Cálculo numérico del factor de recirculación en hornos de combustión sin llama

RESUMEN: En este trabajo es realizado el cálculo del factor de recirculación en simulaciones de un horno de combustión sin llama con diferentes porcentajes de oxígeno en el comburente (de 21% a 100% de O2).Los resultados se comparan con la teoría de recirculación de Magnussen, teniéndose que cuando hay reacciones químicas los resultados de recirculación son sobrepredecidos por esta teoría, entonces en lugar de usar la teoría de Magnussen, se propone usar una correlación obtenida por medio de simulaciones, para calcular el factor de recirculación en hornos de combustión sin llama. También se presentan los resultados obtenidos del cálculo del factor de recirculación por medio de simulación numérica para diferentes configuraciones de jets confinados tomadas de la literatura, las cuales no involucran reacciones químicas, cuyos resultados son comparados con teorías de recirculación de jets confinados de Craya-Curtet, Thring-Newby y Magnussen, obteniéndose que a medida que la recirculación es mayor, los resultados numéricos se van alejando de estas teorías.ABSTARCT: This paper performs calculations of the recirculation factor in simulations of a flameless combustion furnace with different percentages of oxygen in air (from 21% to 100% O2). Results are compared with Magnussen’s recirculation theory and show that when there are chemical reactions, the recirculation results are overpredicted. An alternative correlation to Magnussen’s theory is proposed, useful in calculating the recirculation factor in flameless furnaces. Also, calculation of the recirculation factor obtained through numerical simulation for different configurations of confined jets taken from literature which do not involve chemical reactions, when compared with the recirculation confined jet theories of Craya-Curtet, Thring-Newby and Magnussen show that as recirculation increases, all the theories overpredict the recirculation factor

Desarrollo de una metodología para el diseño y la caracterización de regeneradores térmicos tipo honeycomb

En este estudio, se propone una metodología para el diseño y la caracterización de regeneradores térmicos tipo honeycomb o panal de abeja, empleando el software de dinámica de fluidos computacional FLUENT, para la obtención de perfiles de temperatura, y empleando correlaciones para relacionar los resultados numéricos con indicadores de desempeño como efectividad y tasa de recuperación de calor. Adicionalmente, se determinan parámetros térmicos relevantes, como el coeficiente convectivo de transferencia de calor y el NTU mediante correlaciones empíricas. Esta metodología presenta un bajo costo computacional y permite la selección de los regeneradores a partir de geometrías comerciales disponibles. Se aplicó la metodología a la caracterización de un regenerador con 400 celdas por pulgada cuadrada (CPSI), adscrito a un quemador auto regenerativo, y los resultados se compararon con mediciones experimentales, obteniéndose una buena aproximación

Lupa espacio-temporal: Una herramienta para el análisis visual de trayectorias en una bodega de datos

This paper presents a visual tool to facilite the trajectory analysis and the discovery of spatio-temporal patterns in a trajectory data warehouse (TDW). The proposed tool is a spatio-temporal magnifying glass that allows analysts to focus on a specific region, where several trajectories have ocurred and to delect, according to some parameters spsecified by the analyst through a graphical interface, e.g.the closeness relationship between trajectories of between a trajectory and its surrounding sites. In this paper, we propose and formally define derived closeness was the enrichment of a TDW model in order to allow the formulation of more expressive queries and to support the visualization aspect of the proposed tool. Although experiments that are more exhaustive are required, our results evidence some spatio-temporal patterns that demonstrate the convenience and advantages of our tool.En este artículo se presenta una herramienta visual para facilitar el análisis de trayectorias y el descubrimiento de patrones espacio-temporales a partir de una bodega de datos de trayectorias (BDT). La herramienta propuesta, una lupa espacio-temporal, permite que el analista se enfoque en una determinada región donde han ocurrido varias trayectorias y permite detectar, según ciertos parámetros especificados por el analista a través de una interfaz gráfica, p. ej. la relación de cercanía de una trayectoria con otras o con los sitios a su alrededor. En el artículo se proponen y definen formalmente las relaciones de cercanía derivadas entre trayectorias y entre trayectorias y sitios. Una contribución adicional fue el enriquecimiento de un modelo de una BDT con el fin de permitir la formulación de consultas más expresivas y apoyar el aspecto de visualización de la herramienta propuesta. Aunque se requieren experimentos más exhaustivos, los resultados evidenciaron algunos patrones espacio-temporales que demuestran la conveniencia y la utilidad de la herramienta

