Estudio y caracterización de un quemador establecido por giro

• Autores: Mathieu Legrand
• Directores de la Tesis: J. I. Nogueira (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Carlos III de Madrid ( España ) en 2008
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Antonio Lecuona Neumann (presid.), Pedro Acisclo Rodríguez Aumente (secret.), Assensi Oliva Llena (voc.), Cristóbal Cortés Gracia (voc.), José Miguel Corberán Salvador (voc.)
• Materias:
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología industrial
    • Tecnología e ingeniería mecánicas
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: e-Archivo
• Resumen

  • En esta Tesis doctoral se estudia el campo fluido de un quemador estabilizado por giro de nueva generación. La motivación del estudio se basa en el interés actual de profundizar en el conocimiento de los procesos involucrados para, a medio y largo plazo, reducir la contaminación generada y permitir el funcionamiento de los quemadores con distintos combustibles. El concepto LPP (Lean Premixed Prevaporized) en quemadores no es nuevo. Hoy en día es una tecnología bien establecida en la turbinas de gas de última generación. Con él se reduce la temperatura de llama y las emisiones de contaminantes, operando cerca del límite pobre de inflamabilidad. No obstante sigue siendo una tecnología en desarrollo: la baja temperatura de llama y la mezcla pobre homogénea comprometen la estabilidad de la llama. La estrategia común es recurrir a llamas estabilizadas por giro en el quemador. Pero el fenómeno de rotura de vórtice en flujos reactivos es un mecanismo tridimensional muy complejo y todavía su dinámica no está totalmente desvelada. Además, en fechas tan recientes como el año 2000 se ha definido un nuevo régimen de funcionamiento de quemadores estabilizados por giro. Robert K. Cheng, investigador del Lawrence Berkeley National Laboratory (California, EE. UU.), ha definido lo que ha pasado a conocerse como condiciones de �Low Swirl� frente a las tradicionales de �High Swirl� usadas para la estabilización por giro. Las condiciones de �Low-Swirl� ofrecen una alternativa interesante para reducir emisiones de NOx por su menor tiempo de residencia. Entre las diferentes técnicas de medida posibles para investigar campos fluidos de elevada complejidad, el PIV estereoscópico es una herramienta fiable que proporciona el campo instantáneo de las 3 componentes de la velocidad en un plano (2D-3C). Se ha decidido usar dicha técnica en esta Tesis doctoral para analizar la llama de un quemador atmosférico estabilizado por giro de pequeña escala (50 kW). El quemador se ha diseñado, dentro de la Tesis, para poder operar en condiciones de �Low-Swirl� o �High-Swirl� en cuanto a estabilización de la llama. Además, se ha buscado una configuración de llama levantada que permite un buen acceso óptico a la zona de recirculación. Una vez hecho el diseño del quemador y tras la puesta a punto de la técnica de medida, se ha analizado el flujo para un amplio rango de números de swirl y de Reynolds, a distintos dosados relativos. Para ambos flujos, isotermo y reactivo, el diagrama de estabilidad establece la extensión de las dos topologías (high y low swirl). Para caracterizar dichas topologías se han obtenido estadísticas del flujo a partir de 1000 campos instantáneos de velocidad en cada condición y posición de medida. Usando herramientas de evaluación de error desarrolladas en el equipo de investigación, en los proyectos en que se ha enmarcado esta Tesis, se ha generado una base de datos de resultados que incluye un intervalo de confianza local en cada medida. Gracias a la relativa sencillez de concepción del quemador, esta información se puede usar fácilmente para la validación de códigos de simulación numérica, habiendo grupos de investigación de prestigio, tanto dentro como fuera de España, que han manifestado su interés por estos resultados. Además de las magnitudes estadísticas medias del campo fluido, el comportamiento de las estructuras coherentes que se generan en estos flujos es relevante para la comprensión de los mismos. Medidas de presión en el campo cercano revelan picos en el espectro acústico, lo que sugiere una fuerte coherencia para algunas configuraciones. Se han desarrollado algoritmos para identificar y perseguir las estructuras coherentes a partir de realizaciones independientes de PIV estereoscópico. Estos algoritmos desarrollan un método innovador basado en POD que permite reconstruir la evolución temporal del flujo. ________________________________________ In this Ph. D. work, the flow field from a swirl stabilized burner of new generation is analyzed. The motivation of this study is based on the actual interest in enhancing the knowledge of the involved processes in order to reduce pollutants emissions and enable burning new fuels in these combustors. The Lean Premixed Prevaporized (LPP) burner concept is now used in most of the new generation gas turbine to reduce flame temperature and pollutants by operating near the lean blow-off limit. Nevertheless, it is still an evolving technology: low flame temperature and homogeneous lean mixture compromise flame stability. The common strategy is to resort to swirl stabilized flames in the burner. But vortex breakdown phenomenon in reactive swirling flows is a very complex 3-D mechanism influencing flame stability, and its dynamics are not yet completely understood. Furthermore, as recently as in year 2000, a new regime has been defined for swirl stabilized combustors. Robert K. Cheng, from the Lawrence Berkeley National Laboratory (California, USA), has defined what is now known as �Low Swirl� conditions, in opposition to traditional �High Swirl� conditions used to stabilize the flame. Low Swirl conditions offers an interesting alternative to reduce NOx emissions, due to the shorter gases residence time at high temperature. Among the available measurement techniques to analyze such highly complex flows, Stereo PIV (S-PIV) is now a reliable tool to quantify the instantaneous 3 velocity components in a plane (2D-3C). It is being used in this Thesis to analyze the reactive flow of a small scale, open to atmosphere, LPP burner (50 kW). The burner is designed to produce two distinct topologies: (i) that of a conventional High Swirl Burner and (ii) that of a Low Swirl Burner with the idea of further reducing NOx emissions. In addition, a lifted flame configuration has been purchased in order to allow a good optical access to the whole recirculation zone in both topologies. After the burner design and the tune-up of the measurement technique, flow field has been analyzed over a wide range of swirl and Reynolds number, for different equivalence ratios. In both reactive and isothermal flow, stability diagrams define the domains of the low and high swirl topologies. To describe these topologies, flow statistics have been obtained from 1000 S-PIV snapshots at each configuration and measurement conditions. Using error evaluation tools developed by the research group in the projects englobing this thesis, a data base have been generated where results are presented along with their local confidence interval. Due to the relatively simple conception of the physical burner, this information can be easily used for the validation of fundamental issues in CFD computations. Many prestigious research groups, within Spain or abroad have manifested their interest in these results. In addition to the flow statistics, the behavior of coherent structures generated in such flows is relevant for their understanding. Near field pressure measurements reveals the presence of peaks in power spectra, which suggests a strong coherence for some configurations. Algorithms have been developed to identify and track traveling coherent structures from the statistically independent S-PIV realizations. Flow temporal evolution is reconstructed with an innovative POD-based method.