire o oxicombustión, llamas luminosas permiten mayores tasas liberación calor.

Combustibles alto C/H₂ (aceites, sólidos) → más propensos a llamas luminosas. Combustibles bajo C/H₂ (gaseosos) pueden hacerse luminosos: (i) mezcla retardada, inyectar chorros aire/gas baja velocidad lado a lado; (ii) alta presión "dispara" núcleo alta velocidad combustible a través aire lento → aire no "alcanza" combustible hasta que este calentado (polimerizado) por delgada "manga" llama interfaz anular.

Llamas combustibles sólidos pueden contener cenizas brillantes → luminosidad. Líquidos/gaseosos: luminosidad por partículas C y hollín brillantes. Emisividad efectiva llama (medida) entre gases POC y máx 0,95 (según área total partículas). Normalmente transferencia calor llama luminosa > llama clara misma temp. Diferencia notable en hornos recalentamiento aceros/metales. Diferencia más pronunciada a alta temp: poder radiante cada molécula triatómica aumenta, pero ganancia parcialmente cancelada por densidad decreciente moléculas radiantes por unidad volumen.

Otro fenómeno: bandas radiación gaseosa mantienen longitudes onda independientemente de temp. A temps altas, zona alta intensidad radiación sólida (hollín/C brillantes) se desplaza a longitudes onda más cortas (alejándose bandas gas). En regímenes alta temp, radiación gases claros no aumenta tan rápido como radiación llamas luminosas.

Radiación llama = función muchas variables: relación C/H₂ combustible, relación aire/combustible, temps aire/combustible, mezcla/atomización combustible, espesor llama. Algunas cambian con distancia al quemador. Combustibles alto C/H₂ (aceites) → más hollín → usualmente llamas luminosas (azules posibles con aceites ligeros). Gases bajo C/H₂ → claras/azules. Difícil quemar alquitrán sin luminosidad. Igual de difícil llama visible con gas alto horno o H₂.

Comparando luminosas vs no luminosas: (i) radiación hollín (luminosa) termina donde llama visible (hollín incinerado en superficie externa llama, al encontrar aire secundario/terciario); (ii) radiación gas (no luminosa) ocurre dentro y fuera envolvente llama visible → mayor uniformidad/cobertura, aunque radiación gas dentro llama algo sombreada por hollín/gases triatómicos circundantes, y fuera llama puede ser gases más fríos.

Efecto exceso combustible en radiación llama >> efecto menos exceso aire. Méritos/demeritos llamas claras vs luminosas largas debatidos años. Quemadores modificados y esquemas control ayudan a usar lo mejor de ambos. Problema común: cambio característica llama al reducir entrada quemador. Problemas quemadores llama clara: (i) movimiento joroba perfil temp más cerca pared quemador al reducir fuego; (ii) a tasas bajas, temp cae más abruptamente a mayor distancia pared (ej: quemador 50 % capacidad → pico temp en/cerca pared, cae lejos. A tasas menores, caída peor. A tasas mayores, temp pared quemador baja al moverse pico lejos. En hornos recalentamiento acero a fuego máx, diff temp pared-pico = 150 °C).

Problema pico temp pared lejana en fuego alto agravado por espolón gases horno en base llama, retrasando mezcla combustible/O₂. Al aumentar fuego, espolón productos combustión completa aumenta exponencialmente. Problemas resultantes muchos. Disparo lateral horno a fuego bajo: pico temp en pared quemador; a fuego máx, pico en centro u opuesta. Ubicación único sensor control temp nunca correcta. Sensor en pared quemador: fuego bajo → pico abraza pared → quemador a bajo fuego → resto horno input inadecuado. Fuego alto: sensor pared frío mientras temp lejos muy alta → posible escala líquida superficies carga centro/pared lejana. Operadores inexpertos bajan setpoint → reducen capacidad horno.

Otro ejemplo: zona fondo horno recalentamiento acero disparo longitudinal contracorriente movimiento carga, sensor control 3-6 m de pared quemador (disparo extremo). Fuego bajo, zona 1300 °C → pared quemador >1370 °C → escala funde/gotea fondo → luego solidifica gran pieza. Fuego alto: pico temp puede moverse más allá sensor → funde escala distancia hacia carga. Operadores bajan setpoint → reducen capacidad.

Control requiere sensor temp adicional por zona y medio para cambiar característica mezcla quemador según mediciones. Quemadores con giro (swirl) ajustable previenen gran parte, especialmente con chorro gas/aire bajo fuego hacia adelante por centro quemador (típico 5 % flujo máx gas/aire).

Llamas luminosas largas (laminares o turbulentas) tienen mucho menos joroba temp y no cambian longitud tan rápido al reducir input. Son buenos "niveladores", dan mejor uniformidad temp.

Info sobre radiación hollín en llama y radiación gases triatómicos conocida tiempo, pero desarrollos recientes cambian panorama. Uso oxicombustible (100 % O₂) → elevan turndown llama. Ganancia principal oxicombustible: radiación más intensa por mayor concentración gases triatómicos (eliminación N₂ de POC). También reduce masa gas lleva calor chimenea (reduce pérdida chimenea). Otro desarrollo: algunas llamas gas premezclado pobre (diseñadas bajas emisiones NOx) crean campo llama ubicuo (aparentemente transparente) gran parte cámara.