Una llama premezclada es una llama que se forma bajo ciertas condiciones durante la combustión de una carga premezclada (también llamada premezcla) de combustible y oxidante . Dado que el combustible y el oxidante, los reactantes químicos clave de la combustión, están disponibles a través de una carga premezclada estequiométrica homogénea , el proceso de combustión una vez iniciado se sostiene mediante su propia liberación de calor. La mayor parte de la transformación química en tal proceso de combustión ocurre principalmente en una región interfacial delgada que separa los gases no quemados y quemados. La interfaz de llama premezclada se propaga a través de la mezcla hasta que se agota toda la carga. [1]La velocidad de propagación de una llama premezclada se conoce como velocidad de la llama (o velocidad de combustión) que depende del equilibrio de convección-difusión-reacción dentro de la llama, es decir, de su estructura química interna. La llama premezclada se caracteriza como laminar o turbulenta dependiendo de la distribución de velocidades en la premezcla sin quemar (que proporciona el medio de propagación de la llama).
Propagación de llama premezclada
Laminado
En condiciones controladas (típicamente en un laboratorio), se puede formar una llama laminar en una de varias configuraciones de llama posibles. La estructura interna de una llama laminar premezclada se compone de capas sobre las que se produce la descomposición, reacción y oxidación completa del combustible. Estos procesos químicos son mucho más rápidos que los procesos físicos como el movimiento de vórtice en el flujo y, por lo tanto, la estructura interna de una llama laminar permanece intacta en la mayoría de las circunstancias. Las capas constitutivas de la estructura interna corresponden a intervalos especificados durante los cuales la temperatura aumenta desde la mezcla no quemada especificada hasta un valor tan alto como la temperatura de llama adiabática (AFT). En presencia de transferencia de calor volumétrica y / o estiramiento aerodinámico, o bajo el desarrollo de inestabilidades intrínsecas de la llama , el grado de reacción y, por lo tanto, la temperatura alcanzada a través de la llama puede ser diferente del AFT.
Velocidad de combustión laminar
Para una química irreversible de un solo paso, es decir, , la llama plana adiabática tiene una expresión explícita para la velocidad de combustión derivada de las asintóticas de energía de activación cuando el número de Zel'dovich La velocidad de reacción (número de moles de combustible consumidos por unidad de volumen por unidad de tiempo) se toma en forma de Arrhenius ,
dónde es el factor preexponencial ,es la densidad ,es la fracción de masa de combustible ,es la fracción de masa del oxidante ,es la energía de activación ,es la constante universal de los gases ,es la temperatura ,son los pesos moleculares del combustible y el oxidante, respectivamente yson las órdenes de reacción. Deje que las condiciones no quemadas muy por delante de la llama se denoten con un subíndice y de manera similar, las condiciones del gas quemado por , entonces podemos definir una razón de equivalencia para la mezcla sin quemar como
- .
Luego, la velocidad de combustión laminar planar para una mezcla rica en combustible () viene dado por [2] [3]
dónde
y . Aquíes la conductividad térmica ,es el calor específico a presión constante yes el número de Lewis . De manera similar, se puede escribir la fórmula para leanmezclas. Este resultado fue obtenido por primera vez por T. Mitani en 1980. [4] La corrección de segundo orden de esta fórmula con propiedades de transporte más complicadas fue obtenida por Forman A. Williams y sus colaboradores en los años 80. [5] [6] [7]
Las variaciones en la velocidad de propagación local de una llama laminar surgen debido a lo que se denomina estiramiento de la llama. El estiramiento de la llama puede ocurrir debido al esfuerzo del campo de velocidad del flujo externo o la curvatura de la llama; la diferencia entre la velocidad de propagación y la velocidad laminar correspondiente es una función de estos efectos y puede escribirse como: [8] [9]
dónde es el espesor de la llama laminar, es la curvatura de la llama, es la unidad normal en la superficie de la llama apuntando hacia el lado del gas no quemado, es la velocidad del flujo y son los respectivos números de Markstein de curvatura y deformación.
Turbulento
En escenarios prácticos, la turbulencia es inevitable y, en condiciones moderadas, la turbulencia ayuda al proceso de combustión premezclada ya que mejora el proceso de mezcla de combustible y oxidante. Si la carga premezclada de gases no se mezcla homogéneamente, las variaciones en la relación de equivalencia pueden afectar la velocidad de propagación de la llama. En algunos casos, esto es deseable como en la combustión estratificada de combustibles mezclados.
Se puede suponer que una llama turbulenta premezclada se propaga como una superficie compuesta por un conjunto de llamas laminares siempre que los procesos que determinan la estructura interna de la llama no se vean afectados. [10] En tales condiciones, la superficie de la llama se arruga en virtud del movimiento turbulento en los gases premezclados, lo que aumenta el área de la superficie de la llama. El proceso de arrugado aumenta la velocidad de combustión de la llama turbulenta premezclada en comparación con su contraparte laminar.
