UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES Combustibles y Combustión Master de la Ingeniería de la Energía 2011 8- Introducción a los frentes reactivos. (2 h) 9- Llamas premezcladas laminares y turbulentas. (5 h) 10- Llamas de difusión laminares y turbulentas. (4 h) Prof: Antonio Crespo Martinez antonio.crespo@upm.es Jaime Carpio Huertas jaime.carpio@upm.es 1 Definiciones Combustión: Reacción química entre el oxígeno y un material oxidable, acompañada de desprendimiento de calor y que habitualmente se manifiesta por incandescencia o llama. R.A.E. (2004) Llama: Masa gaseosa en combustión, que se eleva de los cuerpos que arden y despide luz de varios colores. Calor: Energía que pasa de un cuerpo a otro y es causa de que se equilibren sus temperaturas. 2 Definiciones • La reacción de combustión no se produce en todos y cada uno de los puntos del sistemas simultáneamente y de la misma forma. Existe una zona reactiva. • La zona reactiva (donde se sitúa la llama) se produce donde hay reactivos y es muy sensible a la temperatura. gr de O2 r = gr de F esteq F + rO2 → (1 + r ) P Ea ω ( moli / m s ) = BC C exp − 0 RT 3 n F m O2 . 3 Definiciones • Llamas de premezcla: - Combustible y oxidante están mezclados antes de la combustión. - Existe un frente reactivo que se desplaza cF(m/s) - Existen dos tipos de frentes: - Deflagraciones (cF=0.5 m/s) - Detonaciones (llama + onda de choque) (cF=2500m/s) • Llamas de difusión: - Combustible y oxidante se mezclan durante la combustión. - No hay frente reactivo y por tanto no existe velocidad de llama. - Los reactantes llegan en direcciones opuestas. • Hay situaciones intermedias entre las dos anteriores. 4 Esquema de llama de premezcla • Llama propagándose en un tubo: 5 Esquema de llama de premezcla • Mechero Bunsen: 6 Esquema de llama de premezcla • Motores de gasolina: En los motores de combustión interna alternativos de gasolina se produce este tipo de combustión, el frente de llama es esférico y avanza hacia la zona de mezcla fresca (sin reaccionar) dejando detrás los productos de la combustión. 7 Esquema de llama de difusión En una llama de difusión, la combustion tiene luegar en una zona muy delgada, donde el combustible se encuentra con el oxigeno en la proporción estequiométrica. En el interior de la llama solamente existe combustible inquemado, mientras que en el exterior solamente existe el aire. 8 Esquema de llama de difusión • • • • • • • • • Velas Cerillas Estufas Hornos Calderas Motores Diesel Calderas de fuel-oil Combustión de madera Combustión de carbón 9 Esquema de llama de difusión Turbulentas 10 Situaciones intermedias: Llama triple 11 Situaciones intermedias: Mechero Bunsen con mezcla rica 12 Situaciones intermedias Diferentes tipos de llamas de un mechero Bunsen dependiendo del oxigeno suministrado. A la izquierda (1) una corriente rica en combustible sin premezclar con oxigeno produce una llama amarilla de difusión (fruto del hollín). A la derecha (4) una corriente pobre premezclada produce una llama azul (sin hollín). Llama de difusión azul en microgravedad donde no se produce hollín. 13 LLAMAS PREMEZCLADAS Frentes reactivos 14 Frentes reactivos • Las ecuaciones de conservación son más fáciles de aplicar al frente fijo estacionario cF=c1 (velocidad de la llama). • Hipótesis del modelo: - Modelo unidimensional con frente plano estacionario. - Mezclas homogeneas con velocidades uniformes. - Mezcla de gases ideales. - Fuerzas másicas despreciables. - Proceso adibático. 15 Frentes reactivos: Ec. de conservación Las ec. de conservación permitirán obtener las propiedades termodinámicas de la mezcla quemada (2) a partir de las propiedades de la mezcla fresca (1). ρ , p, h son respectivamente la densidad, presión y entalpía sensible Flujo másico por ρ1c1 = ρ2 c2 = m& (1) Conservación de masa: Conservación de cantidad de movimiento: Conservación de la energía unidad de área p1 + ρ 1 c12 = p 2 + ρ 2 c 22 (2) c12 c22 h1 + + qR = h2 + 2 2 (3) Calor de reacción por unidad de masa de premezcla 16 Frentes reactivos: Recta de Rayleigh Completando estas ecuaciones con la expresión que relaciona h = h( ρ , p) en un gas perfecto, donde γ = c p / cv es el cociente de los calores específicos: cp p γ p = h = c pT = R ρ γ −1 ρ (4) Se tienen 3 ecuaciones para 4 incógnitas ( ρ 2 , p 2 , c 2 , c1 ) Combinando las ecs (1) y (2) se tiene el flujo másico específico, recta de Rayleigh (5): − m& 2 = p 2 − p1 1 1 − ρ 2 ρ (5 ) 1 O el salto de presiones a través de la llama (6) ∆p = p2 − p1 = m& (c1 − c2 ) ( 6) 17 Frentes reactivos : Relación de Hugoniot La relación de Hugoniot se obtiene de la ecuación de la energía (3), sustituyendo en ella (1), (2) y (4) 1 γ p2 p1 1 1 − − ( p2 − p1 ) + = qR (7) γ − 1 ρ 2 ρ1 2 ρ1 ρ 2 Lugar de los puntos comunes detrás de la llama para un valor dado delante. Se varía la velocidad de la llama ( p2, ρ 2 ) = f ( p1, ρ1 ) 18 Frentes reactivos: Relación de Hugoniot Región EA detonaciones: Región EC (I) detonación fuerte. Región CA(II) detonación debil. Región BF deflagraciones: Región BJ (III) deflagración débil. Región JF (IV) deflagración fuerte. Región AB (V) solución imposible m &2 <0 Los puntos C (Chapman) y J (Jouquet) que marcan el carácter de las ondas corresponden a los puntos de tangencia de las rectas trazadas desde la posición 1 antes de la llama. 19 Frentes reactivos: Relación de Hugoniot DETONACIONES: Región EA Aumentan la presión y densidad y disminuyen la velocidad relativa a través de la onda: ρ1c1 = ρ2 c2 p2 > p1 , ρ 2 > ρ1 ⇒ c1 > c2 Se mueven a velocidades supersónicas muy altas (~1000m/s) Mach de la mezcla fresca c1 c1 > a1 ⇒ M 1 = >1 a1 Su estructura es la de una onda de choque que comprime y calienta el fluido seguida de una zona de combustión. Generalmente la única detonación posible es la correspondiente al punto C (Chapman) 20 Frentes reactivos: Relación de Hugoniot DEFLAGRACIONES: Región BF Disminuyen la presión y densidad y aumentan la velocidad relativa ρ1c1 = ρ 2 c2 a través de la onda: p2 < p1 , ρ 2 < ρ1 ⇒ c1 < c2 Se mueven a velocidades subsónicas muy bajas (~1m/s) Mach de la mezcla fresca c1 c1 < a1 ⇒ M 1 = <1 a1 La presión prácticamente se mantiene constante. Generalmente la única deflagración posible es la débil. Región BJ (III) 21 Frentes reactivos: Números de Mach Sabiendo que la velocidad del sonido para un gas perfecto viene dada por: ∂p γ p a2 = = ∂ρ S ρ A partir de las ecuaciones (1) y (5) se pueden obtener las siguientes relaciones: M 2 1 c12 p 2 − p1 1 m& 2 = 2 = = γ p1 ρ 1 γ p1 ρ 1 1 − 1 a1 ρ1 ρ2 c 22 p 2 − p1 m& 2 1 M = 2 = = a2 γ p2 ρ 2 γ p2 ρ 2 1 − 1 2 2 ρ1 (8) (9) En A ⇒ ρ1 = ρ 2 ⇒ M 1 = M 2 = ∞ En B ⇒ p1 = p2 ⇒ M 1 = M 2 = 0 ρ2 22 Frentes reactivos: Números de Mach Derivando en la ecuación de Hugoniot (7) se tiene su pendiente 2γ p 2 − p1 ) − p ( dp 2 γ −1 2 1 d ρ2 = (10) 1 2 1 1 + − γ − 1 ρ 2 ρ 2 ρ1 Que debe ser igual a la pendiente de la recta de Rayleigh (5) en los puntos de p − p1 tangencia C y J − m& 2 = 2 (1 1) 1 1 − ρ 2 ρ1 Igualando las dos expresiones anteriores y usando (9) se tiene que en C y J 2 m& M = γ p2ρ 2 2 2 m& 2 = γ p2ρ = 1 2 (1 2 ) 23 Frentes reactivos: Números de Mach Región I detonación fuerte M 1 > 1, M 2 < 1 Punto C M 1 > 1, M 2 = 1 Región II detonación débil M 1 > 1, M 2 > 1 (la mayor parte de las detonaciones son en este punto) Punto A M 1 → ∞, M 2 → ∞ Punto B M 1 = 0, M 2 = 0 Región III Deflagración débil M 1 < 1, M 2 < 1 (la mayor parte de las deflagraciones son en esta región) Punto J M 1 < 1, M 2 = 1 Región IV Deflagración fuerte M 1 < 1, M 2 > 1 (inestable y no posible) 24 Frentes reactivos: Ejemplo de detonación Ejemplo 1. En una mezcla de hidrógeno-aire en condiciones estequiométricas y a la presión atmosférica p1=100000 Pa y temperatura de 15 ºC la detonación se propaga a una velocidad c1=1940 m/s y sufre un cambio de densidad, de manera que la densidad detrás de la onda es ρ 2 = 1,8 ρ1 . La mezcla estequiomética tiene una composición del 28,5% en 3 volumen de H2 con densidad ρ1 = 0,85 kg / m . Se pide calcular la velocidad de los productos relativa a la onda y el aumento de presión a través de la misma 1 c1 = 1078 m/s 1,8 y de la ecuación (6): ∆p = p2 − p1 = ρ1c1 (c1 − c2 ) = 1421400 Pa De la ecuación (1) se tiene c2 = El signo mas indica que la presión aumenta. El cambio de presión es mucho mayor que la presión atmosférica 25 Frentes reactivos: Ejemplo de deflagración Ejemplo 2. En una mezcla de hidrógeno-aire en condiciones estequiométricas y a la presión atmosférica p1=100000 Pa y temperatura de 15ºC la detonación se propaga a una velocidad c1=3m/s y sufre un cambio de densidad, de manera que la densidad detrás de la onda es ρ 2 = 0,125 ρ1 . La mezcla estequiomética tiene una composición del 28,5% en 3 volumen de H2 con densidad ρ1 = 0,85 kg / m . Se pide calcular la velocidad de los productos relativa a la onda y el aumento de presión a través de la misma 1 c1 = 24 m/s 0,125 y de la ecuación (6): ∆p = p2 − p1 = ρ1c1 (c1 − c2 ) = −53, 6 Pa De la ecuación (1) se tiene c2 = El signo menos indica que la presión disminuye. El cambio de presión es prácticamente despreciable comparado con la presión atmosférica absoluta. 26 Frentes reactivos: La teoría clásica es incapaz de predecir la estructura interna de la zona de reacción. Esta zona se puede conocer considerando complejos mecanismos físico-químicos que ocurren en la zona de reacción de la onda, y la influencia de las condiciones externas sobre estos procesos: 27 LLAMAS PREMEZCLADAS Detonaciones 28 Detonaciones: Esquema ZND Esquema ZND: Zeldovich (1940), von Neuman (1942) , Döring (1943). Mecanismo de propagación: autoignición de la mezcla tras un calentamiento brusco generado por una onda de choque, que está mantenida por la expansión de los gases de la zona de reacción. La densidad tiene un comportamiento parecido al de la presión. δ Onda choque 1µ m δ Zona reacción. 100 µ m 29 Detonaciones: Esquema ZND Ondas de choque A través de la onda de choque aumentan la presión, temperatura y densidad y disminuye la velocidad relativa p '1 γ −1 2γ = M 12 − (13) p1 γ + 1 (γ + 1) ( )( T '1 2γM 12 − (γ − 1) (γ − 1)M 12 + 2 = T1 (γ + 1)2 M 12 ρ1 c'1 γ − 1 2 = = + ρ '1 c1 γ + 1 (γ + 1)M 12 ) (14) (15) - Las ondas de choque siempre aumentan la presión (∆s>0) c1 - El número de Mach incidente sobre la onda M 1 = > 1 a1 30 Detonaciones: Esquema ZND En el diagrama de Hugoniot se ve que las únicas detonaciones posibles son las fuertes. La onda de choque satisface la relación de Hugoniot con qR=0, pasando por el punto (p1,ρ1). 31 Detonaciones: Posibles formas de detonación En principio cualquier detonación fuerte en un conducto es posible si es alimentada por un pistón que se mueve con la velocidad de los productos. Si la pared está en reposo manda una onda que se mueve a la velocidad del sonido respecto al fluido detrás de la detonación. Por ser la detonación fuerte: a 2 > c 2 ⇒ velocidad onda de expansión > c1 Con lo que la onda de expansión alcanzaría a la detonación debilitándola. Un razonamiento parecido se puede hacer si el tubo está abierto. 32 Detonaciones: Posibles formas de detonación Conclusión: La detonación tampoco puede ser fuerte para estas condiciones y por lo tanto la única posibilidad es que sea la solución correspondiente al punto C donde c 2 = a 2 . Dadas unas condiciones antes de la onda, condiciones 1, sólo hay una posible solución detrás correspondiente al punto C 33 Detonaciones: Velocidades típicas de detonación c1 TABLA 1a. Presión p2 y velocidad de detonación en el punto C para algunas mezclas de combustible-aire. T1=25ºC, p1=1.013bar (Baker et al. 1983) Variación con la composición. Gas Explosion Handbook Gexcon, 1993. Dag Bjerketvedt Jan Roar Bakke, Kees van Wingerden. Capítulo 6. Disponible en Internet. 