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Llama premezclada

Los distintos tipos de llama de un mechero Bunsen dependen del suministro de oxígeno. A la izquierda, una mezcla rica de combustible sin oxígeno premezclado produce una llama de...

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Los distintos tipos de llama de un mechero Bunsen dependen del suministro de oxígeno. A la izquierda, una mezcla rica de combustible sin oxígeno premezclado produce una llama de difusión amarilla y humeante ; a la derecha, una llama pobre con oxígeno premezclado completo no produce hollín y el color de la llama se debe a la emisión de bandas de radicales moleculares.

Una llama premezclada es una llama que se forma bajo ciertas condiciones durante la combustión de una carga premezclada (también llamada premezcla) de combustible y oxidante . Dado que el combustible y el oxidante —los reactivos químicos clave de la combustión— están disponibles en toda una carga premezclada estequiométrica homogénea , el proceso de combustión, una vez iniciado, se mantiene mediante su propia liberación de calor. La mayor parte de la transformación química en dicho proceso de combustión ocurre principalmente en una delgada región interfacial que separa los gases no quemados de los quemados. La interfaz de la llama premezclada se propaga a través de la mezcla hasta que se agota toda la carga. [ 1 ] La velocidad de propagación de una llama premezclada se conoce como velocidad de llama (o velocidad de combustión), que depende del equilibrio convección-difusión-reacción dentro de la llama, es decir, de su estructura química interna . La llama premezclada se caracteriza como laminar o turbulenta dependiendo de la distribución de velocidad en la premezcla no quemada (que proporciona el medio de propagación para la llama).

Propagación de llama premezclada

Laminado

En condiciones controladas (normalmente en un laboratorio), se puede formar una llama laminar con diversas configuraciones posibles. La estructura interna de una llama premezclada laminar se compone de capas sobre las que se produce la descomposición, la reacción y la oxidación completa del combustible. Estos procesos químicos son mucho más rápidos que los procesos físicos, como el movimiento de vórtices en el flujo, por lo que la estructura interna de una llama laminar permanece intacta en la mayoría de los casos. Las capas constitutivas de la estructura interna corresponden a intervalos específicos en los que la temperatura aumenta desde la mezcla no quemada hasta alcanzar la temperatura de llama adiabática (TDA). En presencia de transferencia de calor volumétrica o estiramiento aerodinámico, o ante el desarrollo de inestabilidades intrínsecas de la llama , el grado de reacción y, por consiguiente, la temperatura alcanzada en la llama pueden diferir de la TDA.

velocidad de combustión laminar

Para una química irreversible de un solo paso, es decir,νFF+νOO2→PAGrodtúdots{\displaystyle \nu _{F}{\rm {{F}+\nu _{O}{\rm {{O}_{2}\rightarrow {\rm {Productos}}}}}}}La llama plana y adiabática tiene una expresión explícita para la velocidad de combustión derivada de la asintótica de la energía de activación cuando el número de Zel'dovichβ≫1.{\displaystyle \beta \gg 1.}La velocidad de reacciónω{\displaystyle \omega }(número de moles de combustible consumidos por unidad de volumen por unidad de tiempo) se toma en forma de Arrhenius ,

ω=B(ρYFWF)metro(ρYO2WO2)nortemi−mia/RT,{\displaystyle \omega =B\left({\frac {\rho Y_{F}}{W_{F}}}\right)^{m}\left({\frac {\rho Y_{O_{2}}}{W_{O_{2}}}}\right)^{n}e^{-E_{a}/RT},}

dóndeB{\displaystyle B}es el factor preexponencial ,ρ{\displaystyle \rho }es la densidad ,YF{\displaystyle Y_{F}}es la fracción de masa de combustible ,YO2{\displaystyle Y_{O_{2}}}es la fracción de masa del oxidante ,mia{\displaystyle E_{a}}es la energía de activación ,R{\displaystyle R}es la constante universal de los gases ,T{\displaystyle T}es la temperatura ,WF & WO2{\displaystyle W_{F}\ \&\ W_{O_{2}}}son los pesos moleculares del combustible y del oxidante, respectivamente ymetro & norte{\displaystyle m\ \&\ n}son los órdenes de reacción. Sea la condición no quemada muy por delante de la llama denotada con subíndicetú{\displaystyle u}y de manera similar, las condiciones de gas quemado porb{\displaystyle b}Entonces podemos definir una relación de equivalencia.ϕ{\displaystyle \phi }para la mezcla no quemada como

ϕ=νO2WO2νFWFYF,túYO2,tú{\displaystyle \phi ={\frac {\nu _{O_{2}}W_{O_{2}}}{\nu _{F}W_{F}}}{\frac {Y_{F,u}}{Y_{O_{2},u}}}}.