Estudio numérico y experimental de las propiedades y fenómenos radiativos en una llama de metano (ch4) con aire enriquecido

En este artículo, se presenta un estudio numérico y experimental del comportamiento de la radiación de una llama de metano con aire enriquecido con bajas concentraciones oxígeno. Se midió el flux de calor por radiación y se determinó su relación con el porcentaje de enriquecimiento del aire, permitiendo estimar las propiedades radiantes de la llama en función del enriquecimiento con oxígeno. Se utilizó aire con concentraciones de oxígeno desde 21% hasta 22,5%. La simulación se realizó con el software Fluent V6.2.16 y para resolver la ecuación de transferencia radiativa se empleó el modelo de las Ordenadas Discretas. Las propiedades radiantes de la mezcla de gases de combustión (CO, CO2 y H2O) se cuantificaron empleando el modelo de la Suma Ponderada de Gases Grises (WSGGM). La experimentación se llevó a cabo empleando como combustible Gas Natural de la Guajira, un factor de aireación de 1,1 y una potencia térmica de 1,54 kW. Se utilizó un quemador de premezcla tipo Bunsen, en el que se inducía el aire, el cua l a su vez es enriquecido con oxígeno proveniente de un cilindro

La radiación infrarroja como mecanismo de transferencia de calor de alta calidad en procesos de calentamiento

This paper tries to address the infrared radiation as a primary mechanism of heat transfer of high-quality in different heating processes, to highlightthe issues and applicability in the use, the characterization and design of thetechnologies powered by combustion systems. For this, it summarizes its phenomenology, definitions, assumptions and solutions; addresses some numerical methods used to solve the Radiative Transfer Equation (RTE) and its coupling to CFD codes (Computational Fluids Dynamics); as also the types of radiant equipment usually used, in especial the radiant tubes; as well as certain experimental methodologies used to characterize radiant systems, and some design methodologies. It was found, that the flux model and the discrete transferare sufficient to give solution to the radiation heat transfer phenomenon with the help of CFD codes, as well as the measuring device mainly used in experimental measurements is the radiometer, and the most practical design methodology may be the optimization.Este artículo trata de abordar la radiación infrarroja como un mecanismo primario de transferencia de calor de alta calidad en diferentes procesos de calentamiento, para resaltar los problemas y la aplicabilidad en el uso, la caracterización y el diseño de las tecnologías alimentadas por sistemas de combustión. Para esto, resume su fenomenología, definiciones, suposiciones y soluciones; aborda algunos métodos numéricos utilizados para resolver la ecuación de transferencia radiativa (RTE) y su acoplamiento a los códigos CFD (dinámica de fluidos computacional); como también los tipos de equipos radiantes utilizados habitualmente, en especial los tubos radiantes; así como ciertas metodologías experimentales utilizadas para caracterizar sistemas radiantes y algunas metodologías de diseño. Se descubrió que el modelo de flujo y la transferencia discreta son suficientes para dar solución al fenómeno de transferencia de calor por radiación con la ayuda de códigos CFD, así como el dispositivo de medición utilizado principalmente en mediciones experimentales es el radiómetro, y la metodología de diseño más práctica Puede ser la optimización

Development and evaluation of an autoregenerative and radiant combustion system for high temperature process in SME