34 Detonaciones: Velocidades típicas de detonación c1 TABLA 1b. Velocidades de detonación y presiones y temperaturas detrás de la detonación, para composición estequiométrica y presión y temperaturas normales delante. Flame and combustion Griffiths and Barnard, Blackie, 1995 También se dan los límites de detonabilidad que si se exceden la onda no se propaga. 35 Detonaciones: Solución simplificada Con todo lo anteriormente visto, se puede simplificar el cálculo en las detonaciones con las siguientes expresiones: • p2 >> p1 ⇒ M 1 >> 1 2 y M 22 = 1 • Aplicando esta condición a la ecuación (12) que expresa la ρ2 γ +1 condición de Chapman. Se deduce que = (16) ρ1 γ • Despreciando nuevamente p2 frente a p1 y utilizando el resultado anterior en la ecuación (8) se tiene: p 2 γM 12 = (17 ) p1 γ +1 • Sustituyendo estas dos expresiones en la relación de Hugoniot (7), depreciando p2 frente a p1 obtenemos el Mach de la onda de detonación. 2 2 1 M = 2 ( γ − 1) γ p1 / ρ1 qR ⇒ c1 = 2 ( γ 2 − 1) qR (18) 36 Detonaciones: Solución simplificada Mediante la ecuación de estado, suponiendo que la constante del gas es parecida a la entrada y salida de la onda se tendría el cociente de temperaturas y la temperatura detrás de a detonación: γ ( γ − 1) qR T2 p2 ρ1 γ 2 M 12 = = ⇒ = T 2 2 T1 p1 ρ 2 ( γ + 1)2 (γ + 1) Rg (19) 2 Donde para la velocidad del sonido a = γ p / ρ = γ R g T Y donde Rg es la constante del gas, supuesto perfecto. 37 Detonaciones: Solución simplificada En todo lo anterior se ha supuesto que los calores específicos y su cociente permanecen constantes. Se puede relajar esta suposición, obteniendo mejores resultados, suponiendo que los calores específicos son los de las condiciones detrás de la onda y que el calor de reacción se debe modificar incluyendo la energía calorífica inicial, h1=cp1T1 ρ2 γ 2 + 1 = (16' ) ρ1 γ2 p2 Rg 2 ρ 2 T2 = p1 Rg1 ρ1 T1 (17' ) c1 = 2 ( γ 22 − 1) ( qR + c p1T1 ) (18') γ 2 ( γ 2 − 1) ( qR + c p1T1 ) T2 = 2 (19 ') Rg 2 (γ 2 + 1) 38 Detonaciones: Ejemplo de detonación Ejemplo 3. Se tiene una mezcla estequiométrica de H2+aire y se trata de calcular la velocidad de la detonación y las condiciones de la mezcla detrás. Sabiendo que delante las condiciones son las normales: p1=1 atm=101300 N/m2, T1=298 K La reacción viene dada por la ecuación: H 2 + 0,5(O2 + 3,76 N 2 ) ⇒ H 2 O + 1,88 N 2 39 Detonaciones: Ejemplo de detonación Condiciones antes de la detonación Las fracciones molares y el peso molecular medio antes de la detonación serían: X H2 = 1 0,5 = 0,296; X O2 = = 0,148; 1 + 0,5 + 1,88 1 + 0,5 + 1,88 X N2 = 1,88 g = 0,556 ⇒ M 1 = 0,296 × 2 + 0,148 × 32 + 0,556 × 28 = 20,9 1 + 0,5 + 1,88 mol Las fracciones másicas serían: YH 2 = 2 32 28 X H 2 = 0,028; YO2 = X O2 = 0,227; YN 2 = X N 2 = 0,745 20,9 20,9 20,9 La constante de la mezcla y la densidad antes de la detonación serían: J R J p kg K mol Rg1 = = = 397,85 ⇒ ρ1 = 1 = 0,854 3 g M1 K kg Rg1T1 m 20,9 mol 0 8,315 El calor específico por mol y por masa sería c p1 = ∑ X i c pi = 0,296 × 28,87 + 0,148 × 29,315 + 0,556 × 29,071 = 29,05 cp J J ⇒ c p1 = 1 = 1389,8 M1 mol K kg K donde los calores específicos del H2, O2, N2 se obtienen de las tablas dadas en el apéndice para T1=298 K La relación de calores específicos sería: γ 1 = c c p1 p1 − R g1 = 1,40 40 Detonaciones: Ejemplo de detonación Condiciones detrás de la detonación Las fracciones molares y el peso molecular medio después de la detonación serían: X H 2O = 1 1,88 g = 0,347; X N 2 = = 0,653; ⇒ M 2 = 0,347 × 18 + 0,653 × 28 = 24,53 1 + 1,88 1 + 1,88 mol Las fracciones másicas serían: YH 2O = 18 28 X H 2O = 0,255; YN 2 = X N 2 = 0,745 24,53 24,53 La constante de la mezcla detrás de la detonación sería: J R J K mol Rg 2 = = = 338,97 g K kg M2 24,53 mol 0 8,315 Para calcular el calor específico por mol y por masa habría que suponer un valor de la temperatura detrás y como no se conoce hasta el final, esto indica que habría que iterar. Supongamos T2=3000 K, y luego se comprobará si está bien c p 2 = ∑ X i c pi = 0,347 × 55,78 + 0,653 × 37,03 = 43,54 c p2 J J ⇒ c p2 = = 1774,97 mol K M2 kg K Donde los calores específicos del H2O, N2 se obtienen de las tablas dadas en el apéndice para T2=3000 K. La relación de calores específicos sería: γ2 = c p2 c p 2 − Rg 2 = 1,236 41 Detonaciones: Ejemplo de detonación Cálculo del calor de reacción ∑ Yh Viene dado por la expresión: qR = i i fi 1 1 J qR = X H 2 h fH 2 + X O2 h fO2 + X N 2 h fN2 − X H 2O h fH 2O + X N2 h fN 2 = 3421126 kg M1 M2 ( ) ( ) Donde las entalpías de formación por mol de los distintos elementos se mirarían en las tablas adjuntas, y todas son cero, excepto la del vapor de agua: h fH 2O = −241845 J mol Características de la detonación Mediante aplicación de las ecuaciones (16’) a (19’) usando los datos calculados se tiene: ρ 2 = 1,81ρ1 = 1,54 kg m 3 c1 = 2011,9 m s T2 = 2952 K p2 = 15,28 p1 = 1547498 N m2 Si se comparan estos resultados con los de la tabla 1 se tienen resultados muy parecidos. Se comprueba también que el valor supuesto de T2 para el cálculo de cp2 es apropiado y no haría falta seguir iterando. 42 Detonaciones: Ejemplo de detonación Estructura de la onda de detonación Condiciones justo detrás de la onda de choque. La velocidad del sonido de la corriente incidente y su número de Mach serían: a1 = γ 1 p1 ρ1 = 407,5 c m ⇒ M 1 = 1 = 4,938 s a1 Aplicando las ecuaciones (13), (14) y (15) con γ=γ1=1,4 se tiene: p '1 γ −1 2γ N = M 12 − = 28,28 ⇒ p '1 = 2.864.881 2 p1 γ + 1 (γ + 1) m ( )( ) T '1 2γM 12 − (γ − 1) (γ − 1)M 12 + 2 = = 5,68 ⇒ T '1 = 1691,6 K T1 (γ + 1)2 M 12 (13' ) (14' ) ρ1 c' 2 kg m γ −1 = 1 = + = 0 ,32 ⇒ ρ '1 = 2 , 67 3 ⇒ c '1 = 643 ,8 2 ρ '1 γ + 1 (γ + 1 )M 1 c1 s m (15 ' ) Se puede completar la figura con los datos antes calculados y comprobar que M’1<1 ρ 2 = 1,54 kg m 3 c1 = 2011,9 m s T2 = 2952 K p2 = 1.547.498 N m2 a'1 = γ 1 p'1 c' m = 1225,6 ⇒ M '1 = 1 = 0,525 ρ '1 a'1 s Y calcular la velocidad aguas debajo de la ecuación (1), comprobando que M2=1 c2 = c1 ρ1 γ 2 p2 m m = 1111,5 ; a 2 = = 1114,4 ⇒ M 2 ≅ 1 s s ρ2 ρ2 43 Detonaciones: Ejemplo alternativo de detonación Ejemplo 4. Repetir los cálculos anteriores para una mezcla estequiométrica de C2H2+aire. Suponer también que delante las condiciones son las normales p1=1 atm=101300 N/m2, T1=298 K La reacción viene dada por la ecuación: C 2 H 2 + 2,5(O2 + 3,76 N 2 ) ⇒ 2CO2 + H 2O + 9,4 N 2 El calor molar específico del acetileno C2H2 a 298 K y a presión constante es 43,96 J/(mol K)y su entalpía de formación 226,748 J/mol 44 Detonaciones: Estructura de la detonación En realidad la detonación no es un frente plano, ya que es inestable, y tiene una estructura tal como se indica en la figura. • La velocidad de propagación sorprendentemente da buenos resultados con la teoría del frente plano. • Sin embargo la estructura ZND da resultados cuantitativos malos. Por ejemplo, la energía necesaria para la iniciación de una detonación predicha por la teoría es 100 veces más pequeña que la real. Timmes et al. (2000) 45 Detonaciones: Estructura de la detonación - Son un conjunto de ondas de choque incidentes, reflejadas y tallos de Mach tal como ocurrirían en la reflexión de una onda de choque oblicua en una pared, cuando hay una deflexión muy fuerte 46 Detonaciones: Estructura de la detonación Lee Ann. Rev. Fluid Mechanics El tamaño de las celdas depende del tipo de combustible el grado de riqueza de la mezcla y las condiciones ambiente. Se hace mínimo para condiciones cercanas a las estequiométricas 47 Detonaciones: Estructura de la detonación Lee Ann. Rev. Fluid Mechanics Pintgen et al. Caltech 2000 En los puntos triples hay cambios muy fuertes de presión. Y cuando se mueven a lo largo de la pared del tubo donde se propaga la detonación dejan una marca, que se hace patente si se recubre la pared del tubo con hollín. Estas trayectorias tienen una forma celular 48 Detonaciones: Estructura de la detonación Lee Ann. Rev. Fluid Mechanics 49 Detonaciones: Estructura de la detonación Bauwens 2006 Hysafe Williams y Oran (1996) A veces se pueden observar estructuras todavía más complejas tanto experimentalmente como numéricamente. A pesar de todas estas complicaciones los cálculos de la velocidad del frente con los modelos presentados se parecen mucho a las medidas experimentalmente 50 Detonaciones: Iniciación de la detonación - Generalmente cuando hay una mezcla combustible se inicia una deflagración - El problema es como esa deflagración se convierte en detonación (Deflagration to Detonation Transition DDT) - Puede depender del gado de confinamiento de la mezcla. -La detonación puede producir daños muy importantes. - Mecanismo posible de formación de la detonación. En una mezcla en un tubo cerrado se inicia una deflagración. En la parte trasera con el tubo cerrado los productos están en reposo por lo que delante de la deflagración son empujados, lo que genera a su vez una onda sónica de compresión. Dicha onda se reflejaría en el otro extremo del tubo si estuviese cerrado. Las múltiples reflexiones de la onda la reforzarían dando lugar a una onda de choque, que a su vez iniciaría la detonación. -Fenómeno parecido con una deflagración esférica, que empujaría a los gases fríos delante. Si las ondas de compresión generadas se encuentran con obstáculos, se reforzarían. 51 Detonaciones: Iniciación de la detonación En algunas aplicaciones puede ser interesante inducir la DDT por ejemplo en el motor de detonación pulsante 52 Detonaciones: Iniciación de la detonación -Factores que aparecen en la Deflagration to Detonation Transition DDT -La espiral de Schelkin un método de forzar la DDT 53 Detonaciones: Iniciación de la detonación Deflagration to Detonation Transition DDT 54 Detonaciones: Iniciación de la detonación Deflagration to Detonation Transition DDT 55 LLAMAS PREMEZCLADAS Deflagraciones 56 Deflagraciones: Introducción Las deflagraciones constituyen uno de los problemas más importantes de la teoría de combustión. • Son combustiones de premezcla controladas. Que suceden en turbinas de gas o motores de combustión interna antiguos. • La estructura interna de la llama nos va a dar la velocidad de propagación de la misma. • Históricamente, constituyen el primer problema en el que hubo que considerar simultáneamente los fenómenos de transporte y la cinética química. • Muchos de los desarrollos conceptuales y de los resultados obtenidos para las llamas laminares son esenciales para la comprensión de muchos otros problemas de combustión: Velocidad de propagación, energía mínima de encendido, límites de inflamabilidad, apagado de llamas, etc… 57 Deflagraciones: Perspectiva histórica Objetivo: Calcular la velocidad de propagación de la llama. Que será función del estado termodinámico de la mezcla. Mallard & le Chatelier (1883) Primeros estudios sobre velocidad de propagación de ondas de deflagración. • Mikhelson (1889) cF = DT / tQ • Zeldovich & Frank-Kamanetskii (1938) Análisis heurístico para alta energía de activación de la reacción global n R ωR = BC e − Ea R 0T Ea >> 1 0 RT • Bush & Fendell (1970) Formalización del análisis en el límite Ea/(R0T)>>1 mediante la introducción del método de los desarrollos asintóticos acoplados. 