https://doi.org/10.22463/2011642X.2328
Recibido: 15 de agosto de 2019 - Aprobado: 25 de octubre de 2019
Como citar:
A. Cardona, C. Echeverry, J. Zapata, J. Jaramillo, C. Arrieta & A. Amell, “Cálculo de propiedades de combustion y análisis de estabilidad de llama para el gas límite 65%CH4 + 35%H2”, Revista Ingenio,17 (1), pp.1-8, 2020.
La demanda de energía mundial potencia los beneficios ambientales y operacionales del gas natural como alternativa energética, por su composición, principalmente metano (CH4), presenta bajas emisiones contaminantes y beneficios en sistemas energéticos y combustión; de ahí que se busquen mezclas de gas natural con otros combustibles, como hidrógeno (H2), para potenciar aún más sus propiedades. En el presente trabajo se determinaron numérica y experimentalmente algunas propiedades para la mezcla 65 % CH4 + 35 % H2 a condiciones atmosféricas de la ciudad de Medellín, Colombia, propiedades relacionadas con la estructura, estabilidad de la llama, y autoignición. Simulaciones numéricas y mediciones experimentales de la velocidad de deflagración laminar se realizaron para dosados entre 0.9 y 1.4. En general la velocidad de deflagración laminar se ajusta de buena forma a los resultados numéricos, el valor máximo de la velocidad de deflagración corresponde a un valor de 51.38 cm/s para un dosado de 1.1. Para un dosado de 0.75 se presentan inestabilidades de llama. Adicionalmente, se encontró que el rango optimo de operación del quemador operando con este gas límite es en el rango de dosados relativo entre 0.9≤ ɸ≤1.4.
Palabras clave:Emisiones contaminantes, Inestabilidades de llama, Velocidad de deflagración laminar, Tiempo de retraso a la ignición.
The world energy demand enhances the environmental and operational benefits of natural gas as an energy alternative, due to its composition, mainly methane, it presents low contaminant emissions and benefits in energy systems and combustion; hence, mixtures of natural gas with other fuels, such as hydrogen, are sought to further enhance its properties. In the present work some properties were determined numerically and experimentally for 65% CH4 + 35% H2 mixture for atmospheric conditions of Medellín, Colombia, properties related to the structure, stability of the flame, and autoignition. Numerical simulations and experimental measurements of laminar burning velocity were performed for equivalence ratios between 0.9 and 1.4. In general, good agreement is observed for laminar burning velocity and numerical results, the maximum laminar burning velocity value corresponds to 51.38 cm/s for an equivalence ratio of 1.1. For an equivalence ratio of 0.75 intrinsic instabilities were observed. Furthermore, we found that the optimal operation range of the burner operating by the limit gas studied is between 0.9≤ ɸ≤1.4.
Keywords:Contaminant emissions,Intrinsic instabilities, Laminar burning velocity,Ignition delay time.
Para las simulaciones se utilizó la subrutina Premix del software Chemkin Pro [5], en la cual se resuelven las ecuaciones de conservación de masa, de especies y de energía para estimar la velocidad de deflagración laminar mediante el uso de mecanismos cinéticos detallados de tal manera que se obtengan resultados precisos. Los mecanismos reaccionales detallados que se utilizaron fueron: el Gri Mech 3.0 [6], el cual posee 325 reacciones elementales y 53 especies, mecanismo que ha sido optimizado para reproducir la cinética química del metano; el mecanismo USC Mech II [7] que tiene 784 reacciones elementales y 111 especies, utilizado para predecir la cinética química de mezclas combustibles de H2/CO/C1-C4.
Para realizar la simulación se supone que se tiene una llama unidimensional, adiabática y estacionaria. La malla que corresponde al frente de llama está compuesta por un número máximo de puntos o nodos que debe tener la malla en la solución final debe ser de alrededor de 1000 para que la temperatura de los productos concuerde con la temperatura de llama adiabática. El valor de 1200 se pone en caso de que los valores de GRAD y CURV entrados sea tan bajo que la solución requiera de más de 1200 puntos para satisfacer los valores de GRAD y CURV entrados. Sin embargo, como se sabe que una solución con 1000 puntos es lo suficientemente precisa, el programa parará la simulación a 1200 puntos y mostrará la solución correspondiente a dicho número de puntos, a pesar de que la malla no satisfaga los valores de GRAD y CURV.
2.2 Espesor de llama laminar térmicoEn la ecuación anterior δ_T es el espesor del frente de llama térmico, Tb es la temperatura de llama adiabática de la mezcla, T_u es la temperatura de entrada de la premezcla y (dT/dx)max es el gradiente de temperatura máximo en el perfil de temperatura.
