Llama premezclada

Los diferentes tipos de llama de un mechero Bunsen dependen del suministro de oxígeno. A la izquierda, una mezcla rica de combustible sin oxígeno premezclado produce una llama de difusión de hollín amarillento , y a la derecha, una llama pobre con oxígeno premezclado no produce hollín y el color de la llama se produce por emisión de bandas de radicales moleculares .

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 reactivos químicos clave de la combustión) están disponibles en toda una carga premezclada estequiométrica homogénea , el proceso de combustión una vez iniciado se sostiene por sí mismo mediante su propia liberación de calor. La mayor parte de la transformación química en un proceso de combustión de este tipo ocurre principalmente en una delgada región interfacial que separa los gases no quemados de los quemados. La interfaz de la 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 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 por ser laminar o turbulenta dependiendo de la distribución de velocidad en la premezcla no quemada (que proporciona el medio de propagación para la llama).

Propagación de llama premezclada

Laminado

En condiciones controladas (normalmente en un laboratorio), se puede formar una llama laminar en una de varias configuraciones de llama posibles. La estructura interna de una llama premezclada laminar está compuesta de capas sobre las que se produce la descomposición, la reacción y la 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 específicos sobre los que la temperatura aumenta desde la mezcla no quemada especificada hasta un nivel tan alto como la temperatura de llama adiabática (AFT). En presencia de transferencia de calor volumétrica y/o estiramiento aerodinámico, o en el desarrollo de inestabilidades intrínsecas de la llama , el grado de reacción y, por lo tanto, la temperatura alcanzada a través de la llama pueden ser diferentes de la AFT.

Velocidad de combustión laminar

Para una química irreversible de un solo paso, es decir, , la llama adiabática plana tiene una expresión explícita para la velocidad de combustión derivada de la asintótica de la 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 como la forma de Arrhenius , ${\displaystyle \nu _{F}{\rm {{F}+\nu _{O}{\rm {{O}_{2}\rightarrow {\rm {Products}}}}}}}$ ${\displaystyle \beta \gg 1.}$ ${\displaystyle \omega }$

${\displaystyle \omega =B\left({\frac {\rho Y_{F}}{W_{F}}}\right)^{m}\left({\frac {\rho Y_{O_{2}}}{W_{O_{2}}}}\right)^{n}e^{-E_{a}/RT},}$

donde es el factor preexponencial , es la densidad , es la fracción de masa del 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 del oxidante, respectivamente y son los órdenes de reacción. Sea que las condiciones no quemadas mucho antes de la llama se denoten con subíndice y, de manera similar, las condiciones del gas quemado con , entonces podemos definir una relación de equivalencia para la mezcla no quemada como ${\displaystyle B}$ ${\displaystyle \rho }$ ${\displaystyle Y_{F}}$ ${\displaystyle Y_{O_{2}}}$ ${\displaystyle E_{a}}$ ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle W_{F}\ \&\ W_{O_{2}}}$ ${\displaystyle m\ \&\ n}$ ${\displaystyle u}$ ${\displaystyle b}$ ${\displaystyle \phi }$

${\displaystyle \phi ={\frac {\nu _{O_{2}}W_{O_{2}}}{\nu _{F}W_{F}}}{\frac {Y_{F,u}}{Y_{O_{2},u}}}}$.

Entonces, la velocidad de combustión laminar planar para la mezcla rica en combustible ( ) está dada por ^{[2] [3]} ${\displaystyle \phi >1}$

${\displaystyle S_{L}=\left\{{\frac {2B\lambda _{b}\rho _{b}^{m+n}\nu _{F}^{m}Y_{O_{2},u}^{m+n-1}G(n,m,a)}{c_{p,b}\rho _{u}^{2}\nu _{O_{2}}W_{O_{2}}^{m+n-1}\beta ^{m+n+1}\mathrm {Le} _{O_{2}}^{-n}\mathrm {Le} _{F}^{-m}}}\right\}^{1/2}e^{-E_{a}/2RT_{b}}+O(\beta ^{-1}),}$

