Thesis:

Investigación y desarrollo de un quemador divergente de medio poroso inerte para la combustión de la premezcla propano-aire

La combustión de llamas premezcladas en medios porosos inertes se ha catalogado como una opción muy eficiente al momento de quemar mezclas de bajo poder calorífico, con baja tasa de emisiones contaminantes y con amplia modulación de potencia, además de otras ventajas comparado con la combustión de llama libre. Uno de los problemas que enfrenta esta tecnología es el movimiento del frente de combustión al interior del reactor ya sea aguas abajo o arriba del flujo, lo cual puede ocasionar inestabilidades, un desplazamiento fuera del medio poroso o bien, hacia las líneas de ingreso de premezcla, lo que se conoce como blowout y flashback, respectivamente. El presente trabajo de tesis investiga numérica y experimentalmente la técnica de estabilización del frente de combustión conocida como convectiva o variación de área transversal, la cual tiene como base la ley de conservación de masa, buscando que la velocidad de entrada de premezcla se equipare a la velocidad de quemado del combustible. El estudio se realiza mediante tres reactores de medio poroso de esferas de alúmina de 0°, 15° y 30° de divergencia, alimentados por mezclas de aire y propano. Para la contraparte numérica se desarrollan modelos 2D transientes basados en el método de diferencias finitas que resuelven la fluidodinámica, temperaturas del sólido y gas, respectivamente, y conservación de especie química. Se simularon los efectos que tiene la variación de la relación de equivalencia, la velocidad de filtración a la entrada y el ángulo de divergencia sobre la temperatura, posición, velocidad y geometría del frente de combustión. Además, se analiza el comportamiento de los gases producto. Los resultados arrojaron comportamientos no informados antes en la literatura existente sobre este tipo de reactores. En comparación con un reactor de paredes rectas o cilíndrico en donde la geometría de la llama es normalmente plana, se comprobó tanto experimental como numéricamente que ésta llama es cóncava en un reactor de paredes inclinadas, curvatura que además está influenciada por la magnitud de la velocidad de filtración y la velocidad de avance de la llama. La temperatura del frente de combustión no es constante dentro de un reactor divergente, ya que de acuerdo con su ubicación puede aumentar o disminuir, es más, para el reactor de 30° con 0.90 𝑚/𝑠 de velocidad a la entrada se percibió un aumento de 86% de lo registrado desde la zona de ignición hasta la de ingreso de mezcla, esto es, 950 𝐾 hasta 1765 𝐾. Por otro lado, la velocidad de avance aguas arriba de la llama aumenta constantemente, por lo que se tiene una llama acelerada, si bien el comportamiento hallado numéricamente es el correcto, se encuentra una gran desviación para la velocidad al alcanzar la entrada del reactor. Este fenómeno aumenta grandemente el riesgo de flashback, por lo cual es imperativo usar una trampa de llama. En cuanto al rango de operación, se pudo comprobar que al aumentar el ángulo de divergencia se admiten velocidades de entrada mayores, y, por ende, se puede operar con potencias mayores. Al contrario que los reactores cilíndricos, los divergentes tienen más de un punto de operación para la relación de equivalencia con llama estacionaria. Para una velocidad de 0.63 m/s, experimentalmente se hallaron 3 puntos estacionarios, mientras que numéricamente 2, y para una velocidad de 0.90 m/s experimentalmente se hallaron 2 puntos y numéricamente también, pero con desviaciones en la ubicación y, por ende, temperatura de la llama. El tiempo de combustión estacionaria para las llamas halladas en el reactor de 15° no fue comparable con los tiempos experimentales. Respecto a los gases productos, el tiempo de residencia dentro de los reactores divergentes es mucho mayor llegando para las mismas condiciones de operación al orden de los ~500 milisegundos en comparación con el cilíndrico, que para el caso estudiado no supera los 50 milisegundos. Esto significa una gran ventaja al momento de este tipo de reactores para usarse en procesos de reformado u oxidación parcial. Además, se halla que el régimen de la fase gaseosa es mayoritariamente laminar, sobre todo en los reactores divergentes.

The combustion of premixed flames in inert porous media has been recognized as a highly efficient option for burning low-calorific-value mixtures, with low pollutant emission rates and wide power modulation, among other advantages compared to open-flame combustion. One of the challenges this technology faces is the movement of the combustion front within the reactor, either upstream or downstream of the flow, which can cause instabilities, displacement outside the porous medium, or displacement towards the premix inlet lines, known as blowout and flashback, respectively. This thesis investigates, both numerically and experimentally, the combustion front stabilization technique known as convective stabilization or cross-sectional area variation, which is based on the law of conservation of mass, aiming to match the premix inlet velocity to the fuel burn rate. The study was conducted using three porous medium reactors with alumina spheres at divergence angles of 0°, 15°, and 30°, fed by mixtures of air and propane. For the numerical counterpart, 2D transient models were developed based on the finite difference method, resolving for fluid dynamics, solid and gas temperatures, respectively, and conservation of chemical species. The effects of variations in the equivalence ratio, inlet filtration velocity, and divergence angle on the temperature, position, velocity, and geometry of the combustion front were simulated. Additionally, the behavior of the product gases was analyzed. The results revealed behaviors not previously reported in the existing literature on this type of reactor. Compared to a straight-walled or cylindrical reactor where the flame geometry is typically flat, it was verified both experimentally and numerically that the flame is concave in a reactor with inclined walls. This curvature is also influenced by the magnitude of the filtration velocity and the flame propagation velocity. The combustion front temperature is not constant within a divergent reactor, as it can increase or decrease depending on its location. In fact, for the 30° divergence reactor with an inlet velocity of 0.90 m/s, an 86% increase was observed between the ignition zone and the mixture inlet, from 950 K to 1765 K. Furthermore, the upstream flame propagation velocity increases constantly, resulting in an accelerated flame. While the numerically calculated behavior is correct, a significant deviation in velocity is observed at the reactor inlet. This phenomenon greatly increases the risk of flashback, making the use of a flame trap imperative. Regarding the operating range, it was found that increasing the divergence angle allows for higher inlet velocities, and therefore, operation at higher power levels. Unlike cylindrical reactors, divergent reactors have more than one operating point for the equivalence ratio with a steady flame. For a velocity of 0.63 m/s, three steady points were found experimentally, while two were found numerically. For a velocity of 0.90 m/s, two points were found experimentally and also numerically, but with deviations in the flame's location and, consequently, temperature. The steady-state combustion time for the flames found in the 15° reactor was not comparable to the experimental times. Regarding the product gases, the residence time within divergent reactors is much longer, reaching approximately 500 milliseconds under the same operating conditions, compared to 50 milliseconds for the cylindrical reactor in this case. This represents a significant advantage for this type of reactor when used in reforming or partial oxidation processes. Furthermore, the gas phase regime is found to be mostly laminar, especially in divergent reactors.