Thesis:

Investigación numérica y experimental de un frente de combustión en un reactor de medio poroso inerte de geometría curva

En este trabajo, se investiga numérica y experimantalmente un frente de combustión de un reactor de medio poroso inerte de geometría curva. En primer lugar, se introduce el concepto de combustión en medios porosos inertes (MPI), explicando sus diferencias y ventajas sobre la combustión de llama libre. Se presentan campos de aplicación de este tipo de procesos, en base a una revisión de la literatura e investigaciones previas publicadas. Se observa que la investigación para combustión en medio poroso inerte se ha centrado en diferentes materiales y formas del medio poroso, uso de nuevos combustibles, y busqueda de parámetros operacionales óptimos, pero todos con algo en común: los reactores o quemadores siempre son lineales, con el flujo de gases siguiendo una trayectoria recta; no se ha encontrado ningún estudio con geometrías curvas. En el marco teórico, se explica en qué consiste un proceso de combustión general, para luego revisar los procesos que ocurren específicamente en combustión en MPI. A continuación, se presenta en modelo matemático para la combustión en MPI, compuesto por las ecuaciones de estado para un gas ideal y de conservación de masa, momentum, especie química, y energía para la fase sólida y gaseosa, junto a los supuestos que se asumen para el modelo. Es importante destacar que todas estas ecuaciones no serán resueltas en este trabajo, centrándose únicamente en la de conservación de masa y momentum, pero aún así es de importancia presentarlas, para poder entender el fenómeno a estudiar desde una base matemática y física. En el capítulo siguiente, se introducen los reactores de MPI de flujo recíproco, que permiten aprovechar el fenómeno de combustión superadiabática. Se propone un nuevo diseño de reactor de MPI reciprocante, pero con una geometría circular, que permitirá sacar máximo partido de dicho fenómeno. El diseño, futura fabricación y estudio de este reactor, son parte del proyecto Fondecyt de Exploración 13240110, proyecto en el cual se enmarca este trabajo. Para el enfoque experimental, se detalla primero el proceso de instalación del reactor curvo, con todas sus etapas, desde la estructura hasta la instrumentación científica, para la medición y control de flujos, temperaturas y emisiones. Se define la metodología de trabajo, donde se utilizará un lecho empacado de esferas de alúmina como MPI, y gas natural como combustible, con distintas combinaciones de velocidad de filtración y relación de equivalencia, todas en el rango de mezcla ultra-pobre. Se obtuvieron resultados como temperaturas, velocidades del frente de combustión para tres radios de curvatura dentro del reactor, buscando estudiar el efecto de la curva, emisiones de contaminantes y pérdidas de calor hacia el ambiente. En el enfoque computacional, se trabajará con un flujo de aire, sin proceso de combustión. Se realiza primero una simulación en dos dimensiones de un cilindro recto, con y sin medio poroso, para validar el modelo y entender el efecto del medio poroso sobre el flujo. Después, se simula el codo en tres dimensiones, sin medio poroso, para entender los efectos de la curva sobre el fluido, y posteriormente agregar la fase sólida y comparar como ambos efectos interactúan y afectan al flujo, buscando explicar los fenómenos observados en el enfoque experimental, desde la hidrodinámica. Para concluir, se presentan los resultados de ambos enfoques, combinándolos para buscar entender de mejor forma el comportamiento de un frente de combustión en una curva, y se entregan recomendaciones para trabajos futuros.

This work numerically and experimentally investigates the combustion front of a curved porous inert media reactor. First, the concept of combustion in porous inert media (PIM) is introduced, explaining its differences and advantages over open-flame combustion. Applications of this type of process are presented, based on a review of the literature and previous published research. It is observed that research on combustion in porous inert media has focused on different materials and shapes of the porous medium, the use of new fuels, and the search for optimal operating parameters, but all with one thing in common: the reactors or burners are always linear, with the gas flow following a straight path; no studies with curved geometries have been found. The theoretical framework explains the general combustion process, and then reviews the processes that occur specifically in PIM combustion. The mathematical model for MPI combustion is presented below, comprising the equations of state for an ideal gas and the conservation equations for mass, momentum, chemical species, and energy for the solid and gaseous phases, along with the assumptions made for the model. It is important to note that not all of these equations will be solved in this work, which focuses solely on the conservation of mass and momentum. However, presenting them is still essential for understanding the phenomenon under study from a mathematical and physical perspective. The following chapter introduces reciprocating MPI reactors, which allow for the exploitation of superadiabatic combustion. A new design for a reciprocating MPI reactor with a circular geometry is proposed, which will maximize the benefits of this phenomenon. The design, future fabrication, and study of this reactor are part of the Fondecyt Exploration Project 13240110, within which this work is framed. For the experimental approach, the installation process of the curved reactor is detailed first, including all its stages, from the structure to the scientific instrumentation for measuring and controlling flows, temperatures, and emissions. The working methodology is defined, which will use a packed bed of alumina spheres as the MPI (Maintenance, Particle, and Isolation) and natural gas as fuel, with different combinations of filtration rate and equivalence ratio, all within the ultra-lean mixture range. Results such as temperatures and combustion front velocities were obtained for three radii of curvature within the reactor, seeking to study the effect of the curve, pollutant emissions, and heat losses to the environment. In the computational approach, an airflow without combustion will be used. A two-dimensional simulation of a straight cylinder, with and without a porous medium, will first be performed to validate the model and understand the effect of the porous medium on the flow. Next, the bend is simulated in three dimensions, without a porous medium, to understand the effects of the curve on the fluid. Subsequently, the solid phase is added, and the interaction between the two effects on the flow is compared, seeking to explain the phenomena observed in the experimental approach from a hydrodynamic perspective. Finally, the results of both approaches are presented and combined to better understand the behavior of a combustion front in a bend, and recommendations for future work are provided.