RESUMEN: La búsqueda de tecnologías de calentamiento que reduzcan el consumo de combustible, disminuyan las emisiones contaminantes y mejoren la productividad de los procesos y calidad de los productos en procesos de alta temperatura, ha motivado la investigación y desarrollo tecnológico de sistemas térmicos. En este contexto el artículo presenta los resultados del proyecto “Desarrollo y Evaluación de un Sistema de Combustión Autoregenerativo y Radiante para Procesos de Alta Temperatura en Pequeñas y Medianas Empresas PyMES”, presentando la configuración, funcionamiento, caracterización, parámetros de operación y comportamiento de un prototipo desarrollado que opera con 28 kW de potencia térmica con base al poder calorífico inferior, factores de aireación de 1.05 y 1.20 y temperaturas de precalentamiento de aire hasta de 700ºC.ABSTARCT: Searching for new heating technologies that reduce fuel consumption, contaminant emissions and to improve the process productivity and products quality of high temperature process, it has motivated the researching and technologic development of the thermal systems. In that context, this article displays the results of the project: “Development and evaluation of an autoregenerative and radiant combustion system for high temperature process in small and medium scale enterprises (SME)” presenting the configuration, operation, characterization, operation parameters and behavior of a developed prototype that operates with 28 kW of thermal power based to the lower heating value, excess air factors of 1.05 and 1.20 and temperatures of air preheating until 700ºC

Numerical models for the phenomenological study of flameless combustion

RESUMEN: La combustión sin llama es una técnica que ofrece ventajas ambientales con emisiones de NOx y CO por debajo de 100 ppm debido a perfiles de temperatura con gradientes menores a 200 K y eficiencias energéticas mayores al 70%. El conocimiento de la fenomenología de este régimen de combustión ha sido facilitado por el empleo de la simulación numérica. En este artículo se ha hecho una revisión en la literatura especializada de los modelos de turbulencia, combustión, transferencia de calor y formación de NOx más usados en el modelado de la combustión sin llama con códigos CFD. Como resultado de la revisión se ha concluido que el modelo k-ε estándar es el más usado para la turbulencia, los modelos Finite Rate/Eddy Dissipation con sus constantes modificadas y Eddy Dissipation Concept son adecuados para las reacciones de combustión, el modelo de ordenadas discretas y suma ponderada de gases grises son utilizados para la radiación, y los modelos térmico, precoz y N2O intermedio se usan para los NOx.ABSTRACT: Flameless combustion is a technique which offers environmental advantages such as lower than 100 ppm NOx and CO emissions due to below 200 K temperature gradients. Flameless combustion also supplies higher than 70% energy efficiency. Knowledge of the phenomena in this combustion regime has been facilitated by using numerical simulation. This paper reviewed the specialised literature about the most commonly used turbulence, combustion, heat transfer and NOx formation models in modelling flameless combustion with CFD codes. The review concluded that the k-ε standard model is the most used for turbulence. Finite rate/eddy dissipation with modified constants and eddy dissipation concept models are suitable for combustion reactions, discrete ordinates and weighted sum gray gas (WSGG) models are used for radiation and thermal, prompt and N2O intermediate models are used for NOx

Numerical simulation of high speed combustion chamber using two fuel injection configurations

RESUMEN: En este trabajo se simuló numéricamente el proceso de combustión en una cámara de alta velocidad que opera con aire precalentado y metano. Las simulaciones han sido realizadas utilizando el software comercial FLUENT y para generar el mallado se empleó el software GAMBIT. Estos programas se emplearon como herramientas de diseño para investigar sobre el funcionamiento del sistema de combustión al emplear dos quemadores, sin sistema de generación de “swirl”: uno con inyección axial del combustible y el otro con inyección radial, antes de construir y probar el prototipo definitivo. Los modelos utilizados han sido k - ε para turbulencia, P1 para la radiación y PDF – Mixture Fraction para la combustión. Los resultados numéricos obtenidos muestran que el sistema de inyección radial de combustible puede traer ventajas respecto a la inyección axial desde el punto de vista de eficiencia de combustión, siendo más completa la combustión radial debido al mejor mezclado entre el gas y el aire.ABSTARCT: In this work, it was simulated the combustion process in a high velocity chamber, which uses highly preheated air and methane as fuel. The simulation was carried out with FLUENT and the grid was drawn with GAMBIT. These programs were used as designing tool to predict the performance of the combustion system when two different types of burners are tested, and there is not swirl generation. The first type of burner the fuel is injected axially. In the second one the fuel is injected radially. The models were: k - ε for turbulence, P1 for radiation and PDF-Mixture Fraction for combustion processes. The numerical results show that radial injection of fuel presents a better performance than axial injection with regard to combustion efficiency, also it is achieved a more complete combustion due to the better mix between air and fuel