La propagación de una llama premezclada de este tipo puede analizarse utilizando la ecuación de campo denominada ecuación G [11] [12] para un escalar como:
- ,
que se define de manera que los conjuntos de niveles de G representan las diversas interfaces dentro de la llama premezclada que se propaga con una velocidad local . Sin embargo, este no suele ser el caso, ya que la velocidad de propagación de la interfaz (con resección a mezcla sin quemar) varía de un punto a otro debido al estiramiento aerodinámico inducido debido a los gradientes en el campo de velocidad.
Sin embargo, en condiciones contrastantes, la estructura interna de la llama premezclada puede alterarse por completo y provocar que la llama se extinga localmente (conocida como extinción local) o globalmente (conocida como extinción global o explosión). Tales casos opuestos gobiernan el funcionamiento de los dispositivos de combustión prácticos, como los motores SI y los posquemadores de motores de avión. La predicción de la medida en que la estructura interna de la llama se ve afectada en el flujo turbulento es un tema de extensa investigación.
Configuración de llama premezclada
La configuración de flujo de los gases premezclados afecta las características de estabilización y combustión del
Llama de Bunsen
En una llama Bunsen, se proporciona un caudal constante que coincide con la velocidad de la llama para estabilizar la llama. Si el caudal está por debajo de la velocidad de la llama, la llama se moverá corriente arriba hasta que se consuma el combustible o hasta que encuentre un soporte de llama . Si la tasa de flujo es igual a la velocidad de la llama, esperaríamos un frente de llama plano estacionario normal a la dirección del flujo. Si la tasa de flujo está por encima de la velocidad de la llama, el frente de la llama se volverá cónico de manera que el componente del vector de velocidad normal al frente de la llama sea igual a la velocidad de la llama.
Llama de estancamiento
Aquí, los gases premezclados fluyen de tal manera que forman una región de estancamiento (velocidad cero) donde la llama puede estabilizarse.
Llama esférica
En esta configuración, la llama se inicia típicamente mediante una chispa dentro de una premezcla homogénea. La posterior propagación de la llama premezclada desarrollada se produce como un frente esférico hasta que la mezcla se transforma por completo o se alcanzan las paredes del recipiente de combustión.
Aplicaciones
Dado que la relación de equivalencia de los gases premezclados puede controlarse, la combustión premezclada ofrece un medio para alcanzar bajas temperaturas y, por lo tanto, reducir las emisiones de NO x . Debido a una mezcla mejorada en comparación con las llamas de difusión , también se mitiga la formación de hollín. Por lo tanto, la combustión premezclada ha ganado importancia en los últimos tiempos. Los usos involucran turbinas de gas pobre-premezcladas-prevaporizadas (LPP) y motores SI .
Ver también
- Colector generado por llama
- Llama luminosa
- Combustible oxigenado
Referencias
- ^ Lewis, Bernard; Elba, Guenther von (2012). Combustión, llamas y explosiones de gases . Elsevier. ISBN 9780323138024.
- ^ Williams, FA (2018). Teoría de la combustión. Prensa CRC.
- ^ Linan, A. y Williams, FA (1993). Aspectos fundamentales de la combustión.
- ↑ MITANI, T. (1980). Velocidades de propagación de llamas de dos reactivos. Ciencia y tecnología de la combustión, 21 (3-4), 175-177.
- ^ Rogg, B. y Williams, FA (1985). Análisis asintótico de la propagación laminar de llama con coeficientes de transporte variables. Ciencia y tecnología de la combustión, 42 (5-6), 301-316.
- ^ Chelliah, HK y Williams, FA (1987). Análisis asintótico de llamas de dos reactivos con propiedades variables y transporte Stefan-Maxwell. Ciencia y tecnología de la combustión, 51 (4-6), 129-144.
- ^ Rogg, B. (1986). Sobre la precisión de las predicciones de velocidad de llama asintótica para llamas de dos reactivos. Ciencia y tecnología de la combustión, 45 (5-6), 317-329.
- ^ Clavin, P. y Graña-Otero, JC (2011). Llamas curvas y estiradas: los dos números de Markstein. Revista de mecánica de fluidos, 686, 187-217.
- ^ Clavin, Paul y Geoff Searby. Ondas de combustión y frentes en flujos: llamas, choques, detonaciones, frentes de ablación y explosión de estrellas. Prensa de la Universidad de Cambridge, 2016.
- ^ Peters, Norbert (2000). Combustión turbulenta . Prensa de la Universidad de Cambridge. ISBN 9780511612701. OCLC 56066895 .
- ^ Williams, FA (1985). Combustión turbulenta. En Las matemáticas de la combustión (págs. 97-131). Sociedad de Matemáticas Industriales y Aplicadas.
- ^ Kerstein, Alan R. (1 de enero de 1988). "Ecuación de campo para la propagación de la interfaz en un campo de flujo homogéneo inestable". Physical Review A . 37 (7): 2728–2731. doi : 10.1103 / PhysRevA.37.2728 . PMID 9899999 .