2.3 Inestabilidades de llamaPara determinar si una llama es inestable o no se verifica que el número de onda crítico (kc=2×π/λc) sea menor que el número de onda de la llama asumiendo que λ≈δT. El cálculo analítico se hizo mediante la ecuación 2, ecuación 3, y ecuación 4:
En donde σ es la tasa de crecimiento de las inestabilidades, s_L es la velocidad de deflagración laminar, Dth es la difusividad térmica, ε es la relación entre la densidad de los gases quemados y los gases no quemados y k es el número de onda, Ze es el número de Zeldovich, y Ω0, Ω1, ξ son constantes del modelo. El primer término de la ecuación 2 proporciona información sobre las inestabilidades hidrodinámicas y su valor es siempre positivo, mientras que el segundo término proporciona información sobre los efectos termo-difusivos; y el último es un término de la relajación temperatura propuesto por Yuan et al. [10].
2.4 Tiempo de retraso a la igniciónEl tiempo de retraso a la ignición se calculó numéricamente utilizando la subrutina Aurora del software comercial Chemkin Pro. Esta subrutina considera un reactor perfectamente agitado, adiabático, sin entradas y sin salidas. Se asume que es 0-D y que la turbulencia es tan fuerte que no existen gradientes dentro del reactor por lo que los términos difusivos en las ecuaciones de transporte se hacen cero quedando sólo los términos transitorios y de generación de energía.
3. Montaje experimentalEste resultado indica que no se presentarían problemas de operación con respecto a la resistencia de los materiales a estas temperaturas y la formación de NOX térmico por medio del mecanismo de Zeldovich. Por lo tanto, la mezcla en estudio es viable ambientalmente ya que alcanza temperaturas muy cercanas al caso en que se utilice metano puro.
En la Figura 3 se observa que los resultados experimentales tienen un ajuste aceptable con los resultados numéricos con el Gri Mech 3.0, mientras que con el USC Mech II se aprecia que el mecanismo subestima sL. Por lo tanto, para estimar y analizar numéricamente s_L es aconsejable utilizar el mecanismo Gri Mech 3.0.
Por otro lado, se puede apreciar que la adición del 35% H2 al CH4 tiene un efecto significativo en sL, lo cual se aprecia en la Figura 3 en donde se grafican los resultados de velocidad de deflagración laminar del metano medidos por Cardona [19] a las mismas condiciones del 65%CH4-35%H2. Debido a que el H2 tiene una velocidad de deflagración laminar mucho mayor que la del CH4, las adiciones del primer gas al segundo aumenta la velocidad de deflagración, pero predomina el efecto del metano, lo cual tiene coherencia con investigaciones previas como la realizada por Disarli y Benedetto [20] en la que se establecen 3 zonas: (1) zona en la que la combustión es dominada por el metano (0≤H2≤0.5), (2) zona de transición (0.5≤H2≤0.9) y (3) zona en la que el hidrógeno domina la combustión inhibiendo al metano. En las zonas (1) y (3) la velocidad de deflagración laminar aumenta linealmente con el aumento del contenido de H2.
En el rango de dosados entre 0.4 y 0.8 no se pudo obtener datos experimentales debido a que la llama no encendía y en algunos casos (ɸ = 0.75) se daba la presencia de inestabilidades intrínsecas o la llama no era estacionaria (ɸ = 0.75), por lo que solo se obtuvieron resultados experimentales para dosados entre 0.9≤ ɸ≤1.4. Estos resultados son muy importantes ya que nos dan una idea del rango de dosados de operación del quemador, estos datos de operación se deben tener en cuenta a la hora de diseñar el quemador, para tener un buen funcionamiento desde la combustión y las emisiones contaminantes. En la Figura 12 se ilustra la tasa de crecimiento de la mezcla en estudio para el dosado relativo en donde se presentaron inestabilidades intrínsecas de acuerdo con la Ecuación 6, en donde la máxima tasa (44.26 s-1) corresponde a un número de onda de 810 m-1. Este número de onda corresponde al número de onda crítico y si se asume que el espesor de llama laminar térmico es aproximadamente igual a la longitud de onda de la llama, entonces se tiene que el espesor de llama laminar térmico crítico es:
Al comparar el espesor térmico de llama crítico con el espesor térmico de llama de la premezcla para ɸ = 0.75 (δT=0.00057 m) se observa que δT_c>δT. Esto indica que hay inestabilidad de llama, dado que cuando se tienen espesores grandes las llamas tienden a ser más estables en comparación a los espesores de llama pequeños. Para el caso de estudio se tiene un espesor de llama menor al espesor crítico, dando lugar a las tasas de crecimiento más altas y por lo tanto, un espesor menor también es inestable.
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*Magister en Ingeniería, Ingeniero Mecánico. Correo: arleycardona5670@correo.itm.edu.co
** Magister en Ingeniería, Ingeniero Mecánico. Correo: camilo.echeverriu@udea.edu.co
*** Magister en Ingeniería, Ingeniero Mecánico Correo: jaimef.zapata@udea.edu.co
**** Magister en Ingeniería, Ingeniero Mecánico. Correo: jonathan.jaramilloal@campusucc.edu.co
***** Doctor en Ingeniería Ambiental, Magister en Ingeniería, Ingeniero Mecánico. Correo: carrieta@udem.edu.co
****** Magister en Economía de la Energía y Recursos Naturales, Ingeniero Mecánico. Correo: anamell@udea.edu.co