Flame structure simulation in a methane/air coflow partially premixed burner

RESUMEN: En este trabajo se simuló el efecto del dosado relativo sobre la estructura de una llama laminar de premezcla parcial metano/aire, en un quemador atmosférico de flujo concéntrico. Se estudiaron 3 dosado relativos (Φ=1,6, Φ=2,0,Φ=3,5), manteniendo constante la potencia térmica. Para la simulación se empleó FLUENT V. 6.2. Se compararon los perfiles radiales de temperatura y velocidad obtenidos con los reportados en la literatura y se estudió la influencia de la estructura de la malla en la solución. Así mismo, se definió un criterio para reportar la altura de la llama interna a partir del OH y se analizó el efecto del dosado relativo sobre la estructura de llama mediante los contornos de temperatura y especies. Se obtuvo la estructura típica de una llama de premezcla parcial, para todos los dosado relativos.ABSTRACT: The effect of the equivalence ratio on the partially premixed methane / air laminar flame structure, in a coflow atmospheric burner was simulated. Three equivalence ratios were studied (Φ=1.6, Φ=2.0, Φ=3.5) keeping constant the released energy. The simulation was carried out using FLUENT V 6.2. The radial profiles of temperature and velocity were compared with the experimental data. The influence of the mesh structure in the solution was studied. A criterion to report the height of the flame from the OH profile was also defined. The effect of the equivalence ratio on the flame structure was analyzed from temperature and species contours. The typical structure of a partially premixed flame for the three equivalence ratios was obtained

The characteristics of oxygen-enriched combustion and perspectives regarding its application in SMEs having high-temperature processes

RESUMEN: Las pequeñas y medianas empresas (PYME) con procesos de alta temperatura, como la fundición y los tratamientos térmicos, son de gran importancia social y económica en los países en vía de desarrollo, siendo necesario aumentar su competitividad para garantizar su permanencia en el mercado. Dado que estas empresas son intensivas en el consumo de energía térmica, su competitividad se ve afectada por la obsolescencia y baja eficiencia de los sistemas de combustión, por lo que es necesaria la investigación y divulgación de nuevas tecnologías. Teniendo esto en mente, se presenta una revisión del estado del arte de la combustión con aire enriquecido con oxígeno (OEC), resaltando sus ventajas ambientales y productivas. Con el objetivo de mostrar su potencial se presenta un caso de aplicación a la fusión de latón en un horno autorregenerativo para el que se obtienen reducciones de consumo de combustible, tiempo de proceso y emisiones contaminantes de CO2 total equivalente del 28, 43 y 34% respectivamente y un incremento del 30% en la eficiencia al aumentar el contenido de O2 en el comburente de 21 a 35%. Sin embargo, el incremento del costo asociado al suministro de O2 representa un obstáculo para la penetración de esta tecnología.ABSTRACT: Small and medium-sized enterprises (SMEs) having high temperature processes, such as heat treating and melting, are socially and economically important for developing countries. Consequently, their competitiveness must thus be increased to guarantee their permanence in the market. As these companies are thermal energy intensive, their competitiveness is affected by obsolescence and the low efficiency of older combustion devices, thereby making research necessary and being open to and aware of new technologies. With this aim in mind, a review of the state of the art regarding oxygen-enhanced combustion (OEC) is presented, highlighting its productivity and environmental benefits. A brass melting process in a self-regenerative furnace is shown to account for its potential, in which 28%, 43% and 34% reductions in fuel consumption, process time and CO2 emissions were obtained, respectively, and a 30% increase in efficiency, by increasing the oxygen content in the oxidiser from 21% to 35%. However, increased O2 supply cost constitutes an obstacle to applying this technique in SMEs