Investigación experimental de llamas por difusión con diferentes diámetros de orificios de la placa deflectora

Por qué importan los agujeros pequeños en los quemadores

Desde calefactores domésticos hasta centrales eléctricas y motores de embarcaciones, muchos dispositivos queman gas para generar calor. Este estudio examina un detalle sorprendentemente simple que puede afectar de forma notable la limpieza y la eficiencia de esa combustión: el tamaño de los pequeños orificios de aire en una placa metálica dentro del quemador, llamada placa deflectora. Al cambiar únicamente el diámetro de estos orificios manteniendo constante el suministro de combustible, los investigadores muestran cómo varían la forma de la llama, la temperatura, la contaminación y la eficiencia: conocimientos que pueden ayudar a diseñar aparatos a gas más seguros y eficientes.

Una mirada más cercana a una llama de gas común

El equipo se centró en las “llamas por difusión”, el tipo de llama en el que el combustible y el aire se encuentran y mezclan durante la combustión, en lugar de estar completamente mezclados de antemano. Las llamas por difusión son frecuentes en la industria porque tienden a ser estables y fiables, pero a menudo desperdician más combustible y emiten más contaminantes que las llamas bien mezcladas. Aquí, el combustible fue Gas Licuado de Petróleo (GLP), una mezcla habitual de butano y propano. Los investigadores construyeron una cámara de ensayo metálica —un simple combustor cilíndrico— y colocaron una placa deflectora plana con ocho orificios circulares justo corriente arriba del punto de inyección del gas. Al probar cinco diámetros de orificio distintos, de 8 a 15 milímetros, y cuatro relaciones aire–combustible, pudieron observar de manera controlada cómo esa única característica geométrica modifica el comportamiento completo de la llama.

Cómo se realizó el experimento

El aire se impulsó hacia la cámara mediante un soplador y se dosificó con precisión; el GLP se alimentó desde un cilindro presurizado a través de una boquilla central. El flujo total de combustible se mantuvo constante para que la entrada de calor permaneciera en 32 kilovatios, similar a un quemador industrial de tamaño medio, mientras que el flujo de aire se ajustó para alcanzar distintas relaciones aire–combustible. El equipo midió la estabilidad de la llama —qué tan fácilmente se enciende o se apaga la llama— así como mapas de temperatura dentro del combustor, temperaturas máximas de la llama, longitud de la llama y las cantidades de oxígeno, dióxido de carbono, monóxido de carbono y óxido nítrico en los gases de escape. También siguieron hacia dónde se dirigía el calor: al agua de refrigeración, con los gases calientes, o perdido a través de las paredes metálicas, para poder calcular la eficiencia global de la combustión.

Qué hace al cambiar el tamaño del orificio a la llama

El tamaño del orificio resultó ser una perilla de control poderosa. Los orificios más grandes redujeron la velocidad de los chorros de aire entrantes y ampliaron el rango de condiciones en el que se podía mantener una llama estable, proporcionando una “ventana de estabilidad” más amplia. Sin embargo, esos mismos orificios grandes desplazaron la región más caliente más cerca de la placa deflectora y redujeron tanto las temperaturas máximas de la llama como la longitud visible de la misma. Los orificios más pequeños produjeron chorros de aire más rápidos que mezclaron el combustible y el aire con mayor vigor en el centro de la cámara, elevando las temperaturas máximas de la llama y alargando la llama aguas abajo, pero a costa de un rango de operación seguro más estrecho. Los investigadores capturaron estas tendencias en una ecuación simple que predice la longitud de la llama a partir de la relación aire–combustible y el diámetro del orificio, coincidiendo con sus mediciones en aproximadamente un 2,5 por ciento.

Compensaciones entre contaminación y eficiencia

Los gases en el escape contaron una historia similar de compensaciones. Los orificios más grandes, que enfriaban la llama, tendieron a reducir el óxido nítrico (NO), un contaminante sensible a la temperatura que contribuye al smog, pero aumentaron los niveles de dióxido de carbono y monóxido de carbono a lo largo de la llama. Los orificios más pequeños, con llamas más calientes y vigorosas, produjeron más NO pero permitieron que el monóxido de carbono se oxidara más completamente. Cuando el equipo combinó todos los flujos de calor en un único valor de eficiencia de combustión, encontraron que la eficiencia disminuía de forma notable al aumentar el diámetro del orificio. Por ejemplo, aumentar el tamaño del orificio de 10 a 15 milímetros redujo la eficiencia en aproximadamente un 10 a 11 por ciento en algunas condiciones aire–combustible, en gran parte porque más calor se perdía con los gases o a las paredes en lugar de ser capturado de forma útil.

Qué significa esto para los quemadores reales

Para un público general, el mensaje principal es que decisiones de diseño diminutas en el interior de los quemadores —como el diámetro de los orificios de aire en una placa metálica simple— pueden inclinar la balanza entre estabilidad, eficiencia y emisiones. Los orificios más pequeños pueden extraer más calor útil de la misma cantidad de GLP pero exigen un control más estricto para evitar problemas con la llama y pueden aumentar algunos contaminantes; los orificios más grandes hacen la llama más tolerante pero desperdician más combustible y calor. Las mediciones detalladas y la regla de diseño simple desarrolladas en este trabajo ofrecen a los ingenieros una guía práctica para ajustar el hardware del quemador a objetivos específicos, ya sea máxima eficiencia, menores emisiones u operación robusta en sistemas de calefacción y generación compactos.

Cita: Mohammed, E.S., Gad, H.M., Ibrahim, I.A. et al. Experimental investigation of diffusion flames with different baffle-plate air-hole diameters. Sci Rep 16, 7479 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38141-2

Palabras clave: Combustión de GLP, llamas por difusión, placa deflectora, eficiencia del quemador, estabilidad de la llama