Luego, la velocidad de combustión laminar planar para la mezcla rica en combustible (ϕ>1{\displaystyle \phi >1}) viene dado por [ 2 ] [ 3 ]

SL={2Bλbρbmetro+norteνFmetroYO2,túmetro+norte−1GRAMO(norte,metro,a)dopag,bρtú2νO2WO2metro+norte−1βmetro+norte+1LmiO2−norteLmiF−metro}1/2mi−mia/2RTb+O(β−1),{\displaystyle S_{L}=\left\{{\frac {2B\lambda _{b}\rho _{b}^{m+n}\nu _{F}^{m}Y_{O_{2},u}^{m+n-1}G(n,m,a)}{c_{p,b}\rho _{u}^{2}\nu _{O_{2}}W_{O_{2}}^{m+n-1}\beta ^{m+n+1}\mathrm {Le} _{O_{2}}^{-n}\mathrm {Le} _{F}^{-m}}}\right\}^{1/2}e^{-E_{a}/2RT_{b}}+O(\beta ^{-1}),}

dónde

GRAMO(norte,metro,a)=∫0∞ynorte(y+a)metro dy{\displaystyle G(n,m,a)=\int _{0}^{\infty }y^{n}(y+a)^{m}\ dy}

ya=β(ϕ−1)/LmiF{\displaystyle a=\beta (\phi -1)/\mathrm {Le} _{F}}. Aquíλ{\displaystyle \lambda }es la conductividad térmica ,dopag{\displaystyle c_{p}}es el calor específico a presión constante yLmi{\displaystyle \mathrm {Le} }es el número de Lewis . De manera similar, se puede escribir la fórmula para la ley de Lewis.ϕ<1{\displaystyle \phi <1}mezclas. Este resultado fue obtenido por primera vez por T. Mitani en 1980. [ 4 ] Forman A. Williams y colaboradores derivaron una corrección de segundo orden a esta fórmula con propiedades de transporte más complejas en la década de 1980. [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]

Las variaciones en la velocidad de propagación local de una llama laminar surgen debido a lo que se denomina estiramiento de la llama. El estiramiento de la llama puede ocurrir debido a la tensión ejercida por el campo de velocidad del flujo externo o la curvatura de la llama; la diferencia en la velocidad de propagación con respecto a la velocidad laminar correspondiente es una función de estos efectos y puede escribirse como: [ 8 ] [ 9 ]

ST=SL+METROdoδL(SL−v⋅norte)∇⋅norte−METROtδL∇t⋅vt{\displaystyle S_{T}=S_{L}+{\mathcal {M}}_{c}\delta _{L}(S_{L}-\mathbf {v} \cdot \mathbf {n} )\nabla \cdot \mathbf {n} -{\mathcal {M}}_{t}\delta _{L}\nabla _{t}\cdot \mathbf {v} _{t}}

dóndenorte{\displaystyle \mathbf {n} }es la unidad normal a la superficie de la llama (apuntando hacia el lado del gas quemado),v{\displaystyle \mathbf {v} }es el campo de velocidad del flujo evaluado en la superficie de la llama y∇t⋅vt{\displaystyle \nabla _{t}\cdot \mathbf {v} _{t}}es la divergencia superficial de la velocidad tangencialvt=(I−norte⊗norte)v{\displaystyle \mathbf {v} _{t}=(\mathbf {I} -\mathbf {n} \otimes \mathbf {n} )\mathbf {v} }; siendo el flujo incompresible fuera de la llama,∇t⋅vt=−norte⊗norte:∇v−(v⋅norte)∇⋅norte{\displaystyle \nabla _{t}\cdot \mathbf {v} _{t}=-\mathbf {n} \otimes \mathbf {n} :\nabla \mathbf {v} -(\mathbf {v} \cdot \mathbf {n} )\nabla \cdot \mathbf {n} } . Además,METROdo{\displaystyle {\mathcal {M}}_{c}}yMETROt{\displaystyle {\mathcal {M}}_{t}}son los dos números de Markstein , asociados con la curvatura y la deformación tangencial. [ 10 ]

Turbulento

En la práctica, la turbulencia es inevitable y, en condiciones moderadas, favorece la combustión premezclada al mejorar la mezcla de combustible y oxidante. Si la carga premezclada de gases no se mezcla de forma homogénea, las variaciones en la relación de equivalencia pueden afectar la velocidad de propagación de la llama. En algunos casos, esto resulta deseable, como en la combustión estratificada de combustibles mezclados.

Se puede suponer que una llama premezclada turbulenta se propaga como una superficie compuesta por un conjunto de llamas laminares, siempre que no se vean afectados los procesos que determinan la estructura interna de la llama. [ 11 ] En tales condiciones, la superficie de la llama se arruga debido al movimiento turbulento de los gases premezclados, lo que aumenta su área superficial. Este proceso de arrugamiento incrementa la velocidad de combustión de la llama premezclada turbulenta en comparación con su contraparte laminar.

La propagación de dicha llama premezclada puede analizarse utilizando la ecuación de campo denominada ecuación G [ 12 ] [ 13 ] para un escalarGRAMO{\displaystyle G}como:

∂GRAMO∂t+v⋅∇GRAMO=ST|∇GRAMO|{\displaystyle {\frac {\partial G}{\partial t}}+\mathbf {v} \cdot \nabla G=S_{T}|\nabla G|},

que se define de tal manera que los conjuntos de nivel de G representan las diversas interfaces dentro de la llama premezclada que se propaga con una velocidad localST{\displaystyle S_{T}}Sin embargo, esto no suele ser así, ya que la velocidad de propagación de la interfaz (con respecto a la mezcla no quemada) varía de un punto a otro debido al estiramiento aerodinámico inducido por los gradientes en el campo de velocidad.