58 Deflagraciones: Velocidad de propagación La velocidad de la llama sólo depende de las propiedades de la mezcla; varía entre 1cm/s y 10 m/s y el espesor varía entre 1 y 10 mm. Libro de Liñán y Williams Libro de Kuo Φ=rYF/YO2 r (gr O2/gr combustible)esteq Metano-aire p=1atm, Libro Turns La máxima velocidad y mínimo espesor de llama suele ocurrir para condiciones estequiométricas Φ=1 59 Deflagraciones: Velocidad de propagación Libro de Turns Libro de Griffiths and Barnard 60 Deflagraciones: Velocidad de propagación La componente normal de la velocidad es la velocidad de la llama, con lo que c el ángulo del semicono: α = arc sen F . Por lo que cF<U. En caso contrario la U llama no se estabilizaría y penetraría en el tubo. En la práctica la velocidad U no es uniforme y es mayor en el centro que en los lados, con lo que el ángulo se hace menor y la pendiente mayor en centro. Además según se verá existe la posibilidad de Flash-Back por los lados donde la velocidad es nula 61 Deflagraciones: Velocidad de propagación Ejemplo 5. Suponer que la velocidad no es uniforme y sigue la distribución radial de la figura que obedece a la expresión: 2 r U(r) = U 0 − (U 0 − U 1 ) R m m m U 0 = 1, 2 ; U 1 = 0 ,8 ; c F = 0 ,4 ; s s s Calcular la forma de la llama z(r) Ahora el ángulo es variable. La forma de la llama no será totalmente cónica y se deducirá de integrar la ecuación con la condición de contorno siguiente z R α ( r ) = arc sen cF c c ⇒ α (0) = arc sen F = 19,5º ⇒ α ( R ) = arc sen F = 30 º U (r ) U0 U1 dz 1 = − ; dr tan( α ( r )) r = R ⇒ z = 0 r R 62 Deflagraciones: Hipótesis de los modelos • Frente de llama plano en una configuración unidimensional. • Sistema de referencia localizado en la llama. Proceso estacionario. • La energía potencial, esfuerzos viscosos y la radiación térmica se consideran despreciables. • Números de Mach muy pequeños por lo que: - La energía cinética es despreciable comparada con la energía térmica. c2 2 M = << 1 ⇒ c 2 << γ p / ρ = γ Rg T = (γ − 1)c pT γ p/ρ - Las variaciones de presión absoluta son despreciables R0 ρ T = p ≈ cte M 63 Deflagraciones: Ecuaciones generales • La ecuación de conservación de masa se puede escribir como: ρv x = ρ1c1 = ρ 2 c2 = m& = constante (24) • Ecuación de la energía: & p mc dT d + ( qc ) = ∆Q ωR dx dx (25) • Ecuación de conservación de la masa dY d + ( jR ) = −ωR (26) m& dx dx • El transporte de energía térmica está gobernado por la ley de Fourier y de masa por la ley de Fick dT dY qc = − k jR = − ρ DR dx dx Asumiremos que son constante todos los parámetros de las ecuaciones. 64 Deflagraciones: Ecuaciones generales Ecuación de conservación de la energía: & p mc dT d dT = k dx dx dx + ∆Q ωR (25) donde ∆Q es la energía liberada por unidad de masa de reactante, que se relacionaría con qR de la ecuación (3) por Y1 ∆Q =qR , siendo Y1 la fracción másica inicial de reactante. ωR(kgR/(m3s)) sería la masa de reactante generado por unidad de volumen y tiempo. Se supone que oxidante y combustible se consumen simultáneamente de manera que su mezcla tiene una fracción másica que vale Y1 aguas arriba y cero aguas abajo. La ecuación de conservación de las especies sería: El valor máximo posible de Y es el dY d dY correspondiente la composición = ρ DR m& − ωR (26) estequiométrica. Valores superiores de dx dx dx fracción másica hacen al oxidante o combustible inertes. Transporte convectivo, transporte difusivo , reacción química gr oxidante + gr combustible Y gr mezcla total 65 Deflagraciones: Ecuaciones generales Haciendo los cambios de variable siguientes: θ = Y1 − Y (27) θ* = c p (T − T1 ) ∆Q ( 28) Resulta que las dos variables valen cero en la zona sin quemar y derivada nula en la zona quemada: x → −∞, Y = Y1 , T = T1 , θ = θ * = 0 x → ∞, dY / dx = dT / dx = 0, dθ / dx = dθ * / dx = 0 (29) Y además las dos satisfacen la misma ecuación si el número de Lewis Le=k/(ρDcp)= 1 y cp=constante dθ * d k dθ * m& = + ωR (30) dx dx c p dx m& dθ d dθ = ρ DR + ωR dx dx dx (31) Por lo que, θ=θ* y se podría expresar la fracción másica en función de la temperatura con lo que una de las dos ecuaciones no hace falta resolverla. 66 Deflagraciones: Ecuaciones generales θ = θ * ⇒ T = T1 + (Y1 − Y )∆Q cp (32) En particular aguas abajo donde Y=0 se tendría la máxima temperatura que coincide con la temperatura adiabática de llama Tf, x → ∞, Y = 0, T2 = T f = T1 + ∆QY1 cp (33) El valor máximo de Y1 y por tanto de T2 corresponde a la composición estequiométrica Despejando ∆Q entre estas dos ecuaciones se tiene otra forma alternativa para Y(T): Y = Y1 T2 − T T2 − T1 (32' ) 67 Deflagraciones: Modelo de Mikhelson • Este modelo supone que los 3 términos de ec. (25) son comparables: • Existe un equilibrio entre el calor por conducción hacia aguas arriba y el transporte convectivo aguas abajo. & p (T f − T0 ) = k (T f − T0 ) / δ mc ⇒ m& = k 1 cp δ (20) • El calor liberado en la reacción se transmite por convección hacia los reactivos, precalentandolos. & p (T2 − T1 ) ωR ∆Qδ = mc δ= c p (T2 − T1 ) ∆Q & 1ωR −1 (21) m& ωR −1 = mY de (33) &= Uniendo (20), (21) sabiendo que m α propagación de la llama: ωR cF = ρ1Y1 ρ1c1 podemos (22) obtener la velocidad de k α= con (23) ρ1c p 68 Deflagraciones: Teoría de ZFKS Teoría de Zeldovich, Frank-Kamanetski y Semenov Se divide la llama en dos zonas separadas por el punto de inflexión en el perfil de la temperatura: Aguas arriba zona convectivo-difusiva de espesor de orden δc y no hay reacción química Aguas abajo zona dominada por la reacción química y la difusión, de espesor de orden δQ con efectos convectivos despreciables δ c >> δ Q . Se cumple que: • La reacción química es muy sensible a la temperatura y ocurre en una región muy estrecha donde la temperatura es próxima a la máxima. • El origen de coordenadas, x=0, se toma en el punto de inflexión de separación de las dos zonas 69 Deflagraciones: Teoría de ZFKS Aguas arriba en la zona convectivo-difusiva la ecuación (25) se simplifica a: dT d 2T x < 0; m& c p = k 2 (34) dx dx Se ha supuesto k=constante Y aguas abajo en la zona de reacción química la ec (25) queda: d 2T x > 0; 0 = k 2 + ωR ∆Q (35) dx 70 Deflagraciones: Teoría de ZFKS Zona convectivo-difusiva La ecuación (34) se puede integrar dos veces con las condiciones siguientes, x → −∞; T = T1 x = 0; T = TIN (36) m& c p ( ) T = T + T − T exp obteniéndose: 1 1 IN k x , para x < 0 (37) En particular derivando la ecuación anterior y particularizando para x=0 se cumple que: m& c p dT = (TIN − T1 ) (38) dx x = 0 k Que se utilizará como condición de contorno para empalmar con la zona de reacción química 71 Deflagraciones: Teoría de ZFKS Zona reacción-difusiva Si se multiplica la ecuación (35) por dT/dx se obtiene: 2 1 d dT dT + ω ∆ x > 0; 0 = k Q R 2 dx dx dx (39) Esta ecuación se puede integrar entre x=0 e infinito, teniendo en cuenta que en el infinito T=Tf y dT/dx=0. dT dx 1/ 2 x =0 2∆Q ∞ dT = ωR dx ∫ 0 dx k (40) En esta integral se puede eliminar dx y hacer un cambio de variable de x a T, ya que la densidad e ωR son sólo funciones de (T , Y) y a su vez Y(T), ver eq. (32) 1/ 2 dT dx x=0 2∆Q = k ∫ Tf TIN ω R dT (40 ') 72 Deflagraciones: Teoría de ZFKS Cálculo de la velocidad de la llama Utilizando el valor de la derivada en x=0 calculado en la región convectiva , ecuación (38) y teniendo en cuenta la definición de flujo másico, ecuación (1), ρ1c1 = ρ 2 c2 = m & se tiene para la velocidad de la llama 2k ∆Q c1 = cF = (TIN − T1 )2 ρ12 c 2p 1/ 2 T2 ∫TIN ωR dT (41) En el denominador se puede hacer la suposición TIN≈T2 (ya que δc>>δQ) y utilizando la expresión (33), ∆Q=cp(T2-T1)/Y1, se tiene: 1/ 2 T2 2α ω dT c1 = cF = (T − T ) ρ Y ∫TIN R 2 1 11 (41'), donde α = k ρ1c p Ahora hay que calcular la integral para lo que hay que conocer el término de reacción química 73 Deflagraciones: Teoría de ZFKS Cálculo de la velocidad de la llama El término de reacción se puede modelar por una expresión de tipo Arrhenius ω R = A ( ρY ) n Ta exp − (42) T Que puede dar una idea del comportamiento de la reacción , aunque la realidad no responde a esta ecuación. Ta=Ea/R0 es la energía de activación de la reacción y toma valores muy altos para hidrocarburos típicos: entre 15.000 K y 30.000 K. Lo que hace muy sensible la velocidad de la reacción a la temperatura. Por ejemplo pasando de T=1500 a 1300 K con Ta=30.000 se tiene que la velocidad de reacción se divide casi por 22. Es decir que la reacción química va ser pequeñísima a menos 30.000 que la temperatura sea muy próxima a su valor máximo T2. exp − 1.500 = 21,7 Lo que sugiere hacer el siguiente desarrollo de Taylor entorno 30.000 exp − al punto T=T2: 1.300 2 T − T2 Ta Ta T2 − T Ta Ta T2 Ta 1 = = 1 − (T − T2 ) + O (43) ≅ + T T2 T T2 T2 T2 T2 T2 T2 74 Deflagraciones: Teoría de ZFKS Cálculo de la velocidad de la llama Aplicando esta aproximación a la ecuación (42), en la que además sustituimos la concentración de reactante como función de T, usando (32’), se tiene: n Ta Ta T2 − T T −T ωR = A ρY1 2 exp − exp − (44) T2 − T1 T2 T2 T2 Las aproximaciones anteriores se justifican por ser: ε = T2 1 1 ≅ , << 1 (45) Ta 10 20 El último factor es de orden unidad sólo si la temperatura es muy próxima a la máxima: T − T 2 T2 ∝ε (35' ) aunque tampoco puede hacerse exactamente igual a T2, ya que entonces la velocidad de reacción se haría cero, por hacerse cero la concentración de reactante, segundo factor en (44). 75 Deflagraciones: Teoría de ZFKS Cálculo de la velocidad de la llama El cambio de variable apropiado para representar la temperatura sería: z = Ta T2 − T (46) T2 T2 Con lo que la integral del término de reacción se convierte en, (consistemente con la aproximación se supone que la densidad es la correspondiente a la zona 2). ∫ T2 TIN ωR dT = Ae ( ρ2Y1 ) n T − T ( 2 1) −Ta / T2 n T Ta 2 2 n +1 ∫ z IN 0 e − z z n dz (47) El límite superior de la integral zIN se puede suponer infinito ya que indicaría que no hay reacción química en el punto de inflexión, con lo que la integral sería: ∫ ∞ 0 e − z z n d β = Γ(n + 1) = n ! para n entero Y sustituyendo (47) en (41’) se tendría la velocidad de la llama 1/ 2 −Ta / T2 n n −1 2 n +1 Ae ρ 2 Y1 T2 2α c1 = c F = n ! ρ1 ( T2 − T1 )n +1 Ta donde α = k ρ1c p (48) 76 Deflagraciones: Comparación de los 2 modelos Comparando el resultado obtenido al principio (22) para la velocidad de la llama y el obtenido ahora (48), hay un factor adicional α α n ωR = A ( ρY ) e − T / T ρ1Y1 ρ1Y1 Y1T22 2n !α 2 2 A ρ2 c1 = cF = ρ1Y1 (T2 − T1 ) Ta cF 2 ≈ a (22) n −Ta / T2 T22 e (48) (T2 − T1 ) Ta Esto se debe a que el espesor de la llama δQ es mucho más pequeño que el espesor del frente δ y la expresión (21) debe ser cambiada introduciendo δ Q ≈ δβ −1 << δ (54) & 1ωR −1 (21') δ Q = β −1δ = mY Con lo que la velocidad de propagación en (22) quedaría: cF 2 ≈ α ωR β −1 (22 ') ρ1Y1 Vamos a comprobar que esto es cierto. 77 Deflagraciones: Correcta estimación para UF Se va ha estimar el espesor de llama δQ frente al espesor total δ. • Para ello se admite que el flujo de calor en x=0 debe ser igual, visto aguas arriba que aguas abajo. T2 − T1 T −T k = k 2 IN δ δQ • La reacción química quedará congelada cuando velocidad de reacción (44) quede dividida por un factor e T T −T exp − a 2 IN = e−1 ⇒ TIN = T2 (1 − T2 / Ta ) (56) T2 T2 Por lo que queda: T22 / Ta δQ = δ = β −1δ T2 − T1 (54) β = Ta T2 − T1 T2 T2 Siendo β el número de Zeldovich, un valor grande (~10) para fenómenos de combustión. 