Panorama y futuro energético mundial

RESUMEN: Desde la revolución industrial, época en la que se inicia la transición de una estructura energética basada en la biomasa hacia la utilización del carbón como principal energético, pasando por la incorporación en la economía mundial de los derivados del petróleo como principal fuente energética en el siglo XX, la situación energética mundial se caracterizó por un suministro confiable de energía, precios internacionales estables, poca atención a la disponibilidad de reserva y alguna preocupación ambiental principalmente asociada a la emisión de algunas especies contaminantes que afecten la calidad del aire. Esta situación va a cambiar cuando en la década de los años setenta ocurre la crisis energética debida al incremento de los precios del petróleo, como consecuencia de la disminución de la oferta realizada por los países productores del crudo

Análisis teórico y experimental de la combustión estabilizada en la superficie de un medio poroso confinado

RESUMEN: En este trabajo se realiza un estudio de la combustión estabilizada sobre la superficie de un medio poroso confinado, en donde se evalúan parámetros como los perfiles de temperatura al interior del medio poroso, estabilidad y morfología de llamas, emisiones contaminantes, efectos de la recirculación de gases sobre la estructura de la llama, entre otros. Lo anterior, debido a que no hay reportes de la combustión estabilizada en la superficie de medios porosos confinados, lo cual es un vacío teniendo en cuenta que para aprovechar eficientemente la energía aportada por los combustibles, el calor debe concentrarse, tal como sucede en motores de combustión interna, turbinas y hornos. Para abordar el problema, se realizan análisis teóricos, numéricos y experimentales, tomando como base estudios previos realizados por el grupo GASURE y la revisión del marco teórico y estado del arte. Se hace una descripción detallada de la metodología implementada para evaluar los aspectos teóricos, como también los modelos, suposiciones (o simplificaciones) utilizados en las simulaciones numéricas y las técnicas de medición de cada uno de los parámetros evaluados experimentalmente, destacando la implementación de la técnica OH-PLIF para realizar un diagnóstico óptico de la combustión (morfología de llama). Uno de los hallazgos de este trabajo es que en la combustión estabilizada sobre la superficie de medios porosos confinados, prima el efecto del régimen de la transferencia de calor sobre los efectos de la recirculación de gases, lo cual se evidenció en los resultados de la morfología de llama, emisiones contaminantes, perfiles de temperatura del medio poroso y rango de operación del quemador, tanto numérica como experimentalmente. Lo anterior, se pudo establecer al comparar la combustión estabilizada sobre la superficie del medios poroso confinado con respecto a uno no confinado. Adicionalmente, se encontró que para la geometría utilizada en los experimentos se generaron fenómenos termo-acústicos en el quemador confinado, los cuales no se presentan en condiciones de no confinamiento y que además, al modificar la geometría de la sección de salida del quemador, el efecto termo-acústico puede mitigarse o incluso disiparse

Simulación numérica de una cámara de combustión de alta velocidad con dos configuraciones de inyección de combustible

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 “swirlâ€�: 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 - Ã¥ 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

Study of the flameless combustión mode in presence of the thermal load fluctuation

RESUMEN: El presente estudio evaluó numérica y experimentalmente en un horno de 20 kW (a gas natural y con un factor de aireación de 1.2) la estabilidad del régimen de combustión sin llama ante la variación de la carga térmica usando diferentes flujos de aire (43 scfm, 63 scfm y 83 scfm) y una mezcla de Aire-Helio (Aire 82.02 scfm y Helio 7.06 scfm); esta última se utilizó con el fin de evaluar el comportamiento del sistema ante un incremento en el calor especifico del fluido de carga. El estudio se dividió en dos partes, una parte numérica y otra experimental. A partir de la simulación numérica se calculó el perfil de temperatura, el perfil de CO, el factor de recirculación Kv y la masa de productos de combustión recirculados. En la fase experimental los perfiles de temperatura mostraron una disminución en la temperatura de la cámara de combustión a medida que el flujo de aire de carga incrementaba, sin embargo, esta disminución no afectó la uniformidad térmica dentro del horno. Además la eficiencia útil mostró un incremento al pasar de un flujo de aire de carga de 43 scfm a 63 scfm, seguido de una disminución al incrementar la carga térmica.ABSTRACT: The present study evaluated numerically and experimentally in a 20 kW furnace (using natural gas as fuel and with an equivalent ratio of 1.2) the stability of the flameless combustion regime due to the fluctuation of the thermal load through the use of different air flow (43 scfm, 63 scfm y 83 scfm) and an Air-Helium mixture (Air 82.02 scfm and Helium 7.06 scfm); the last one it was used to evaluate the behavior of the system in the face of an increase in the load fluid specific heat capacity. The study was divided in two parts, numerical simulation and experimental phase. From the numerical simulation was calculated the temperature profile, CO profile, the recycle ratio Kv and the mass of flue gases recirculated. In the experimental phase the temperature profiles obtained showed a decrease in the temperature of the combustion chamber as the load air flow increased however, this decrease did not affect the thermal uniformity inside of the furnace. Furthermore the useful efficiency showed an increase when went over from a load air of 43 scfm to 63 scfm, followed by a decrease of it with the other load flows

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

Energy performance of a furnace with regenerative burner under flameless combustion regime

The growing energy demand and the increase regarding pollutant emissions are serious issues nowadays. Efficiency increase is one of the principal alternatives to reduce fuel consumption and decrease the amount of contaminants. In this respect, the flameless combustion regime combined with regenerative burners is a technology that allows to obtain both. In the present study, an energy evaluation of a furnace at 25 kW under flameless combustion regime with natural gas as fuel was carried out. Additionally, a CFD simulation was performed in order to evaluate the capacity of the selected models to predict the experimental results. The results of energy balance show that the thermal efficiency overcomes in more than 10% the values obtained under conventional combustion, besides achieving very low emission levels. The models selected reproduce accurately the general behaviours of flameless combustion regime; however, they underestimate the reaction rates of the combustion of CH4.La creciente demanda energética y el aumento de las emisiones contaminantes son una grave problemática en la actualidad. El aumento de la eficiencia es una de las principales alternativas para reducir tanto el consumo de combustibles como la cantidad de contaminantes. En este sentido, el régimen de combustión sin llama con quemadores regenerativos se presenta como una tecnología que permite de forma simultánea alcanzar estas características. En el presente estudio se llevó a cabo la evaluación energética de forma experimental de un horno operando a 25 kW en el régimen de combustión sin llama, usando gas natural como combustible. De forma adicional se realizó una simulación CFD para evaluar la capacidad de predicción de los modelos seleccionados. Los resultados obtenidos del balance de energía muestran que la eficiencia térmica del horno bajo el mencionado régimen supera en un 10 % adicional la alcanzada en combustión convencional, además de obtener niveles de emisiones sumamente bajos. Los modelos seleccionados reproducen las tendencias generales del régimen y, sin embargo, subestiman las tasas de reacción dentro del proceso de combustión del CH4

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

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

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