Numerical modeling of chemical reaction processes describing methane combustion in gas cooking burners
- Autores: Saúl Laguillo Revuelta
- Directores de la Tesis: Alfredo Ortiz Sainz de Aja (dir. tes.), José Salvador Ochoa Torres (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Cantabria ( España ) en 2020
- Idioma: inglés
- Títulos paralelos:
- Modelado numérico de los procesos de reacción química que describen la combustión del metano en quemadores de cocción a gas
- Tribunal Calificador de la Tesis: Norberto Fueyo Díaz (presid.), Ignacio Fernández Olmo (secret.), Luis María Gandía Pascual (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Química, de la Energía y de Procesos por la Universidad de Cantabria
- Materias:
- Enlaces
- Resumen
- español
El desarrollo de tecnologías de la combustión más seguras y eficientes está motivado por las crecientes preocupaciones medioambientales relacionadas con el calentamiento global. El control de las emisiones contaminantes como las de monóxido de carbono es esencial en el proceso de diseño de los aparatos en los que se queman combustibles fósiles. En el interior de un hogar, el CO es producido principalmente por electrodomésticos utilizados para cocinar o calentar la vivienda. Aunque con instalaciones de ventilación adecuadas se pueden evitar concentraciones nocivas de contaminantes, prácticamente todos los países y fabricantes limitan la producción de CO de estos aparatos.
En lo que respecta a las cocinas de gas, las normativas imponen un valor límite para las emisiones de esta especie, además de unos requisitos mínimos de eficiencia y estabilidad de la llama. Por lo tanto, la combinación de una elevada eficiencia térmica del quemador con bajas emisiones de CO es un objetivo ambicioso y permanente en el diseño de los quemadores domésticos de gas. En ese sentido, resulta imprescindible un conocimiento profundo de la fluidodinámica y de los procesos químicos que ocurren en la llama; por ello, los cálculos numéricos mediante técnicas de dinámica de fluidos computacional desempeñan un papel fundamental, logrando importantes avances y un ahorro considerable en el ciclo de desarrollo de un nuevo producto.
El modelado de un quemador doméstico de gas conlleva la utilización de geometrías tridimensionales con gran complejidad; además, la descripción de la química del proceso de combustión ha de tenerse en cuenta a través de un conjunto de especies y reacciones. La combinación de estos dos factores se traduce en requisitos de potencia de cálculo muy elevados, lo cual hace que a menudo sea imposible llevar a cabo la simulación de configuraciones reales con una descripción completa de la química. La complejidad de los cálculos computacionales puede reducirse mediante la combinación de diferentes estrategias. Por una parte, las configuraciones reales pueden simplificarse geométricamente, lo que permite una representación detallada de la química para analizar con precisión todos los fenómenos físicos (por ejemplo, la interacción entre la llama y la pared o el intercambio de calor) que tienen lugar. Por otro lado, la descripción de la química puede realizarse mediante el uso de cinéticas globales o reducidas, sustituyendo los modelos cinéticos más detallados. Naturalmente, esta estrategia supone una reducción en la precisión de las predicciones numéricas, lo que puede dar lugar a valores erróneos de las emisiones de contaminantes como el CO. Por lo tanto, debe considerarse un equilibrio entre el tiempo computacional y la precisión de los cálculos, principalmente en los departamentos de innovación y desarrollo de organizaciones industriales.
En vista de lo anterior, esta tesis expone un análisis en profundidad del proceso de combustión del metano, examinando la química y los principales fenómenos físicos que tienen lugar durante la combustión en un aparato como un quemador doméstico de gas. Se realizan estudios experimentales y computacionales, centrando la investigación en la formación del monóxido de carbono.
La primera parte de este trabajo está dedicada a la evaluación del comportamiento numérico de los modelos cinéticos para la combustión del metano. Se analizan tres configuraciones diferentes, comparando los resultados de cada mecanismo de reacción con el modelo de química detallada y con valores experimentales, cuando se dispone de ellos. Los resultados conllevan a la determinación de las mejores opciones para sustituir el cálculo de la química detallada, teniendo en cuenta un equilibrio entre la precisión requerida y la carga computacional asociada. Además, se ha generado un nuevo mecanismo reducido que se está utilizando en simulaciones de quemadores domésticos de gas muy complejas.
A continuación, se evalúa la formación de monóxido de carbono en el proceso de combustión del metano mediante un conjunto de análisis experimentales y numéricos, utilizando una configuración geométricamente simplificada que mantiene unas condiciones físicas similares a las presentes en un quemador doméstico de gas: una llama sencilla, parcialmente premezclada, que impacta perpendicularmente en la pared inferior de un recipiente lleno de agua. La validación de los resultados se basa en mediciones del campo de flujo de la velocidad, la temperatura y las emisiones de monóxido de carbono, bajo diferentes condiciones de funcionamiento causadas por la variación de la distancia entre el quemador y el recipiente, la potencia térmica de la llama, la aireación primaria y la temperatura del agua en el interior del recipiente. Con ello, se estudia la influencia de cada uno de estos parámetros en las emisiones finales de CO.
Una vez completa la validación de los resultados, e identificadas las tendencias de formación de CO, la parte final de esta tesis está dedicada a un amplio estudio sobre cómo los fenómenos de interacción llama-pared afectan a la misma y, por consiguiente, a las emisiones finales de CO. Se ha descubierto una fuerte relación entre la estructura interna de la llama, la producción de monóxido de carbono y la eficiencia térmica del quemador. Ambos parámetros alcanzan su valor máximo en la misma condición de funcionamiento, que coincide con la ruptura del cono de premezcla interior de la llama, provocada por su interacción con la pared del recipiente. El estudio de las zonas de premezcla y difusión de la llama donde el monóxido de carbono reacciona químicamente revela que el valor final de las emisiones de CO está estrechamente relacionado con la propagación de la zona de premezcla para el CO (donde el CO reacciona con el oxígeno procedente de la corriente parcialmente premezclada), que está limitada por la presencia del recipiente. El análisis final de las reacciones químicas del CO que se producen en el interior de la llama refuerza la conclusión de que las emisiones finales de ese contaminante son consecuencia de la combinación de las condiciones locales (flujo, temperatura, concentración de especies) determinadas por la estructura de la llama, que modifican las velocidades de reacción y, por consiguiente, la formación neta de CO.
En general, esta tesis contribuye en la generación de directrices para un diseño óptimo de un quemador doméstico de gas, identificando pautas alcanzables relacionadas con el rendimiento y con los limites de emisión de contaminantes.
- English
Controlling carbon monoxide emissions is essential in the design process of a domestic gas cooktop. In addition, regulations impose minimum requirements for efficiency and flame stability. This thesis focuses on the methane combustion process; first, the chemical kinetics of this fuel is analyzed, determining the optimal reaction mechanisms for the numerical description of the process. Next, the experimental design and subsequent validation of a flame-wall interaction configuration is detailed, evaluating different parameters and how they affect the formation of carbon monoxide. Finally, the analysis of the flame-wall interaction phenomena shows a strong relationship between the internal structure of the flame, carbon monoxide production and the thermal efficiency of the burner. This thesis contributes in giving rigorous guidelines for the optimal design of a domestic gas cooking burner, identifying reachable principles in both performance and pollutants emission thresholds.
- español