78 Deflagraciones: Correcta estimación para UF Con la estimación de TIN de (56) se puede estimar la fracción másica de reactivos Y en la llama, que será mucho más pequeña que Y1 T2 − TIN Y1T22 Y ≈ Y1 ≈ ≈ Y1β −1 << Y1 (55) T2 − T1 (T2 − T1 ) Ta Asi mismo, la densidad ρ y la Temperatura T que hay que introducir en la velocidad de reacción de (22) pueden ser ρ2 y T2, respectivamente. 79 Deflagraciones: Teoría de la expansión asintótica - Procedimiento anterior solamente aproximado. - Procedimiento más riguroso es una expansión asintótica (Ver libro de Liñán y Williams). - Acoplar las soluciones de las dos regiones en lugar de unirlas en el punto de inflexión. - Se utiliza una variable interior η para la zona reactiva y x para la convectiva: η=x Ta Ta , >> 1, si η = O(1), x << 1 ( 49) T2 T2 -El acoplamiento de las dos zonas es de la forma: Ta dT dT = dx x =0 zona convectiva dη η = −∞ zona reactiva T2 (50) 80 Deflagraciones: Teoría de la expansión asintótica El problema anterior completo sin aproximaciones está mal planteado. Combinando las ecs (25) (32’) y (44) se obtiene la siguiente ecuación para T: n T2 − T dT d dT Ta m& c p = k + A ρ Y exp − ∆Q (51) 1 dx dx dx T2 − T1 T Donde la densidad se puede expresar como función de (Y , T ), a través de la ecuación de estado. Esta ecuación se debe resolver con las condiciones de contorno: dT = 0 (52) dx dT x → ∞, T = T2 ⇒ = 0 (53) dx x → −∞, T = T1 ⇒ Y el valor del flujo másico, y por tanto de la velocidad de reacción, sería un autovalor, tal como antes. Sin embargo ahora esto NO puede ser, puesto que la condición (52) en la zona fría no se puede cumplir. Los términos difusivo y convectivo de (51) se anulan pero no el de reacción química aunque sea muy pequeño. COLD BOUNDARY DIFFICULTY Con la aproximación anterior esto no pasaba, pues artificialmente se suponía cero el término de reacción en la región convectivo-difusiva. Se puede suponer que aguas arriba hay algún objeto al que se cede calor (Flame holder), y en el que se puede suponer un gradiente de T distinto de cero. 81 Deflagraciones: Efecto de la cinética química El esquema de reacción global, en que partiendo de un reactante se llega a unos productos, descrito por una única reacción de tipo Arrhenius, ec. (42) no ocurre en la realidad, aunque puede dar una idea cualitativa del fenómeno. En la práctica el proceso está gobernado por un gran número de reacciones en las que intervienen un gran número de especies, además de los reactantes y los productos. • Una reacción típica de un hidrocarburo involucra unas 200 reacciones • En la tabla adjunta se dan las más significativas de la reacción metano aire • Cada reacción elemental se expresa con la siguiente velocidad de reacción: E Bk T α k exp − 0k RT Ek = , donde T a 0 R 82 Deflagraciones: Efecto de la cinética química Libro de Liñán y Williams 83 Deflagraciones: Efecto de la cinética química Aproximaciones para simplificar el problema: • Ta/T>>1, similar a lo realizado en tratamiento anterior. • Suponer concentración de una especie prácticamente constante al ser sus ritmos de generación y destrucción muy similares. • En el Libro de Liñán y Williams se describe un análisis simplificado para el caso Metano-Aire. • Se supone que las reacciones importantes son las marcadas en negrita en la tabla anterior. • Que a su vez estas se pueden agrupar en cuatro tal como se indica a continuación. 84 Deflagraciones: Efecto de la cinética química La reacción global metano oxígeno sería: CH 4 + 2O2 → CO2 + 2 H 2O donde sólo hay metano, oxígeno, CO2 y vapor de agua. • Ahora aparecen además las sustancias intermedias H, CO, H2, que juegan un papel importante en el proceso de combustión, aunque su concentración sea nula antes y después de la llama. • En la figura siguiente se muestra como se distribuyen dichas sustancias en el interior de la llama y el papel que juegan Libro de Liñán y Williams 85 Deflagraciones: Efecto de la cinética química El metano se consume en una capa muy delgada donde fundamentalmente es atacado por el radical H, que se muestra en la figura ampliada. - El H2 y el CO se oxidan para producir H2O y CO2 en una región aguas debajo de la zona donde se consume el metano. - Esta teoría da buenos resultados cuando se compara con medidas experimentales Libro de Liñán y Williams 86 Deflagraciones: Efecto de la cinética química Esquema similar para metano-aire incluido en el libro de Turns. Se incluyen concentraciones de otras especies que aparecen en proporción mucho menor 87 Deflagraciones: Efecto de la cinética química Llama Hidrógeno-aire Libro de Dixon-Lewis 88 Deflagraciones: Efecto de la cinética química Llama Hidrógeno-aire Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences Vol. 292, No. 1388 (Aug. 24, 1979), pp. 45-99 Kinetic Mechanism, Structure and Properties of Premixed Flames in HydrogenOxygen-Nitrogen Mixtures G. Dixon-Lewis 89 Deflagraciones: Efecto de la cinética química Llama etileno-aire y etano-aire 90 Deflagraciones: Efecto de la cinética química Llama etileno-aire 91 Deflagraciones: Efecto de la cinética química Llama etileno-aire 92 Deflagraciones: Efecto de la cinética química Llama etano-aire 93 Deflagraciones: Efecto de la cinética química Llama etano-aire 94 Deflagraciones: Efecto del dosado Aunque la expresión −T / T n n −1 2 2α Ae a 2 ρ 2 Y1 T2 c1 = c F = ρ1 ( T2 − T1 )n +1 Ta n +1 1/ 2 n! donde α = k ρ1c p (48) no es muy exacta, tal como se acaba de ver, si puede servir para estimar de forma cualitativa como afectan los diversos factores a la velocidad de la llama (Ver libro de Kuo) El dosado Φ, interviene a través del valor de T2 en el término exponencial. T2 será máxima para las condiciones estequiométricas. No obstante se observa que la máxima velocidad se alcanza para mezclas algo más ricas que la estequiométrica, porque la mezcla no es siempre del todo homogenea. 95 Deflagraciones: Efecto de la estructura molecular Para los hidrocarburos saturados alcanos (simples enlaces) no hay dependencia con el número de carbonos. Para los alquenos y alquinos se produce una disminución al aumentar el número de carbonos. No se debe al T2 que es siempre parecido unos 2200 K, y Ta unos 20.000 K. Parece que puede deberse a la difusividad, que disminuye con el peso molecular. −T / T n n −1 2 2α Ae a 2 ρ 2 Y1 T2 c1 = c F = ρ1 ( T2 − T1 )n +1 Ta n +1 1/ 2 n! donde α = k ρ1c p (48) 96 Deflagraciones: Efecto de la presión 1/ 2 −Ta / T2 n n −1 2 n +1 Ae ρ 2 Y1 T2 2 k α c1 = c F = n ! donde = ( 48) α n +1 ρ1c p ρ1 (T2 − T1 ) Ta La presión afecta a través de las densidades (incluida la que aparece en la difusividad térmica) y son proporcionales a la presión: cF 2 ρ 2n ρ 2n ∝α ∝ 2 ∝ p n−2 ⇒ cF ∝ p ρ1 ρ1 n−2 2 (59) La evidencia experimental apunta a que n es aproximadamente 2 si 50<cF<100 cm/s y menor que 2 para velocidades menores y mayor que 2 para velocidades mayores. (Ver Libro de Kuo) 97 Deflagraciones: Efecto de la temperatura Temperatura inicial: −T / T 2 n n −1 2α Ae a 2 ρ 2 Y1 T2 c1 = c F = ρ1 ( T2 − T1 )n +1 Ta 1/ 2 cF 1 ∝ α ρ (T − T ) n +1 1 2 1 n +1 1/ 2 n! 1/ 2 1 ∝ 2 ρ (T − T ) n +1 1 2 1 donde α = k ρ1c p ( 48) 1/ 2 T12 ∝ (T − T ) n +1 2 1 ⇒ cF ∝ T m (60) La dependencia debería ser con un exponente m>1. En la práctica 1,5<m<2,5. Temperatura de la llama: Como ya se indicó antes, su influencia es muy fuerte a través del término exponencial. 98 Deflagraciones: Efecto del número de Le Si el número de Lewis es distinto de uno, habría que resolver por separado las ecuaciones de conservación de la energía y del reactante en la región convectivodifusiva. dT d 2T x < 0; m& c p = k 2 (34' ) dx dx dY k d 2Y k x < 0; m& c p Le = , = (34' ' ) dx Le dx 2 ρDc p Las soluciones tendrán ahora distinta forma T = T1 + (TIN m& c p − T1 ) exp k x , para x < 0 (37) m& c p Le Y = Y1 − (Y1 − YIN ) exp x , para x < 0 (37' ) k La zona reactiva tendría un espesor distinto. 99 Deflagraciones: Efecto del número de Le La temperatura domina la reacción química y fija por tanto el tamaño de la zona de reacción. Un cálculo más exacto daría que la concentración de combustible en la región de reacción química sería: Y1T22 Y≈ Le = β −1 LeY1 (55') (T2 − T1 ) Ta Con lo que la ecuación (48’) habría que introducir un factor Le n, de manera que la velocidad de la llama aumentaría al aumentar el Le n/2 c F ∝ Le (58) Al aumentar Le por disminuir la difusión las concentraciones de reactante en la zona de reacción se hacen mayores. 100 Deflagraciones: Efecto de la difusividad térmica y cp −T / T n n −1 2 2α Ae a 2 ρ 2 Y1 T2 c1 = c F = ρ1 ( T2 − T1 )n +1 Ta n +1 1/ 2 n! donde α = k ρ1c p ( 48) El metano diluido en Ar o He. El He es más ligero que el Ar y su difusividad es mayor Comparando Ar y N2 Difusitividades similares pero el Ar es monoatómico con cp/cv=5/3 y cp=5/2 R Mientras que para el N2 diatómico cp/cv=7/5 y cp=7/2 R El calor liberado es el mismo pero el calor espécífico del Ar es menor y la temperatura mayor y por lo tanto la velocidad de reacción también mayor 101 Deflagraciones: Efecto de los combustibles Correlación de Metghalchi y Clerk para determinar velocidades de diferentes combustibles en aire (ver libro de Turns) Los efectos de variación de presión y temperatura, antes estimados, se recogen en la siguiente correlación obtenida de datos experimentales, valida para T2>350K: g b T p (1 − 2,1Ydil ) (61) c F = c F ,ref 2 T2,ref p ref T2,ref = 298 K , pref = 1 atm El término Ydil es la fracción másica de productos diluidos en la premezcla, por ejemplos gases de escape residuales. La velocidad de referencia en condiciones normales y los exponentes g y b valen: c F ,ref = BM + B2 (Φ − Φ M )2 (62) g = 2,18 − 0,8(Φ − 1) b = −0,16 + 0,22(Φ − 1) Donde Φ es la equivalence ratio y los valores del resto de los coeficientes se dan en la tabla adjunta 102 Deflagraciones: Efecto de los combustibles Ejemplo 6: Para gasolina RMFD303, con una relación de equivalencia de 0,9, calcular la velocidad de la llama en las siguientes condiciones a) Normales b) T=600 K, p=15 atm c) Suponiendo que hay además un 10% de gases de escape residuales 103 Deflagraciones: Efecto de los combustibles SOLUCIÓN a) De la ecuación (62) y de la tabla anterior se tiene c F ,ref = 27,58 − 78,34(0,9 − 1,13)2 = 23,44 cm/s b) De la ecuación (62) y la tabla se tiene para g, b g = 2,18 − 0,8(0,9 − 1) = 2,26 b = −0,16 + 0,22(Φ − 1) = −0,182 Estos exponentes se deben comparar con el m de la ecuación (60) y el (n-2)/2 de la ecuación (59). Para la velocidad de la llama de la ecuación (61) 600K cF = 23, 44 298K 2,26 15atm 1atm −0,182 = 69, 63 cm/s c) Para el caso de que haya dilución aplicando nuevamente (59) 600K cF = 23, 44 298K 2,26 15atm 1atm −0,182 (1 − 2,1× 0,1) = 55, 01 cm/s En el caso de motores de combustión interna alternativos, conviene acelerar la velocidad de propagación de la llama. Eso se hará introduciendo turbulencia en el flujo. 