Experimental characterization and modeling of liquid fuel combustion. From pure compounds to real fuels
- Autores: Álvaro Muelas Expósito
- Directores de la Tesis: Javier Manuel Ballester Castañer (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Zaragoza ( España ) en 2021
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Iskender Gökalp (presid.), Santiago Jiménez Torrecilla (secret.), Eduardo Fernández Tarrazo (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Mecánica de Fluidos por la Universidad Carlos III de Madrid; la Universidad de Jaén; la Universidad de Zaragoza; la Universidad Nacional de Educación a Distancia; la Universidad Politécnica de Madrid y la Universidad Rovira i Virgili
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Zaguán
- Resumen
A pesar de su indudable importancia como fuente de energía, es bien conocido que los procesos de combustión pueden llevar aparejados serios inconvenientes, como la emisión de contaminantes o el agotamiento de recursos. Con el objetivo de reducir al máximo su impacto en el medio ambiente y en la salud humana, la industria de la combustión se halla inmersa en un proceso de evolución continua, donde una serie de desarrollos y medidas complementarias se están llevando a cabo. Claros ejemplos de ello son la reducción gradual de los niveles de emisión de contaminantes mediante la optimización de los procesos de combustión, o el reemplazo de los tradicionales combustibles fósiles por combustibles más respetuosos con el medio ambiente. Es indudable que ambos enfoques requieren de un profundo conocimiento de los procesos de combustión. Por tanto, para implementar este tipo de estrategias con éxito, se hace necesaria una precisa caracterización de los complejos comportamientos que típicamente se encuentran en las aplicaciones de combustión.
Una revisión bibliográfica reveló claros retrasos en el desarrollo de este tipo de estrategias para combustibles líquidos destinados a la generación de calor y energía en comparación con el carbón, gas natural o incluso combustibles líquidos destinados al transporte. Este diagnóstico fue la principal motivación para comenzar esta tesis, cuyo principal objetivo es el desarrollo de metodologías experimentales y de modelaje que permitan caracterizar el comportamiento de combustibles líquidos bajo condiciones representativas de su uso real. Aunque estas metodologías podrían en principio aplicarse a cualquier combustible líquido, en esta tesis se ha hecho especial hincapié en los combustibles líquidos destinados a la generación de calor y energía.
Para este objetivo, se ha elegido como idónea la configuración de gota aislada. Una de sus principales ventajas es su simplicidad, que permite un buen control de todos los parámetros relevantes para el proceso, de forma que los resultados obtenidos pueden ser intrínsecamente atribuidos al combustible ensayado. Una instalación de combustión de gotas denominada DCF (Droplet Combustion Facility) fue desarrollada con el objetivo de caracterizar experimentalmente diferentes combustibles líquidos de interés. Las condiciones experimentales utilizadas en la DCF (tamaños de gota, composición del gas, temperatura, etc.) se diseñaron para ser similares al rango de condiciones que habitualmente se pueden encontrar en llamas reales, tratando además de minimizar la convección, tanto natural como forzada. Esto permitió conseguir una configuración cercana a 1-D en los alrededores de la gota, facilitando significativamente la comparación entre los experimentos y los modelos teóricos.
En cuanto a los combustibles líquidos caracterizados, distintas revisiones bibliográficas revelaron claras oportunidades de estudio, como la glicerina cruda (subproducto de la producción de biodiesel) o distintos aceites de pirólisis, entre otros. La valorización energética de la glicerina cruda se considera una solución viable para abordar el importante problema ambiental causado por el gran exceso de este subproducto. Sin embargo, es bien conocido que sus propiedades causan dificultades a la hora de valorizarla en calderas y quemadores. Una caracterización detallada de las propiedades de combustión de este combustible en la instalación DCF revelaron bajas tasas de evaporación, así como la aparición de microexplosiones, tanto para la glicerina cruda original (GC), como para la muestra sometida a un proceso de desalinización (GD). Es interesante señalar que la tipología de estas microexplosiones difirió entre GC y GD, reforzando la hipótesis de que el contenido en sales puede jugar un papel relevante en el mecanismo de aparición de este fenómeno.
También se ha abordado la caracterización de distintos aceites de pirólisis producidos a partir de residuos tales como neumáticos usados, poliestireno y biomasa. Los graves problemas ambientales causados por algunos de estos desechos hacen de la pirólisis una alternativa atractiva y realista para eliminarlos, convirtiéndolos en productos con valor añadido. De entre estos productos, la fracción líquida es de especial interés para su combustión en calderas y quemadores destinados a la generación de calor y energía. Por consiguiente, una serie de aceites de pirólisis producidos a partir de diferentes materias primas y mediante varios catalizadores se caracterizó experimentalmente en la instalación DCF, generando información acerca de los comportamientos de combustión de estos aceites. Análogamente, otros combustibles y mezclas de combustibles, como biodiesel, gasóleo de calefacción o bio-butanol fueron ensayados, generando una base de datos con las características de combustión de una amplia variedad de combustibles de interés.
Además de combustibles reales, varios líquidos puros de distintas familias químicas fueron caracterizados experimentalmente en la DCF. Los datos obtenidos en estos ensayos sirvieron para validar el modelo de evaporación de gotas desarrollado, basado en la teoría clásica. Este modelo fue capaz de conseguir un buen acuerdo con los experimentos para los compuestos de la familia de los alcoholes pero, inesperadamente, sobreestimaba las tasas de evaporación de todos los alcanos evaluados. Estas divergencias fueron atribuidas a la descomposición endotérmica de vapores de combustible cerca de la superficie de la gota, ya que las altas temperaturas presentes en los experimentos pueden favorecer la pirólisis del los vapores de hidrocarburos, especialmente de aquellos con largas cadenas de carbono. La aparición de partículas de hollín en los alrededores de la gota parece respaldar esta hipótesis. Como resultado de estas observaciones, se desarrolló un nuevo modelo analítico que introduce estas reacciones de pirólisis en fase gas al problema de una gota aislada evaporando en un ambiente infinito. Este modelo se basó en un estudio asintótico, y se considera de clara relevancia para el campo de la combustión, ya que aborda un fenómeno poco estudiado que, sin embargo, es de claro interés para aplicaciones reales.
Finalmente, un trabajo que combina los métodos experimental y de modelaje anteriormente descritos se desarrolló con el objetivo de formular y validar distintos surrogates diseñados para emular las características evaporativas y de producción de hollín de un combustible químicamente complejo, como es el gasóleo de calefacción. Este estudio puede considerarse como un trabajo exploratorio que pretende proponer nuevas metodologías que introduzcan la configuración de gota aislada al proceso de diseño de surrogates. Los resultados obtenidos respaldan el interés de esta línea de trabajo, que podría ser especialmente beneficiosa para el caso de combustibles líquidos que, en su aplicación real, presenten una combustión en fase gas sustentada por la evaporación de gotas dentro de la cámara de combustión. Es decir, para aplicaciones en las que el combustible líquido no se pre-evapora, como puede ser el diesel en MACI o el fuel-oil en calderas. Para este tipo de combustibles y aplicaciones, el uso de una configuración simplificada y, al mismo tiempo, realista como la configuración de gota aislada puede contribuir al diseño de surrogates que reproduzcan fielmente los comportamientos deseados, siendo este un paso fundamental para el diseño de estrategias de optimización que precisen de una completa descripción de la composición y propiedades del combustible, como habitualmente ocurre en la mayoría de métodos computacionales.
