Las mediciones por radar pueden mejorar enormemente la tecnología de lecho fluidizado, clave para la industria energética

Investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers han desarrollado una técnica de radar de alta frecuencia que permite medir el comportamiento de las partículas en lechos fluidizados con una precisión inigualable. El transmisor y el receptor de radar pueden convertir frecuencias bajas en frecuencias extremadamente altas de hasta 340 GHz. A continuación, la señal se transmite a través de la antena de bocina y utiliza un espejo de oro, una parábola fuera del eje, para redirigir el haz hacia el lecho fluidizado, lo que permite realizar mediciones muy precisas con alta resolución en el espacio y el tiempo.

Los lechos fluidizados son una tecnología utilizada en diversas industrias y desempeñan un papel importante en la transición hacia la energía verde y la producción de alimentos y fármacos. Sin embargo, el proceso que tiene lugar dentro de un lecho fluidizado es extremadamente complejo y, debido a la falta de técnicas de medición eficaces, ha permanecido en gran parte desconocido.

Ahora, investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers (Suecia) han desarrollado una técnica de radar de alta frecuencia que permite medir exactamente lo que ocurre en el interior de un lecho fluidizado con una precisión inigualable. Este avance podría conducir a procesos completamente nuevos y más eficientes en varias industrias, incluida la conversión de energía.

En centrales térmicas

La combustión en lecho fluidizado es una de las principales tecnologías utilizadas en las centrales térmicas del mundo. Esta tecnología convierte combustibles sólidos, como la biomasa y los residuos, en calefacción urbana y electricidad. La tecnología de fluidización también es fundamental para muchos otros procesos que se espera que desempeñen un papel importante a escala mundial en la transición de los sistemas energéticos y en los flujos circulares de recursos, como en la captura de carbono, el almacenamiento de energía y la producción de hidrógeno y otros combustibles no fósiles*.

Investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers han desarrollado ahora una técnica de radar capaz de proporcionar una caracterización detallada del flujo de sólidos en lechos fluidizados, cuya carencia ha venido frenando el desarrollo de estos procesos.

Los lechos fluidizados son ya la tecnología más eficaz para convertir biocombustibles sólidos en energía. Esta tecnología da lugar a una tasa de combustión eficiente y constante porque las partículas sólidas adoptan un estado similar al líquido que ayuda a distribuir el calor de forma homogénea en la cámara de combustión. En resumen, la tecnología de fluidización se basa en el soplado de un gas a través de un lecho de pequeñas partículas similares a la arena en un reactor, de modo que estas partículas sólidas, el combustible y el gas se mezclan a fondo.

Como una tormenta de arena y un incendio forestal en uno

Para conseguir una eficacia aún mayor en este proceso, hay que ser capaz de entender y controlar cómo se comportan las partículas sólidas en la mezcla. Pero el entorno del reactor suele ser caliente, sucio y corrosivo -como una tormenta de arena y un incendio forestal en uno-, lo que impide cualquier tipo de medición y limita nuestra comprensión de lo que ocurre realmente en el interior del reactor.

La nueva solución de los investigadores de Chalmers a este problema es una técnica de radar de frecuencia extremadamente alta que puede medir los flujos de partículas sólidas en lechos fluidizados con una precisión sin igual. Inspirada en el radar de pulso-Doppler utilizado para seguir fenómenos meteorológicos como la lluvia o la nieve, es la primera vez que la técnica se demuestra en el contexto de un lecho fluidizado. Se espera que este avance abra el camino a procesos nuevos y más eficaces en diversas industrias.

"El uso del radar de terahercios de alta frecuencia demostrado en nuestro estudio puede revolucionar el diseño y el uso de la tecnología de lecho fluidizado en numerosos sectores industriales, desde la conversión de energía hasta la industria alimentaria y la producción de fármacos. Se trata de una de las pocas demostraciones del uso de la técnica de radar de pulso-Doppler a frecuencias de onda submilimétricas, y es la primera vez que se utiliza para realizar mediciones en un lecho fluidizado", afirma Diana Carolina Guío Pérez, investigadora en tecnología energética de Chalmers.

Precisión de medición inigualable

Mientras que las técnicas de medición utilizadas en lechos fluidizados son normalmente de baja resolución, producen resultados difíciles de interpretar o provocan perturbaciones en el flujo, la técnica de radar de terahercios de alta frecuencia de los investigadores de Chalmers puede penetrar en el reactor desde el exterior y medir el comportamiento de las partículas en su interior sin perturbar el flujo.

La técnica del radar también puede medir simultáneamente la velocidad y la concentración de las partículas sólidas con gran precisión y alta resolución en el tiempo y el espacio. Esto significa que se pueden detectar en tiempo real incluso cambios mínimos en el flujo, lo cual es importante a la hora de supervisar y controlar procesos industriales.

En el estudio de los investigadores, la técnica se demostró en la práctica, por primera vez, en una caldera de lecho fluidizado circulante de tres metros de altura. Sus resultados demostraron que la calidad de las mediciones superaba con creces la de los métodos utilizados hasta entonces.

"Hemos podido demostrar que la técnica del radar de pulso-Doppler a frecuencias de hasta 340 GHz puede medir tanto la distribución de las partículas como su velocidad en el interior de un reactor de proceso con una resolución muy superior a la de otras tecnologías. Se trata de una información de la que se ha carecido durante mucho tiempo en este campo y que permitirá mejorar y ampliar los reactores de proceso y, en el caso de la conversión de energía, reducir las emisiones de productos residuales no deseados", afirma Marlene Bonmann, posdoctoranda del Laboratorio de Terahercios y Ondas Milimétricas de la Universidad Tecnológica de Chalmers.

"Los conocimientos que pueden adquirirse con nuestra técnica de radar de terahercios de alta frecuencia tienen el potencial de abrir nuevos caminos en nuestra comprensión de los flujos de sólidos en reactores de lecho fluidizado y otras unidades de manipulación de sólidos. Por ejemplo, puede conducir a mejorar el funcionamiento y el diseño de los reactores necesarios en los procesos de conversión basados en lecho fluidizado existentes y completamente nuevos, como la captura y el almacenamiento de carbono, el almacenamiento de energía y los ciclos térmicos", afirma Diana Carolina Guío Pérez.