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Extinción de una llama de premezcla en canales estrechos con y sin recirculación de calor

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2012
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2012-12-20
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El avance experimentado en los últimos años en campos como las técnicas de fabricación y los materiales ha hecho que se abran barreras y surjan nuevas oportunidades en el mundo de la micro-generación de potencia. Este es un campo muy novedoso en el que la mayoría de sus aplicaciones se encuentran aún en la fase de viabilidad. A modo de introducción, en este proyecto se explica de dónde surge la necesidad de tener sistemas productores de potencia en muy pequeña escala, incluyendo una pequeña descripción de las cuestiones fluidotérmicas, físicas y químicas que lleva consigo implícita la reducción en la escala, donde el comportamiento difiere considerablemente en comparación con sistemas más grandes. Dentro de esta introducción estarán incluidas algunas de las posibles aplicaciones que puede tener la generación de potencia en pequeña escala. Después de la introducción, este proyecto se centrará en estudiar cómo afecta la reducción en la escala a la combustión en canales estrechos. Primero se estudiará el efecto que provocan las pérdidas de calor a través de las paredes en los límites de flamabilidad en un canal donde se permite la transferencia de calor al exterior por una de sus paredes, observando que incluso bajas pérdidas de calor llegan a producir la extinción completa de la llama según se reduce la longitud característica. Después basándose en el combustor Swiss-roll desarrollado por primera vez por Lloyd y Weinberg [Ref. 3] se contrarrestarán estas pérdidas de calor circulando un gas en contracorriente de manera que precaliente la mezcla fría a la entrada, provocando una disminución notable en las pérdidas de calor. Para realizar este estudio se utilizará un modelo simplificado y no se pretende analizar de manera exhaustiva la dinámica de la combustión, que resulta ser muy compleja, sino determinar los parámetros que afectan en mayor medida a la existencia de una llama en un canal estrecho y qué circunstancias la pueden llevar a su extinción. Se comprobará que existen valores limitantes en la escala a partir de los cuales la combustión no se puede sostener, incluso incrementando la entalpía de la mezcla entrante por medio de la recirculación de calor como se mencionaba antes. A pesar de que siempre existirá un límite en la escala, se verá que gracias a este método se alcanzan temperaturas superiores a la temperatura adiabática de llama y que se logra mantener la combustión para escalas mucho menores que en un solo canal sin recirculación. Para la realización del estudio se ha desarrollado un código en lenguaje Fortran donde se resuelven de forma numérica las ecuaciones que rigen una llama pobre de premezcla. Se empieza resolviendo el caso más sencillo, que es un solo canal con pérdidas, donde se analizan los efectos que producen las pérdidas de calor a través de las paredes conjuntamente con la reducción en la escala a la existencia de la llama. Posteriormente se resuelve el caso donde un gas que circula en contracorriente calienta la mezcla entrante y se analiza en función de distintos parámetros geométricos y fluidotérmicos la existencia de llama según se reduce la escala, hasta llegar a la extinción completa. Este análisis se realiza mediante un método de continuación. Finalmente se comparan ambos casos y se concluye que la recirculación de calor extiende en gran parte la existencia de combustión cuando se reduce la escala del problema. Por último, con el objetivo de optimizar el tiempo de cálculo y el coste computacional, en el apéndice se propone realizar una transformación de coordenadas, donde se aumenta la resolución en los alrededores de la llama.
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Keywords
Mecánica de fluidos, Transferencia de calor, Microgeneración de potencia, Combustión
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