Modelamiento de la transferencia de calor en barreras térmicas en función de la porosidad

Abstract

Los recubrimientos de barrera térmica son ampliamente aplicados para proteger los elementos metálicos ubicados en la ruta de gases calientes de las turbinas a gas que se usan para la termogeneración eléctrica. Estos gases pueden alcanzar temperaturas superiores al punto de fusión de los componentes metálicos, por lo tanto, es necesario proteger térmicamente estas piezas con recubrimientos aislantes de tal manera que se conserve su forma y propiedades físicas. Los recubrimientos de barrera térmica (TBC) fueron diseñados para disminuir el gradiente de temperatura entre los sustratos y los gases calientes de la combustión. Los TBC son sistemas multicapa conformados por una capa intermetálica que es depositada sobre el metal base y además de servir como anclaje mecánico, protege al metal de la oxidación. La segunda capa es cerámica, su principal característica es proporcionar aislamiento térmico debido a su baja conductividad térmica. Este trabajo se enfocó en el estudio de la conductividad térmica en función de la porosidad, primero en sistemas asignados aleatorios con un simulador y posteriormente en porosidades reales obtenidas por técnicas de aplicación como APS y ASPS. Se implementó un modelo de transeferencia de calor que incluyó la porosidad en el tensor de conductividad térmica y de esta manera fue posible evaluar la influencia de parámetros como distribución, cantidad y orientación de la porosidad en la conductividad térmica y los campos de temperatura. La capa cerámica fue modelada como una suspensión de una fase porosa dentro de una fase sólida. En la fase porosa se omitió la transferencia de calor por convección y solo se consideró transferencia de calor por conducción, tanto para la fase sólida como para la fase porosa. Además se suposo que en la intercara de estas dos fases hay un contacto perfecto, por lo tanto no existe resistencia. Se desarrollaron varios experimentos para estudiar el comportamiento de la conductividad térmica en función de la distribución y cantidad de porosidad, de esto se pudo determinar cual distribución de porosidad era más aislante de calor en función de los parámetros establecidos. De imágenes reales de YSZ depositada por APS y ASPS se pudo evaluar y obtener valores de conductividad térmica y temperatura en función de la distribución y forma de la porosidad. Finalmente se estudió como puede influenciar en el aislamiento térmico un daño superficial en la TBC.

Abstract: Thermal barrier coatings are widely applied to protect metal elements located in the hot gas path of gas turbines used for electrical thermogeneration. These gases may reach temperatures higher than the melting point of the metal components, therefore it is necessary to thermally protect these parts with insulating coatings in such a way as to preserve their shape and physical properties. Thermal barrier coatings (TBC) were designed to decrease the temperature gradient between the substrates and the hot combustion gases. TBCs are multilayer systems formed by an intermetallic layer that is deposited on the base metal and besides serving as mechanical anchorage, it protects the metal from oxidation. The second layer is ceramic, its main feature is to provide thermal insulation due to its low thermal conductivity. This work focused on the study of thermal conductivity as a function of porosity, first in randomized systems with a simulator and later in real porosities obtained by application techniques such as APS and ASPS. It was implemented a heat transfer model that included the porosity in the thermal conductivity tensor and in this way it was possible to evaluate the influence of parameters such as distribution, quantity and orientation of the porosity in the thermal conductivity and the temperature fields. The ceramic layer was modeled as a suspension of a porous phase within a solid phase. In the porous phase, the convective heat transfer was omitted and only conduction heat transfer was considered, both for the solid phase and for the porous phase. In addition, it was assumed that in the interface of these two phases there is a perfect contact, therefore there is no resistance. Several experiments were developed to study the behaviour of the thermal conductivity as a function of the distribution and quantity of porosity, from which it was possible to determine which distribution of porosity was more heat insulating in function of the established parameters. Actual YSZ images deposited by APS and ASPS could be evaluated and obtained values of thermal conductivity and temperature depending on the distribution and shape of the porosity. Finally, it was studied how it can influence in the thermal insulation a superficial damage in the TBC.