104 Deflagraciones: Límites de flamabilidad Valores límites de la composición fuera de los cuales la llama generada por un impulso inicial (chispa) no se propagaría. Libro de Griffiths and Barnard Libro de Turns 105 Deflagraciones: Límites de flamabilidad Libro de Kuo La extinción de la llama fuera de estos límites podría estar asociada a pérdidas de calor (por ejemplo por radiación, o de radicales) que no se difundirían en cantidad suficiente a la zona fría para mantener la llama 106 Deflagraciones: Límites de flamabilidad Factores que influyen: Temperatura inicial: el flamabilidad aumenta con T1 margen de Composición del combustible: Tal como se ve en las tablas anteriores Adición de gas inerte: Ver figura adjunta. Si se añade en exceso la llama no se puede propagar Libro de Kuo Libro de Griffiths and Barnard 107 Deflagraciones: Límites de flamabilidad Factores que influyen: Efecto de la presión: aumenta los márgenes al aumentar, pero en distinta forma según el combustible Libro de Kuo Libro de Kuo 108 Deflagraciones: Límites de flamabilidad Ejemplo 7: Se tiene una bombona pequeña que contiene una masa de propano de m=0,5 kg, y su contenido se fuga en una habitación de volumen V=20 m3. Al cabo de un cierto tiempo se mezclan muy bien aire y propano y se trata de ver si la mezcla es inflamable. Suponer condiciones ambientes p=1 atm, T=15ºC Solución: La presión parcial del propano y su fracción molar serán p pro p pro m R 0T 0,5 kg 8,314 J = = 288 K = 1360,5 Pa ⇒ X pro = = 0, 0134 3 V M pro 20 m 0, 044 kgK p La fracción molar es también la fracción volumétrica. El límite inferior en las tablas anteriores del Libro de Griffiths and Barnard es 2,2% y 2,05% en el de Kuo, frente al 1,34% calculado aquí. Para usar la tabla del libro de Turns habría que calcular la equivalence ratio [(Masa aire ) / (Masa combustible)]st 15,6 Φ= = = 0,32 (Masa aire) /(Masa combustible ) ((1 − X pro )M aire )/ (X pro M pro ) Que también está por debajo del límite inferior 0,51. En cualquier caso debe tenerse en cuenta que durante el proceso de difusión se producirán concentraciones locales mayores, que pueden exceder el límite inferior de flamabilidad 109 Deflagraciones: Sofocado parietal de la llama (Flame quenching) Se refiere al apagado de una llama cerca de una pared, generalmente por pérdida de calor o a veces de radicales. El diámetro de quenching, dT es el diámetro mínimo de un tubo que permite que la llame se propague. La distancia de quenching dQ es la distancia equivalente para propagación entre dos placas paralelas. Entre ambas hay la relación: d T = 1,54d Q (63) En la tabla adjunta se dan valores típicos. Un regla interesante para calcular esa distancia es que el número de Peclet debe ser una constante que vale alrededor de 50 Pe = d Q cF α ≈ 50, α= k (64) ρc p Libro de Griffiths and Barnard 110 Deflagraciones: Sofocado parietal de la llama (Flame quenching) Puede ser un sistema para evitar que se propaguen llamas en ambientes inflamables. Flame arrestors Folleto de propaganda de Enardo 111 Deflagraciones: Sofocado parietal de la llama (Flame quenching) Puede ser un sistema para evitar que se propaguen llamas en ambientes inflamables. Flame arrestors Folleto de propaganda de Enardo 112 Deflagraciones: Estabilización de la llama (Mechero Bunsen) Una llama premezclada tiene una estabilidad neutra y se movería de forma incontrolada a menos que se anclase. Como se vió una pared o el borde de un quemador puede reducir la velocidad de la llama por pérdidas de calor. Factores que influyen en estabilidad: la -El perfil de velocidades en el tubo que tiende a cero en la pared. -En la mayor parte del tubo la velocidad del fluido excede la de la llama. A su vez cerca de la pared la llama por el fenómeno de “Quenching” tiene velocidad nula. Libro de Griffiths and Barnard - Se trata de que la velocidad del fluido exceda siempre la de la llama para evitar que esta penetre en el tubo (flashback). 113 Deflagraciones: Estabilización de la llama (Mechero Bunsen) CF Flashback: La velocidad de la llama es cF excepto cerca de la pared donde es cero por el fenómeno de “quenching”. Las líneas a, b , c dan la velocidad del fluido cerca de la pared. Libro de Griffiths and Barnard -Para el perfil c hay flashback ya que la velocidad de llama es en algunos sitios mayor que la del fluido. -Para el a no hay flashback. -Para el b es una situación límite. 114 Deflagraciones: Estabilización de la llama (Mechero Bunsen) Flashback (Tilted Flame): Llama inclinada. Justo cuando está a punto de ocurrir el flash back la llama empieza a inestabilizarse. La llama crea una contrapresión y penetra en el tubo por la parte donde la velocidad se reduce Libro de Griffiths and Barnard 115 Deflagraciones: Estabilización de la llama (Mechero Bunsen) Blow-off (Llama Soplada): Para valores más grandes de la velocidad, la llama se alargará más y para una cierta velocidad límite la llama se empezará a hacer inestable. También está limitado por un gradiente de velocidad cerca de la pared. Lift-off (Llama levitada): Si la mezcla es rica y se arrastra aire del exterior por tener una velocidad de soplado muy grande, la mezcla puede alcanzar condiciones estequiométricas y se coloca separada de la boca de salida. Ishida Estos mismos fenómenos ocurren en llamas de difusión. Dunn et al. 116 Deflagraciones: Estabilización de la llama (Mechero Bunsen) Blow-out: Si se sopla con más velocidad que la correspondiente al lift-off la llama se desestabiliza y desaparece. Drop-Back: Si desde el lift-off la velocidad se disminuye se vuelve a su posición normal pegada al quemador, pudiendo ocurrir situaciones intermedias. Las situaciones anteriores aparecen reflejadas cualitativamente en el gráfico adjunto. Libro de Griffiths and Barnard 117 Deflagraciones: Estabilización de la llama (Mechero Bunsen) Límites de funcionamiento del quemador: u = cF d , (66) 4d T Su = cF es la velocidad de la llama. Limites experimentales de estabilización dT es el diámetro de “quenching” gF gradiente típico de velocidad en la pared para flash-back =2 cF/ dT gB gradiente típico de velocidad en la pared para blow-off . Se supone una distribución parabólica de velocidad tipo corriente de Hagen-Poiseuille Libro de Griffiths and Barnard r 2 du u = 2u 1 − ⇒− d /2 dr = r =d / 2 8u , (65) d 118 Deflagraciones: Combustión turbulenta: Nociones básicas -Flujo no estacionario -Aparentemente desordenado -Multitud de escalas espaciales y temporales -Intensos procesos de mezcla -Claramente rotacional -Ocurre para procesos con altos números de Reynolds, grandes longitudes y velocidades y pequeñas viscosidades. -Casi todos los procesos de combustión, tanto premezclada como de difusión, de interés industrial son turbulentos -Las ecuaciones de la mecánica de fluidos reproducen este tipo de procesos pero debido a la multitud de escalas, algunas muy pequeñas resulta muy costoso el estudio numérico detallado. -Frecuentemente hay que recurrir a modelar el flujo, al menos para las escalas más pequeñas Llama de difusión incendio Motor de Combustion interna llama premezclada A. O. zur Loye 119 Deflagraciones: Combustión turbulenta: Nociones básicas • Al haber un movimiento aparentemente desordenado de las magnitudes fluidas se suele recurrir a considerar el estudio semiestadístico de sus valores medios ϕ y sus desviaciones típicas ϕ '2 . ϕ = ϕ + ϕ ′ (66) • En particular, una magnitud de interés es la energía cinética turbulenta, k. 1 1 k = v '2x + v '2y + v '2z = v '2 ⇒ oscilación típica turbulenta v ' ∝ 2k (67) 2 2 ( ) 120 Deflagraciones: Combustión turbulenta: Nociones básicas Escalas de la turbulencia: • Si U es una velocidad típica del proceso, v’=uL=(2k)1/2 una velocidad de oscilación típica y L una longitud típica para que haya turbulencia de debe cumplir que Re L = ρ LuL Lu L = >> 1 (68) µ υ Como generalmente U>uL con mayor razón se cumple que UL/ν>>1. • Hay multitud de escalas en la turbulencia desde la más grande L definida hasta las más pequeñas donde se disipa la turbulencia 121 Deflagraciones: Combustión turbulenta: Nociones básicas Escalas de la turbulencia, teoría de Kolmogorov: Existen remolinos grandes en el fluido de tamaño L con velocidad uL que: - se deforman en un tiempo TL = L / u L 2 - disipa su energía y homogenizan la velocidad en un tiempo Tυ = L / υ Lo que sucede es que Tυ LuL = = Re L >> 1 TL υ Por lo tanto el tiempo inercial domina al ser el más pequeño, y los volumenes fluidos se deforman y se parten en otros más pequeños transfiriendo la energía a un ritmo constante que comúnmente se denomina ε[energía/(tiempo y masa)]. 3 uL (68) L uλ3 uk3 uL3 ε ≈ ≈ ... ... ≈ λ L lk ε∝ 1/ 3 uk ∝ ( ε lk ) ⇒ L > λ > lk , 122 (69) Deflagraciones: Combustión turbulenta: Nociones básicas Escalas de la turbulencia, teoría de Kolmogorov: Los volumenes fluidos van rompiéndose en trozos más pequeños, hasta alcanzar una longitud mínima llamada límite de Kolmogorov lk , a partir de la cual lu Tlk ≈ Tυ ⇒ k k υ = Rek ≈ 1 (70) entonces la viscosidad empieza a actuar homogeneizando las propiedades del fluido, e impidiendo ir a trozos menores de volumen fluido. Uniendo (69) con (70), la longitud de kolmogorov es lk ≈ L ( Re L ) 3/ 4 (71) En un flujo en el que Re=10.000 la longitud de Kolmogorov sería 1000 veces menor que la escala del problema. Lo que quiere decir que si quisiésemos captar numéricamente todos los detalles turbulentos deberíamos ir a tamaños de malla 1000 veces menores que en flujo laminar. En un problema 3D, 10003=1.000.000.000 veces más celdas que en flujo laminar, lo que da idea de la complejidad del proceso. 123 Deflagraciones: Combustión turbulenta: Nociones básicas Escalas de la turbulencia, teoría de Kolmogorov: Según la teoría de Kolmogorov, existiría una viscosidad turbulenta, mucho mayor que la viscosidad molecular que haría que la energía se terminando disipando. Sería aquella que igualara el tiempo inercial con el tiempo viscoso TL = L / uL 2 Tυ T = L / υT TυT Tl ≈ 1 ⇒ υT ≈ LuL ρU m2 ∆P Para la corriente de Poiseuille la perdida de carga es: =λ l 8R Siendo λ el coeficiente de perdida de carga que para: 64υ -Régimen laminar: λ = 64 / Re = UmR 64υT = cte solo depende de la rugosidad -Régimen turbulento: λ = 64 / Re = UmR 124 Deflagraciones: Distintos procesos de combustión turbulenta Motores de combustión interna Distintos procesos de combustión (premezclada y difusión) turbulenta, en función del tamaño y velocidad típica del proceso. Libro de Liñán y Williams. 