Estudio experimental y modelado cfd del proceso de combustión de mezclas combustibles de hidrógeno, metano y gas de síntesis en una bomba cilíndrica con acceso óptico

Resumen

La presente tesis doctoral se enmarca en la investigación sobre fuentes de energías alternativas, que permitan hacer del mundo de la combustión un entorno más eficiente y amigable con el medio ambiente. El trabajo se ha desarrollado en el Grupo de Investigación Reconocido Motores y Energías Renovables de la Universidad de Valladolid. Tiene como objetivo la caracterización de combustibles gaseosos alternativos (metano, hidrógeno, monóxido de carbono y sus mezclas) en una bomba de combustión cilíndrica a volumen constante. Esta bomba cuenta con ventanas de cristal de cuarzo en sus bases, lo que permite registrar imágenes del frente de llama mediante una cámara de alta velocidad, al mismo tiempo que se registra la evolución de la presión. El estudio del proceso de combustión y en particular la obtención de las velocidades de combustión se puede realizar mediante dos métodos: análisis de la presión registrada por medio de un modelo de dos zonas, y a partir de las imágenes grabadas con la metodología Schlieren, usando un procedimiento automatizado. En paralelo a ello, se han realizado simulaciones CFD que predicen el crecimiento del frente de llama, para tener información adicional a la obtenida en los experimentos. Además, se ha desarrollado una metodología que permite caracterizar el frente de llama, incluyendo la deformación de éste debida al efecto de la geometría cilíndrica de la bomba. Con ello, se posibilita estudiar cómo influye esta deformación del frente sobre el cálculo de la velocidad de combustión y otros parámetros importantes de proceso de combustión. Los experimentos consisten en la combustión en aire de mezclas H2–CH4 e H2–CO (syngas). Para las mezclas H2–CH4, se ha variado el contenido de H2 en la mezcla de 0, 20, 50, 80 y 100%, partiendo de condiciones iniciales de presión de 0.1 MPa y temperatura de 300 K, para dosados 0.5, 0.6, 0.7, 0.8 0.9 y 1.0. Para las mezclas hidrógeno-aire con 100% H2, se mantuvieron los mismo dosados, pero se realizó también un estudio del efecto de la presión y temperatura iniciales para el dosado 0.7, con presiones iniciales de 0.1, 0.2 y 0.3 MPa, y temperaturas iniciales de 315 y 373 K. Para las mezclas H2–CO, se realizaron experimentos para ver la influencia del contenido de H2 en la mezcla con proporciones de 0, 6.7, 25, 50, 80 y 100% H2, con condiciones iniciales de 0.1 MPa, 300K y un barrido de dosados entre 0.5 y 1.0. De los resultados obtenidos para las mezclas H2–CH4, se constata que, por debajo del 50% de H2, la velocidad de combustión laminar se incrementa linealmente respecto a la del metano con el incremento del contenido de H2. Sin embargo, para cada dosado la velocidad de combustión laminar aumenta muy fuertemente cuando se supera un contenido de H2 en la mezcla del orden del 80%. Además, del análisis de las imágenes Schlieren obtenidas, se puede ver que el incremento de hidrógeno en la mezcla favorece el crecimiento de inestabilidades, dando lugar a una llama celular, en concordancia con lo publicado en otros estudios sobre crecimiento de inestabilidades de combustión. Al igual que las mezclas anteriores, en las mezclas de H2–CO, se obtuvieron valores de velocidad de combustión laminar que aumentan linealmente con el contenido de hidrógeno y el aumento del dosado. En cuanto al análisis de las imágenes Schlieren, se obtuvo que el incremento del contenido de hidrógeno tiene un efecto desestabilizador en la llama, causando celularidad en la superficie del frente de llama. Los resultados obtenidos de la velocidad de combustión mediante el método de aumento de presión, para las mezclas de 100%H2, 100%CH4 y las mezclas de H2–CO, se han comparado con los obtenidos en estudios previos en una bomba esférica, existente en el Laboratorio de Motores. Adicionalmente, se han realizaron comparativas entre las velocidades obtenidas mediante ambos métodos y con otros autores citados en la bibliografía, para validar los resultados obtenidos. En cuanto a la simulación CFD, es una primera aproximación en ese campo dentro de los trabajos del Grupo de Investigación, cuyo resultado más importante es constatar la deformación del frente de llama, apartándose de la geometría esférica. A partir de un radio del frente de aproximadamente el 60% del radio de la bomba cilíndrica, se pierde la simetría esférica, con crecimiento diferente en las direcciones principales de la bomba cilíndrica (radial y axial). El algoritmo desarrollado permite seguir la evolución de la geometría del frente de llama calculado mediante la simulación CFD, asimilándolo a un seudoelipsoide de revolución. Una aportación relevante de la tesis es el cálculo de parámetros teóricos importantes para el estudio de las inestabilidades hidrodinámicas y termodifusivas como lo son: la longitud de Markstein, número de Markstein, número de Lewis, número de Peclet, número de Zel’dovich, y las tasas de crecimiento de inestabilidades.