Sin embargo, en condiciones opuestas, la estructura interna de la llama premezclada puede verse completamente alterada, provocando su extinción, ya sea local (extinción local) o global (extinción global o desprendimiento). Estos casos opuestos rigen el funcionamiento de dispositivos de combustión prácticos, como los motores de encendido por chispa y los postquemadores de motores aeronáuticos. La predicción del grado de afectación de la estructura interna de la llama en flujo turbulento es objeto de una extensa investigación.

Configuración de llama premezclada

La configuración del flujo de gases premezclados afecta la estabilización y las características de combustión de la

Llama de Bunsen

En una llama de mechero Bunsen, se proporciona un caudal constante que coincide con la velocidad de la llama para estabilizarla. Si el caudal es inferior a la velocidad de la llama, esta se desplazará aguas arriba hasta que se consuma el combustible o hasta que encuentre un estabilizador . Si el caudal es igual a la velocidad de la llama, se espera un frente de llama plano y estacionario, perpendicular a la dirección del flujo. Si el caudal es superior a la velocidad de la llama, el frente de llama se volverá cónico, de modo que la componente del vector velocidad perpendicular al frente de llama sea igual a la velocidad de la llama.

Llama de estancamiento

En este caso, los gases premezclados fluyen de tal manera que forman una región de estancamiento (velocidad cero) donde la llama puede estabilizarse.

Llama esférica

En esta configuración, la llama se inicia típicamente mediante una chispa dentro de una premezcla homogénea. La propagación posterior de la llama premezclada se produce como un frente esférico hasta que la mezcla se transforma por completo o se alcanzan las paredes del recipiente de combustión.

Aplicaciones

Dado que la relación de equivalencia de los gases premezclados puede controlarse, la combustión premezclada ofrece un medio para alcanzar bajas temperaturas y, por lo tanto, reducir las emisiones de NO x . Gracias a una mejor mezcla en comparación con las llamas de difusión , también se reduce la formación de hollín . Por consiguiente, la combustión premezclada ha cobrado importancia en los últimos tiempos. Sus aplicaciones incluyen turbinas de gas de premezcla pobre y prevaporización (LPP) y motores de encendido por chispa (SI) .

Véase también

Referencias

  1. ↑ Lewis, Bernard; Elbe, Guenther von (2012). Combustión, llamas y explosiones de gases . Elsevier. ISBN 9780323138024.
  2. ↑ Williams, FA (2018). Teoría de la combustión. CRC Press.
  3. ↑ Linan, A., & Williams, FA (1993). Aspectos fundamentales de la combustión.
  4. ↑ MITANI, T. (1980). Velocidades de propagación de llamas de dos reactivos. Combustion Science and Technology, 21(3-4), 175-177.
  5. ↑ Rogg, B., & Williams, FA (1985). Análisis asintótico de la propagación de llamas laminares con coeficientes de transporte variables. Combustion science and technology, 42(5-6), 301-316.
  6. ↑ Chelliah, HK, & Williams, FA (1987). Análisis asintótico de llamas de dos reactivos con propiedades variables y transporte de Stefan-Maxwell. Combustion science and technology, 51(4-6), 129-144.
  7. ↑ Rogg, B. (1986). Sobre la precisión de las predicciones asintóticas de la velocidad de llama para llamas de dos reactivos. Combustion science and technology, 45(5-6), 317-329.
  8. ↑ Clavin, P., & Graña-Otero, JC (2011). Llamas curvas y estiradas: los dos números de Markstein. Journal of Fluid Mechanics, 686, 187-217.
  9. ↑ Clavin, Paul y Geoff Searby. Ondas y frentes de combustión en flujos: llamas, ondas de choque, detonaciones, frentes de ablación y explosión estelar. Cambridge University Press, 2016.
  10. ↑ Clavin, Paul; Graña-Otero, José C. (10 de noviembre de 2011). "Llamas curvas y estiradas: los dos números de Markstein". Journal of Fluid Mechanics . 686 : 187–217 . Bibcode : 2011JFM...686..187C . doi : 10.1017/jfm.2011.318 . ISSN 0022-1120 . 
  11. ↑ Peters, Norbert (2000). Combustión turbulenta . Cambridge University Press. ISBN 9780511612701OCLC 56066895​​ 
  12. ↑ Williams, FA (1985). Combustión turbulenta. En Las matemáticas de la combustión (pp. 97-131). Sociedad de Matemáticas Industriales y Aplicadas.
  13. ↑ Kerstein, Alan R. (1988-01-01). "Ecuación de campo para la propagación de la interfaz en un campo de flujo homogéneo no estacionario". Physical Review A. 37 ( 7): 2728– 2731. Bibcode : 1988PhRvA..37.2728K . doi : 10.1103/PhysRevA.37.2728 . PMID 9899999 .