125 Deflagraciones: Distintos procesos de combustión turbulenta En el gráfico anterior se ha supuesto que la velocidad de agitación turbulenta uL=v’=(2k)1/2 =0,1U El límite de flotabilidad corresponde a U2 Fr = ≈ 10 (71) gL El tiempo de residencia τ ≈ Libro de Liñán y Williams L L = 10 ul U (72) Las cantidades sin paréntesis corresponden a presiones atmosféricas y con paréntesis a presiones de 10 atmósferas lk es la longitud de Kolmogorov 126 Deflagraciones: Distintos procesos de combustión turbulenta Clasificación de las llamas premezcladas turbulentas, según los números adimensionales de Damköhler y Reynolds El Número de Reynolds ya se definió Re = Tiempo viscoso ρ LuL L 2k = = >> 1 (68) µ υ Tiempo convectivo El número de Damköhler: DL = Tiempo turbulencia L / 2k = Tiempo químico tQ (73) Donde tQ es el tiempo químico que se puede calcular como el cociente entre el espesor de la llama y la velocidad de propagación de llama tQ = δ Q / c F 127 Deflagraciones: Distintos procesos de combustión turbulenta Dl = Tiempo turbulencia L / 2k = Tiempo químico tQ Libro de Liñán y Williams Rel = ρ L 2k L 2 k = µ υ 128 Deflagraciones: Distintos procesos de combustión turbulenta Reacción distribuida: Se deben cumplir dos condiciones. Tiempo químico > Cualquier tiempo mecánico ⇒ tQ > L / 2k ⇒ DL < 1 longitud química > Cualquier longitud mecánica ⇒ α tQ ≈ υ tQ > L ⇒ Re L DL < 1 La longitud química es el espesor de la zona de reacción δQ ver ecuaciones (21) y (22), también se supone Le de orden 1. Libro de Turns 129 Deflagraciones: Distintos procesos de combustión turbulenta Reacción en capas delgadas. La llama laminar conserva su identidad pero deja de ser plana y se arruga. Se deben cumplir dos condiciones. Tiempo químico < Cualquier tiempo mecánico longitud química < Cualquier longitud mecánica Los menores tiempos y longitudes mecánicas corresponden a la escala de Kolmogorov y ambos criterios son el mismo. Dk = Tiempo Kolmogorov lk / uk DL = = > 1 (74) Tiempo químico tQ Re L 2 Longitud Kolmogorov lk DL Dk = = = > 1 (74 ') Longitud química υ t Re Q L 2 Según se puede ver de operar con las relaciones anteriores Libro de Liñán y Williams 130 Deflagraciones: Distintos procesos de combustión turbulenta Reacción en capas delgadas. La llama puede estar más o menos arrugada según sea su velocidad mayor o menor que la de agitación turbulenta. Velocidad turbulenta 2k Re L ≈ = > 1 llama doblada (75) − 1 Velocidad llama DL υ tQ Re L < 1, llama casi plana DL Para Re muy pequeños el flujo se hace laminar y se recobra la llama plana 131 Deflagraciones: Distintos procesos de combustión turbulenta Flamelets in eddy regime (Llamitas mezcladas con torbelinos): Es la zona en cuña entre Dk=1 y DL=1. Intermedia entre las dos anteriores. El frente de llama se rompe en bolsas de gas sin quemar que se van consumiendo. Las bolsas sin quemar son arrastradas y distorsionadas por los torbellinos lo que aumenta su superficie y hace más eficiente la combustión. Libro de Turns 132 Deflagraciones: Distintos procesos de combustión turbulenta Los motores de combustión interna antiguos suelen estar en la zona de reacción en capas delgadas En motores modernos la combustión suele ser en la zona de llamas en torbellinos Libro de Turns 133 Deflagraciones: Distintos procesos de combustión turbulenta 134 Deflagraciones: Distintos procesos de combustión turbulenta Gráfico análogo al anterior: 2k υ ' = cF cF El número de Karlovitz es: δ 1 dA Ka = c F A dt donde (1/A) (dA/dt) es el rimo de estiramiento de la superficie de la llama. Cuando es muy grande la llama se estira mucho y se extingue. Se puede mostrar que Re L 1 Ka ∝ = Dk DL Libro de Griffiths and Barnard El límite Ka=1 es lo mismo que Dk=1 135 Deflagraciones: Distintos procesos de combustión turbulenta Los motores de combustión interna antiguos suelen estar en la zona de reacción en capas delgadas Ver fotografía del frente más o menos arrugado. Libro de Turns 136 Deflagraciones: Distintos procesos de combustión turbulenta Ejemplo 8: Se tiene un motor de combustión interna en el que las condiciones que se propaga la llama son tal como se vio en un ejemplo anterior: cF = 0,55 m/s p = 15 atm T = 600 K La escala de la turbulencia, L, se supone del orden de la holgura superior en el momento de iniciarse la llama, L=0,005 m, y la velocidad de agitación turbulenta, v’=(2k)1/2=3 m/s. Suponer que los coeficientes de difusión son los del aire Se pide calcular los números de Reynolds y Damköhler y ver en que régimen se produce la combustión. 137 Deflagraciones: Distintos procesos de combustión turbulenta Solución: De las tablas se puede ver la viscosidad cinemática y el coeficiente de difusión térmico a la presión 1 atm y T=600K. Resultando para p=15 atm 53 × 10−6 m 2 /s υ= = 3,53 ×10−6 m 2 /s 15 77 ×10−6 m 2 /s = 5,13 × 10−6 m 2 /s α= 15 La velocidad de reacción química se estima de la ecuación (22) tQ ≈ cF2 α = 5,9 ×104 s −1 Faltaría el número de Zeldovich mulriplicando a CF Con lo que el ReL y DL definidos en (68) y (73) serían Re L = L 2k υ = 4300 DL = L / 2k = 98 tQ 138 Deflagraciones: Distintos procesos de combustión turbulenta Solución: Se puede ver que está en el límite del régimen de frente arrugado y llamas en torbellinos. De hecho se pueden calcular la longitud de Kolmogorov y el espesor de la llama y ver que son muy parecidos: lk ≈ L ( Re L ) 3/ 4 = 9, 4 ×10−6 m δ Q ≈ c F tQ = 9, 3 × 10 −6 m, 2 Longitud Kolmogorov lk DL Dk = = = ≅ 1 (74 ') Longitud química υ t Re Q L 2 139 Deflagraciones: Velocidad de propagación de llama arrugada El frente de llama avanza localmente con la velocidad laminar de la llama relativa al fluido por lo que la masa quemada sería: A M& = ρ1c F AT = ρ1cT A ⇒ cT = c F T (75) A Es decir que la velocidad de avance turbulenta es mayor que la de la llama laminar en un factor que es el cociente entre el área arrugada, AT y el área frontal, A. Es fácil argumentar que al estar distorsionada la llama por la turbulencia el cociente de áreas es de la forma siguiente propuesta por Damköhler: cT v' 2k = 1+ = 1+ (76) cF cF cF Cuanto más turbulencia haya más deprisa se mueve la llama 140 Deflagraciones: Velocidad de propagación de llama arrugada Expresión alternativa propuesta por Klimov válida para v’>>cF 2k cT = 3,5 cF cF 0,7 (77) 141 Deflagraciones: Velocidad de propagación de llama arrugada Ejemplo 9: Para el ejemplo anterior calcular la velocidad turbulenta de la llama utilizando las dos fórmulas anteriores. Se tiene un motor de combustión interna en el que las condiciones que se propaga la llama son tal como se vio en un ejemplo anterior: cF = 0,55 m/s p = 15 atm T = 600 K La escala de la turbulencia, L, se supone del orden de la holgura superior en el momento de iniciarse la llama, L=0,005 m, y la velocidad de agitación turbulenta, v’=(2k)1/2=3 m/s. Suponer que los coeficientes de difusión son los del aire 142 Deflagraciones: Velocidad de propagación de llama arrugada Solución: Fórmula de Damköhler cT 2k v' = 1+ = 1+ . cT = 3,55 m/s (76) cF cF cF Fórmula de Klimov: 0,7 2k cT = 3,5 . cT = 6,31 m/s (77) cF c F Diferencia importante; para esta aplicación el último resultado es más fiable 143 Deflagraciones: Velocidad de propagación de llama distribuida En las ecuaciones (22) y (26) se vio que la velocidad laminar de la llama era cF ≈ α t Q− 1 , ( 2 2 ) Ahora la estructura interna es turbulenta, y se sustituye el coeficiente de difusión laminar por el turbulento, que es el producto de la escala de la turbulencia por la velocidad de agitación turbulenta típica: α T ∝ L 2k = Lv ' cT = α T t Q− 1 ∝ L v ' t Q− 1 Dado que la velocidad de reacción química es similar en los procesos laminar y turbulento se tiene: cT ∝ cF Lv ' α (77 ') Expresión propuesta por Damköhler, que no ha sido muy contrastada, pero se ha aplicado para deducir la distancia de lift-off, como se verá. 144 LLAMAS DE DIFUSIÓN 145 Llamas de difusión: Introducción En las llamas de difusión (como por ejemplo la llama de una vela, una cerilla, o las llamas de los motores diesel) el combustible y el oxidante están separados inicialmente y los procesos de mezcla y reacción química se producen de un modo simultaneo, llegando el oxidante y el combustible a la zona de reacción desde lados opuestos. Configuración clásica: dos flujos de oxidante y combustible que se encuentran y originan una llama de difusión (Counter flow diffusion flame). 146 Llamas de difusión: Introducción En los sistemas de combustible líquido ó sólido, la combustión solo puede producirse tras la vaporización o gasificación del combustible y el mezclado de los vapores con el aire. En otros sistemas, los reactantes (gaseosos) entran a la cámara de combustión por separado y deben mezclarse a nivel molecular antes de reaccionar. En ambos casos el tiempo de reacción en las zonas de alta temperatura suele ser tan corto que los reactantes solo coexisten en capas delgadas de reacción, o llamas de difusión. Generalmente las llamas son turbulentas, sin embargo el estudio laminar es la base para el turbulento. 147 Llamas de difusión: Introducción En estas llamas la reacción química se produce a un ritmo determinado por el ritmo de generación de vapores de combustible y el ritmo de mezcla con el oxigeno del aire. En una vela, p. ej., el ritmo de reacción y, por tanto, la longitud de la llama, vienen determinados por el ritmo de generación de vapores de combustible, que aumenta con la longitud de la mecha. 148 Llamas de difusión laminares: Ecuaciones de conservación Consideraremos una reacción global, con velocidad de reacción dada por la ley de Arrhenius gr de O2 r = gr de F esteq F + rO2 → (1 + r ) P 1 ( g de combustible Fuel ) + r ( g de oxidante) ⇒ (1 + r ) ( g de productos ) (78) Ecuación de conservación de la fracción másica del combustible (Fuel) YF , ver ec. (26) r ∂Y ρ F + v ⋅∇YF = ∇ ⋅ ( ρ DF ∇YF ) − ωF ∂t E 3 n m (79) ωF ( molF / m s ) = BCF CO exp − 0a RT 2 Variación local, Transporte convectivo, transporte difusivo , reacción química Análogamente se puede hacer lo mismo para el oxidante y productos ∂YO r + v ⋅∇YO = ∇ ⋅ ( ρ DO ∇YO ) − ωO ∂t ρ ∂YP r + v ⋅∇YP = ∇ ⋅ ( ρ DP ∇YP ) + ωP ∂t ρ (80) ωF = ωO r = ωp r +1 (82) (81) 149 Llamas de difusión laminares: Ecuaciones de conservación La ecuación de conservación de la energía se puede poner como (ver ec. (25)) ∂T r + v ⋅∇T = ∇ ⋅ (k ∇T ) + ∆Q1wF ∂t ρcp (83) Aquí ∆Q1 sería el calor liberado por unidad de masa de combustible. Se relaciona con el introducido para la llama premezclada en (25) que era por unidad de masa de reactante, por: ∆Q1 = (1 + r )∆Q Para deducir esta ecuación se ha supuesto: • El calor especifico cp es igual para todas las especies y constante. • No hay disipación viscosa. • Las variaciones de presión son pequeñas comparadas con la presión misma. • Se deprecia el calor transmitido por radiación. 150 Llamas de difusión laminares: Escalares pasivos Vamos a definir unos escalares pasivos Zi, que la reacción química ni los crea ni los destruye (Variables de Schwab-Zeldovich). • Si se supone que todos los coeficientes de difusión son iguales, DF=DO=DP en las ecuaciones (78)-(79)-(80), se pueden agrupar las fracciones másicas en variables que compensen el efecto de la reacción química: Yp YO Y p YO Z 2 = YF + (84) Z3 = + (85) Z 1 = YF − (83) r + 1 r r + 1 r (83) y el número de • Si se supone que cp es constante en Le=k/(ρDFcp)=1, la Temperatura T y la fracción de combustible también se pueden agrupar para eliminar el efecto de la reacción química c pT (88) Z 4 = YF + ∆Q1 •Todas las variables Z satisfacerían una ecuación del tipo siguiente en la que no hay reacción química: ∂Z r ρ i + v ⋅∇Z i = ∇ ⋅ ( ρ DF ∇Z i ) (86) con c.contorno e iniciales distintas para cada Z i ∂t 151 Llamas de difusión laminares: Escalares pasivos Teoría de Burke-Schumann (YOxYF=0) Para obtener las concentraciones de combustible, oxidante y productos, junto con la temperatura a través de las Zi, hay que asumir reacción infinitamente rápida: En la llama no pueden coexistir combustible y oxidante. Z1 = YF − Z1 < 0 ⇒ Z1 = − YO r YF = 0 YO r (83) ( 89 ) Z1 > 0 ⇒ Z1 = YF YO = 0 ( 90 ) Por ejemplo, para el caso de que el combustible saliese por un tubo y se mezclase con el aire exterior se crearía una llama anclada en el borde de salida. 152 Llamas de difusión laminares: Fracción de mezcla Fracción de mezcla ξ: A cualquiera de las variables Zi se la puede sumar y multiplicar por una constante y seguirse satisfaciendo (86). Esto tiene la ventaja de que las condiciones de contorno para ξ serán la misma. La fracción de mezcla toma el valor 1 en el lado del combustible puro y cero en el lado del oxidante. ξ= 1 YO∞ + Z 1 r YO∞ r SY / Y − Y / Y + 1 ξ = F F 0 O O∞ 1+ S YF 0 + (91) Definimos S como: Masa de aire que reacciona por unidad de masa de la corriente de combustible. S= rYF 0 YO∞ 153 Llamas de difusión laminares: Fracción de mezcla Fracción de mezcla ξ: En la llama, la fracción de mezcla toma su valor estequiométrico: En la llama YF = YO = 0 ⇒ ξ = ξ st = 1 1+ S (92) La fracción de mezcla viene determinada de forma unívoca por la solución de la ecuación ∂ξ r ρ ∂t + v ⋅∇ξ = ∇ ⋅ ( ρ D∇ξ ) (86 ') Con las condiciones de contorno: ξ = 0, en el lado del oxidante ξ = 1, en el lado del combustible puro (93) 154 Llamas de difusión laminares: Fracción de mezcla Para el caso del aire y metano Aire YO∞ = 0, 232, Metano puro YF 0 = 1 CH 4 +2O 2 → CO 2 +2H 2O r = 2 WO2 WCH 4 32 =2 =4 16 ξ st = 1 = 0, 055 rYF 0 1+ YO∞ (92 ') Generalmente la fracción de mezcla estequiométrica es muy pequeña. Las Y relaciones (89) y (90) expresadas en función de la fracción de mezcla serían ξ < ξ st ⇒ YO = ξ st − ξ YO∞ ξ st YF = 0 (89' ) ξ > ξ st ⇒ YF = YF 0 ξ − ξ st 1 − ξ st YO = 0 (90 ') 155 Llamas de difusión laminares: Fracción de mezcla De forma similar a lo anterior se puede relacionar la fracción de mezcla con Z2 (de hecho es la misma fracción de mezcla) y Z4 y de ahí obtener relaciones que liguen las concentraciones de productos y la temperatura con la fracción de mezcla. Utilizando las relaciones (89’) y (90’) se tiene ξ = Z 2 / YF 0 = YF / YF 0 + Yp (94) ( r + 1) YF 0 ξ < ξ st ⇒ Yp = (r + 1)YF 0ξ YF = 0 (95) ξ > ξ st ⇒ Yp = (r + 1)YF 0 ξ st (1 − ξ ) 1 − ξ st (96) 156 Llamas de difusión laminares: Fracción de mezcla Haciendo lo mismo con Z4 para calcular la temperatura, tenemos: ξ= YF 0 + 1 c p (T0 − T∞ ) ∆Q1 YF + c p (T − T∞ ) c pT∞ ∆Q1 − = Z 4 c (T − T ) ∆Q1 YF 0 + p 0 ∞ ∆Q1 ξ < ξ st ⇒ T = T∞ + ξ T f − T∞ ξ st ξ > ξ st ⇒ T = T0 + (1 − ξ ) T f − T0 1 − ξ st T0 = Temperatura combustible (97) T∞ = Temperatura oxidante (98) (99) Donde Tf es la temperatura de la llama (Flame temperature) YF 0 ∆Q1 T f = T∞ + ξ st T0 − T∞ + (100) c p 157 Llamas de difusión laminares: Temperatura de llama Temperatura de la llama: Esta temperatura coincide con la dada para una llama premezclada en (33) si T0 = T∞ = T1 , y la composición de reactante en la llama premezclada es la estequiométrica YF 0 ∆Q1 T f = T∞ + ξ st T0 − T∞ + (100) cp Ya que Y1 = (1 + r )YF 0ξ st , T2 = T f = T1 + Y1∆Q cp (33) ∆Q1 = (1 + r )∆Q Los valores de Tf las tablas de llamas premezcladas estequiométricas valen aquí en primera aproximación Libro de Griffiths and Barnard 158 Llamas de difusión laminares: Temperatura de llama En realidad la relación antes presentada T(x) se obtiene suponiendo cp constante. Alternativamente, de forma más realista se suelen utilizar funciones T(x) basadas en reaciones de equilibrio, como la indicada a continuación, dada por Sivathanu y Faeth (1990) para gas natural-aire. Se han tenido en cuenta pérdidas por radiación que hacen menor la temperatura de la llama 159 Llamas de difusión laminares: Cálculo de la llama de difusión • La parte química del proceso se reduce a resolver la ecuación de su fracción de mezcla con sus condiciones de contorno . ρ ∂ξ r + v ⋅ ∇ξ = ∇ ⋅ ( ρD∇ξ ) (86' ) ∂t ξ = 0, en el lado del oxidante ξ = 1, en el lado del combustible puro (93) • Una vez calculada dicha fracción de mezcla la composición y las temperaturas se calcularían como función de la fracción de mezcla. • Sin embargo, en (86’) aparecen la velocidad y densidad que se obtienen de resolver el problema mecánico: Ecuaciones de la mecánica de Fluidos: Ecuación de Conservación de masa (101) 3 ecuaciones de conservación de cantidad de movimiento (102) • Un sistema de 5 ecuaciones para calcular las tres componentes de la velocidad, la presión y la fracción de mezcla. • El sistema está fuertemente acoplado a través de los grandes cambios de temperatura que inducen grandes cambios de densidad. 160 Llamas de difusión laminares: Cálculo de la llama de difusión • Vamos a suponer un tipo de combustión en el que no se producen cambios de densidad importantes. • Aunque no sea realista puede darnos ideas cualitativas interesantes de la forma de la llama. • Consideremos un chorro de combustible gaseoso que sale por un orificio y se mezcla y quema con el aire exterior. • Existe una solución exacta para el caso incompresible suficientemente lejos de la boca de salida fuera del núcleo inicial. • Calculado el campo de velocidades igualmente existe una solución de la ecuación (86’) que da la fracción de mezcla que es de la forma indicada en la figura. • El campo de velocidades axial es similar al de la distribución de la fracción de mezcla 161 Llamas de difusión laminares: Cálculo de la llama de difusión Las distribuciones de velocidad axial radial y de fracción de mezcla son: 1/ 2 3J vr = πρ 16 vx = ξ= ς3 ς− 1 4 (101) x ς 2 2 1 + 4 3J 1 1 8πµ x ς 2 1 + 4 2 Donde J es la cantidad de movimiento a la salida, Q el caudal de combustible y ζ una variable de semejanza. (102) 3Q 1 1 (103) 8πD x ς 2 2 1 + 4 Q = πR 2 v s (104) J = ρv s Q (105) 1/ 2 3ρJ ς = 16 π 1r (106) µx D es el coeficiente de difusión molecular 162 Llamas de difusión laminares: Cálculo de la llama de difusión En particular la ecuación de la llama vendría dada por (103) particularizando para la fracción de mezcla estequiométrica: ς2 x 1 + 4 2 = 3Q 1 (107) 8πD ξ st Haciendo r=z=0 se tendría la longitud de la llama: Lllama 3v s R 2 3Q 1 = = (109) 8πD ξ st 8Dξ st Lllama = 3 Re R ≈ S Re R 8 ξ st La llama laminar es más larga cuanto mayor es la velocidad de salida. Esto no ocurre para flujo turbulento en el que el papel del coeficiente de difusión D lo juega un coeficiente de difusión turbulento que no sería dato independiente del problema. De hecho sería proporcional a vsR , con lo que en la ecuación (109) desaparecería la dependencia con la velocidad de salida. 163 Llamas de difusión laminares: Cálculo de la llama de difusión Transición de régimen laminar a turbulento: Artículo de Hotel y Hawthorne 1949 164 Llamas de difusión laminares: Cálculo de la llama de difusión Transición de régimen laminar a turbulento: Articulo de Hotel y Hawthorne 1949 165 Llamas de difusión laminares: Cálculo de la llama de difusión Efecto de la variación de densidad Correlación de Roper para orificios circulares, obtenida de consideraciones teóricas: 0, 67 Q (T∞ / T0 ) 1 T∞ Lllama = (109' ) 4πD∞ ln(1 + 1 / S ) T f Donde D∞ es el coeficiente de difusión del oxidante y σ es la relación estequiométrica molar aire-combustible, aproximadamente se cumple que al ser σ grande: 1 M ln (1 + 1/ σ ) ≈ σ ≈ aire M fuel ξ st Con lo que la fórmula anterior se parece más a la (109). Roper da otra relación obtenida experimentalmente, en la que se deben utilizar unidades del SI: Q (T∞ / T0 ) Lllama = 1330 ln (1 + 1/ σ ) (109 '') En el libro de Turns se dan otras correlaciones para orificios no circulares. Son para llamas verticales e incluyen efecto de la flotación. 166 Llamas de difusión laminares: Cálculo de la llama de difusión Articulo de Hotel y Hawthorne 1949. Incluye llamas laminares y turbulentas y efectos de flotabilidad 167 Llamas de difusión laminares: Cálculo de la llama de difusión Ejemplo 10: Se tiene un quemador en el que se inyectan Q=4 cm3/s de metano a condiciones ambientes. Se trata ver la longitud de la llama y el calor liberado. Comprobar que la llama es efectivamente laminar. Suponer que la transición a turbulento es en condiciones similares a la del gas ciudad. Tomar para radio de la boquilla de salida R=1 mm. Calcular la potencia del quemador. Solución: La relación estequiométrica molar aire-combustible valdría: moles aire 21 moles O2 + 79 moles N 2 2 moles O2 moles aire = σ= × 4, 76 = 9,52 4, 76 moles O 21 moles O2 1 mol CH 4 moles O2 2 La ec. (109’’) daría: Lllama = 0,0533 m Y utilizando Tf=2200, D∞=0,178 x10-4 m2/s en (109’) Lllama = 0,047 m 168 Llamas de difusión laminares: Cálculo de la llama de difusión Ejemplo 10. Solución (continuación): Estos resultados más o menos concuerdan con los del diagrama de Hotel y Hawthorne, parte inferior. Utilizando (109) con ξst=0,055 se obtendría una longitud mucho mayor que no sería correcta por no haber tenido en cuenta los efectos de cambio de densidad: factor (T∞/Tf)0,67en (109’). 7 El calor liberado en la combustión de metano es: ∆Q1 = 5,0016 × 10 J/kg y su densidad en condiciones normales J R0 Rg = = M Y la potencia ρQ∆Q1 = 130,4 W 8,315 p J kg K mol = 519, 69 ⇒ρ= = 0, 65 3 g K kg Rg T m 16 mol La velocidad de salida y el número de Reynolds serían, vs = Q πR 2 = 1,27 m/s ⇒ Re = 2 Rv s ρ = 82,6 µ tomando para la viscosidad del metano en condiciones normales: µ = 2 × 10 −5 kg ms En el gráfico del artículo de Hotel se cita un número de Reynolds de transición entre 3000 y 4000 para gas ciudad, muy por encima del calculado. 169 Llamas de difusión laminares: Estructura interna El término de reacción química actúa en una región muy delgada cerca de la llama, suavizando la dependencia con la fracción de mezcla cerca de los picos. Suponiendo que YF(x) y utilizando las dos ecuaciones (79) y (86’) ρ D (∇ ⋅ξ ) 2 d 2YF = ωF dξ 2 (107) Análogamente, si se supone T(x) y se utilizan (87) y (76’) ρ D (∇ ⋅ξ ) 2 d 2T ∆Q1 = ω F dξ 2 cp (108) La reacción química es sólo importante alrededor de la llama. El factor primero que representa el inverso de un tiempo de difusión se evalúa para ξ=ξst y por tanto será una constante χ = ρD(∇ ⋅ ξ )2 st (109) Las ecuaciones (107) y (108) se resuelven con la condición de contorno que lejos de la llama se recobra la solución de reacción infinitamente rápida. 170 Llamas de difusión laminares: Estructura interna La estructura interna pasa a depender no sólo de la fracción de mezcla pero también de la cantidad χ = ρD(∇ ⋅ ξ )2 (109) T (ξ , χ ) st Que también se llama disipación del escalar pasivo: - Según veremos cuando χ es muy grande la llama se puede extinguir. -Si χ es muy pequeño estamos en el límite de Combustión infinitamente rápida. Caso real con metano Liew et al. 171 Llamas de difusión laminares: Estructura interna Habrá un parámetro grande que es el número de Damköhler: Da ≈ tiempo difusión wF ≈ tiempo químico χ >> 1 (109) ξ ≈ξ st Cerca de la zona de reacción química las derivadas segundas se harían muy grandes del orden del Da. Y muy pequeñas lejos. El espesor de la zona de reacción se haría del orden de: 1 ∆ξ ≈ << 1 (110) 1/ 3 Da Ver libro de Liñán y Williams. Ver Liñán, A., 1974. Asymptotic Structure of Counterflow Diffusion Flames for Large Activation-Energies Acta Astronautica,1, (7-8), 1007-1039. 172 Llamas de difusión laminares: Estructura interna Si Da disminuye la temperatura de la llama, Tf, se hace pequeña y se puede extinguir para Da<DaE: Igualmente, hay una premezcla congelada sin reacción que puede empezar a arder para Da>DaI 173 Llamas de difusión turbulentas: Introducción Llamas turbulentas de difusión típicas, en un diagrama similar a uno que se vio antes. Libro de Cox 174 Llamas de difusión turbulentas: Introducción Posibles configuraciones: Buoyant fires. Llamas en incendios dominadas por gravedad. Jet fires. Llamas dominadas por cantidad de movimiento. Transición de laminar a turbulento. Llama horizontal chocando contra una pared. J. Grages Rockemore, W. M. et al 175 Llamas de difusión turbulentas: Modelo de cálculo basado en la pdf Como se indicó en la ec. (66) para el estudio de la turbulencia hay que operar con valores medios ϕ = ϕ + ϕ ′ ⇒ ϕ '2 (66) Las relaciones anteriores YF(ξ), YO(ξ), T(ξ) calculadas en flujo laminar siguen valiendo pero: YF ≠ YF (ξ ), YO ≠ YO (ξ ), T ≠ T (ξ ) (111) Ya que la dependencia con ξ es no lineal en particular alrededor de ξst 176 Llamas de difusión turbulentas: Modelo de cálculo basado en la pdf Para calcular los valores medios es necesario conocer la función de densidad de probabilidad (probability density function, pdf) de la fracción de mezcla: P(ξ), 1 YF = ∫ P(ξ )Y F (ξ ) dξ 0 1 YO = ∫ P(ξ )Y F (ξ ) dξ 0 1 T= ∫ P(ξ )T (ξ )dξ (112) 0 Se suele calcular de forma aproximada dando su valor medio, su desviación típica ξ , ξˆ = ξ '2 (113) y una forma predeterminada de dicha pdf. 177 Llamas de difusión turbulentas: Modelo de cálculo basado en la pdf La forma de P(x) depende del proceso físico y del lugar: Figura tomada de Bilger 178 Llamas de difusión turbulentas: Modelo de cálculo basado en la pdf Las ecuaciones a resolver en el caso turbulento serían: Ecuación de Conservación de masa (114) 3 ecuaciones de conservación de cantidad de movimiento (115) Ahora, haría falta calcular la viscosidad turbulenta, para lo que se tendrían que calcular la energía cinética turbulenta, k, y su ritmo de disipación, ε Ecuación de Conservación de k (116) Ecuación de Conservación de ε (117) Para el cálculo de la composición y temperatura haría falta conocer, según se acaba de indicar, el valor medio de la fracción de mezcla y su desviación típica 2 ˆ ξ, ξ = ξ ' Lo que representa dos ecuaciones más: Ecuación de conservación de ξ (118) Ecuaciónde conservación de ξˆ = ξ '2 (119) 179 Llamas de difusión turbulentas: Modelo de cálculo basado en la pdf • Sistema de 8 ecuaciones con 8 incógnitas: * presión. * tres componentes de la velocidad. *k *ε * ξ , ξˆ • La composición y temperatura se calcularían a partir de la fracción de mezcla, utilizando (12) y con la pdf, conocida su forma y ξ , ξˆ • La densidad se calcularía a partir de la ecuación de estado suponiendo que las variaciones de presión son pequeñas comparadas con la presión absoluta. • Si los efectos de radiación son importantes no se cumple que T(x) y habría que resolver además la ecuación de la energía , serían 9 ecuaciones con 9 incógnitas 180 Llamas de difusión turbulentas: Modelo de cálculo basado en la pdf • Para evitar esta complicación, una aproximación es suponer que el calor perdido por radiación es una fracción fija del calor de combustión y usar un calor efectivo de combustión, esto se hace particularmente en grandes incendios: ∆Q1efectivo = (1 − η )∆Q1 (120) • Para el gas natural η es aproximadamente 0,19 y para propano 0,3. • En el artículo de Hernández et al. Se dan una serie de formas de llamas calculadas con este modelo para gas natural, que se reproducen a continuación • Se trata de la simulación de llamas verticales y horizontales bajo la acción de un viento cruzado y simultáneamente de la gravedad y de la cantidad de movimiento 181 Llamas de difusión turbulentas: Modelo de cálculo basado en la pdf v s2 Fr = 2 gR artículo de Hernández et al. 182 Llamas de difusión turbulentas: Modelo de cálculo basado en la pdf v s2 Fr = 2 gR artículo de Hernández et al. 183 Llamas de difusión turbulentas: Modelo de cálculo basado en la pdf v s2 Fr = 2 gR artículo de Hernández et al. 184 Llamas de difusión turbulentas: Longitud de la llama Llama vertical en ambiente en calma. Correlación propuesta por Delichatsios. (ver Libro de Turns) L* = 13,5 Fr f2 / 5 ( ) 1/ 5 1 + 0,07 Fr f2 , para Fr f < 5, domina flotación L* = 23 para Fr f > 5 flotación despreciable (121) Donde: Fr f = v sξ st3 / 2 ρs ρ∞ L* = Lllama 1/ 4 1/ 2 T f − T0 gD T 0 ξ st ρ D s ρ∞ 1/ 2 (122) 185 Llamas de difusión turbulentas: Longitud de la llama Ejemplo 11: calcular la longitud de una llama debida a un flujo de metano de 1 g/s. El diámetro de la boquilla es D= 7 mm. Suponer condiciones ambientes para el metano saliente y en el ambiente, p=105 Pa y T0=293 K. Solución: De ejemplos anteriores para condiciones ambientes: 0 R gs = R g∞ = R = MS Ru = M∞ J ps J kg K mol = 519, 69 ⇒ ρs = = 0, 66 3 g K kg R gsTs m 16 mol 8, 315 J p∞ K mol J kg = 286,7 ⇒ ρ∞ = = 1,19 3 g K kg Rg∞T∞ m 29 mol 8,315 aire YO∞ = 0, 232, oxígeno − metano r = 4 ⇒ ξ st = 1 1 + rYF 0 / YO∞ = 0, 055 (92 ') La temperatura de la llama para el metano-aire de una tabla anterior sería Tf=2222 K. Y la velocidad de salida: m& = 1× 10 −3 kg/s ⇒ v s = m& ρ sπD 2 / 4 = 39,4 m/s 186 Llamas de difusión turbulentas: Longitud de la llama Solución: Con estos valores se tiene un número de Froude de la llama: v sξ st3 / 2 Fr f = ρs ρ∞ 1/ 4 1/ 2 T f − T0 gD T 0 = 0,87 Al ser menor que 5 la llama está dominada por flotación: L* = 13,5 Fr f2 / 5 ( ) 1/ 5 1 + 0,07 Fr f2 L llama = 12,63 ρ D s ρ = L* ∞ ξ st 1/ 2 = 1,19 m 187 Llamas de difusión turbulentas: Longitud de la llama Correlación de Hernández et al. para llama horizontal con viento uH vs2 Lst = 10,3D 1 − 3,5 v gD s 0,2 + 0,9 u H / vs (123) Solo para metano y aire. Vale si el efecto de flotación es apreciable con el mismo criterio para llama vertical . Fr f = v sξ st3 / 2 ρs ρ∞ 1/ 4 1/ 2 T f − T0 gD T 0 <5 Para el ejemplo anterior: D = 7 mm, u1 = vs = 39, 4 m/s, uH = 0 Lllama = Lst = 0,53 m La llama horizontal resulta más corta que la vertical. 188 Llamas de difusión turbulentas: Efecto de la cinética química. Extinción • Para ciertos productos como los óxidos de nitrógeno o el hollín la cinética química es lenta y no se puede utilizar la aproximación de Damköhler alto. • Aunque sus concentraciones son pequeñas tienen importancia en el estudio de la contaminación y la radiación. • El estudio de las sustancias contaminantes al estar en concentración pequeña puede desacoplarse del anterior. • No así con el hollín que al influir mucho en la radiación estaría acoplado al problema principal. • Otro aspecto importante que se verá a continuación es la posible extinción local de las llamas debido a las fuertes distorsiones del flujo creadas por la turbulencia. 189 Llamas de difusión turbulentas: Efecto de la cinética química. Extinción La llama turbulenta se puede considerar como un conjunto de llamitas laminares muy contorsionadas, en las que al haber fuertes gradientes el término de disipación que se hará muy grande y habría que tener en cuenta que la fracción de mezcla depende de dicho término. χ = ρD(∇ ⋅ ξ )2 st (109) T (ξ , χ ) Con lo que habría posibilidad de que la llama turbulenta se extinguiese. Siendo una posible interpretación del fenómeno del lift-off para llamas de difusión turbulentas. Hult et al. 190 Llamas de difusión turbulentas: Lift-off. Levitación de llamas Kioni et al. 191 Llamas de difusión turbulentas: Lift-off. Levitación de llamas Palacios et al. 192 Llamas de difusión turbulentas: Lift-off. Levitación de llamas Un criterio para la aparición del lift-off lo asocia al punto triple antes descrito, e indica que en el punto donde la velocidad de la llama premezclada laminar es máxima, o la concentración es la estequiométrica, se igualan la velocidad del fluido y la velocidad turbulenta de la llama. 193 Llamas de difusión turbulentas: Lift-off. Levitación de llamas Al haber proporcionalidad entre concentraciones de combustible y velocidades axiales, en el punto donde aparece el lift off la velocidad media del fluido será: v ∝ v ξ ∝ v ' ∝ c s st T Que a su vez es proporcional a la velocidad de agitación turbulenta, y según el criterio antes indicado proporcional a la velocidad turbulenta de propagación de la llama. Utilizando la ecuación: cT ∝ cL Lv ' α (77') Kalghatgi identifica la escala de la turbulencia con la longitud de lift-off, y de las dos ecuaciones anteriores se obtiene: αξ v hlift −off ∝ st s 2 L c La aplicación de (77’) a esta configuración es dudosa pero los resultados según se verá no son malos. 194 Llamas de difusión turbulentas: Lift-off. Levitación de llamas Suponiendo que el número de Prandtl no es muy diferente de uno de manera que la difusividad térmica se puede sustituir por la viscosidad cinemática, m/r, y que la relación estequiométrica no varía mucho de un combustible a otro, e introduciendo un factor correctivo asociado a las diferentes densidades ambiente y del combustible, Kalghatgi, obtuvo la siguiente correlación que es aceptable en mucos casos 1,5 hlift −off = 50 µ s vs ρ s 2 ρ s cLst ρ ∞ (124) Para el caso de metano-aire µ s = 2 × 10−5 kg /(ms ) ρ s = 0, 66 kg / m3 cLst = 0, 45 m / s ρ ∞ = 1, 2 kg / m3 hlift −off = 0, 00305vs Para el ejemplo anterior: v s = 39, 4 m / s hlift − off = 0,12 m 195 Llamas de difusión turbulentas: Lift-off. Levitación de llamas hlift −off = 50 µ s vs 2 ρ s cLst 1,5 ρs ρ ∞ (124) Para el caso de propano-aire se puede comparar con resultados experimentales Parece que da velocidades mayores µ s = 8,5 ×10−6 kg /(ms) ρ s = 1,854 kg / m3 cLst = 0, 43 m / s ρ∞ = 1, 2 kg / m3 hlift −off = 0, 00217 vs 196 Llamas de difusión turbulentas: Blow-out. Apagado de llamas Si se aumenta la velocidad de soplado la distancia de lift off aumenta y para un cierto valor límite se extingue. Según la interpretación anterior en todos los puntos donde se alcanzase composición estequiométrica la velocidad del fluido sería mayor que la velocidad turbulenta de la llama. Según Kalghatgi, para que ocurriese el blow-out la distancia límite hlift-off en (124) sería a la que se podría alcanzar la concentración estequiométrica: H = hmáx lift −off 1 = 4 ξ st ρs ρ ∞ 0,5 − 5,8 D (125) Sustituyendo este valor en (124) se calcularía la velocidad de blow-out , aunque Kalghatgi hace unos pequeños ajustes de manera que no queda exactamente lo mismo: v s blowout 2 c ρ H c Fst ρ s H = 0,017 1 − 3,5 × 10 −6 Fst s µ s µs ρ ∞ ρ s 1,5 (126) 197 Llamas de difusión turbulentas: Blow-out. Apagado de llamas Ejemplo 12. Para el ejemplo anterior, diámetro de la boquilla D= 7 mm, con metano saliente con condiciones ambientes, y en el ambiente, p=105 Pa y T0=293 K, se pide calcular la máxima distancia de lift-off y la velocidad de soplado de la llama y el gasto y potencia correspondientes. H = hmáx lift − off 1 = 4 ξ st ξ st = 0, 055 ρ s = 0, 66 kg / m ρ∞ = 1, 2 kg / m3 H = 0, 215 m 3 ρs ρ∞ 0,5 1,5 2 cFst ρs H c ρ H ρ −6 Fst s ∞ (126) − 5,8 D (125) vs blowout = 0,017 1 − 3,5 ×10 µ µ ρ s s s cFst = 0, 45 m / s µs = 2 ×10−5 kg /(ms) vs blow−out = 59, 21 m / s m& blow−out = vs blow−out ρs π D2 = 1,5 g / s 4 Potencia máxima = m& blow−out ∆Q1 = 75.000 W ∆Q1 = 5,0016 ×107 J/kg La velocidad calculada en el ejemplo anterior está cerca de la de soplado que acabamos de calcular. Una forma de evitar el lift-off y blow-out es mediante llamas piloto. 198 Tablas de propiedades termodinámicas Gases involucrados en la combustión: CO, CO2, H2, H, OH, H2O, N2, N, NO, NO2, O2, O • Calor específico molar a presión constante • Entalpía –entalpía de formación a 298 K, por mol • Entalpía de formación molar • Entropía molar • Función de Gibbs de formación por mol Tablas recogidas en Turns, An Introduction to Combustion, Mc Graw-Hill 2000 199 Tablas de propiedades termodinámicas CO 200 Tablas de propiedades termodinámicas CO2 201 Tablas de propiedades termodinámicas H2 202 Tablas de propiedades termodinámicas H 203 Tablas de propiedades termodinámicas OH 204 Tablas de propiedades termodinámicas H2O 205 Tablas de propiedades termodinámicas N2 206 Tablas de propiedades termodinámicas N 207 Tablas de propiedades termodinámicas NO 208 Tablas de propiedades termodinámicas NO2 209 Tablas de propiedades termodinámicas O2 210 Tablas de propiedades termodinámicas O 211 Tablas de propiedades termodinámicas Distintos combustibles Turns, An Introduction to Combustion, Mc Graw-Hill 2000 212 Tablas de propiedades termodinámicas Aire Turns, An Introduction to Combustion, Mc Graw-Hill 2000 213 Tablas de propiedades termodinámicas Aire Turns, An Introduction to Combustion, Mc Graw-Hill 2000 214 Biografía Baker, W.E., Cox, P.A., Westine, P.S., Kulesz, J.J. and Strehlow, R.A. 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