dónde

${\displaystyle G(n,m,a)=\int _{0}^{\infty }y^{n}(y+a)^{m}\ dy}$

y . Aquí es la conductividad térmica , es el calor específico a presión constante y es el número de Lewis . De manera similar, se puede escribir la fórmula para mezclas pobres. Este resultado fue obtenido por primera vez por T. Mitani en 1980. ^[4] Forman A. Williams y sus colaboradores derivaron una corrección de segundo orden a esta fórmula con propiedades de transporte más complicadas en los años 80. ^{[5] [6] [7]} ${\displaystyle a=\beta (\phi -1)/\mathrm {Le} _{F}}$ ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle c_{p}}$ ${\displaystyle \mathrm {Le} }$ ${\displaystyle \phi <1}$

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 a la tensión ejercida por el campo de velocidad del flujo externo o por 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]}

${\displaystyle U_{L}=S_{L}-S_{L}{\mathcal {M}}_{c}\delta _{L}\kappa +{\mathcal {M}}_{a}\delta _{L}\mathbf {n} \cdot \nabla \mathbf {n} \cdot \mathbf {n} }$

donde es el espesor de la llama laminar, es la curvatura de la llama, es la normal unitaria en la superficie de la llama que apunta hacia el lado del gas no quemado, es la velocidad del flujo y son los respectivos números de Markstein de curvatura y deformación. ${\displaystyle \delta _{L}}$ ${\displaystyle \kappa }$ ${\displaystyle \mathbf {n} }$ ${\displaystyle \mathbf {v} }$ ${\displaystyle {\mathcal {M}}_{c}\ \&\ {\mathcal {M}}_{a}}$

Turbulento

En la práctica, la turbulencia es inevitable y, en condiciones moderadas, favorece el proceso de combustión premezclada, ya que mejora el proceso de mezcla del combustible y el oxidante. Si la carga premezclada de gases no se mezcla de forma homogénea, las variaciones en la relación de equivalencia pueden afectar a 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 premezclada turbulenta se propaga como una superficie compuesta por un conjunto de llamas laminares siempre que no se vean afectados los procesos que determinan la estructura interna de la llama. ^[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 superficial de la llama. El proceso de arrugamiento aumenta la velocidad de combustión de la llama premezclada turbulenta en comparación con su contraparte laminar.

La propagación de dicha llama premezclada se puede analizar utilizando la ecuación de campo denominada ecuación G ^{[11] [12]} para un escalar como: ${\displaystyle G}$

${\displaystyle {\frac {\partial G}{\partial t}}+\mathbf {v} \cdot \nabla G=U_{L}|\nabla G|}$,

que se define de tal manera que los conjuntos de niveles de G representan las diversas interfaces dentro de la llama premezclada que se propagan con una velocidad local . Sin embargo, esto no suele ser así, ya que la velocidad de propagación de la interfaz (con respecto a la mezcla no quemada) varía de un punto a otro debido al estiramiento aerodinámico inducido por gradientes en el campo de velocidad. ${\displaystyle U_{L}}$

Sin embargo, en condiciones opuestas, la estructura interna de la llama premezclada puede verse totalmente alterada, lo que provoca que la llama se extinga localmente (lo que se conoce como extinción local) o globalmente (lo que se conoce como extinción global o soplado). Estos casos opuestos rigen el funcionamiento de dispositivos de combustión prácticos, como los motores de encendido por chispa y los postquemadores de los motores aeronáuticos. La predicción del grado en que la estructura interna de la llama se ve afectada en un flujo turbulento es un tema de amplia investigación.

Configuración de llama premezclada

La configuración del flujo de 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 estabilizarla. Si el caudal es inferior a la velocidad de la llama, esta se moverá aguas arriba hasta que se consuma el combustible o hasta que encuentre un soporte de llama . Si el caudal es igual a la velocidad de la llama, esperaríamos un frente de llama plano estacionario normal a la dirección del flujo. Si el caudal es superior a la velocidad de la llama, el frente de llama se volverá cónico de modo que el componente del vector de velocidad normal al frente de 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 normalmente mediante una chispa dentro de una premezcla homogénea. La propagación posterior de la llama premezclada generada 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 se puede controlar, la combustión premezclada ofrece un medio para alcanzar bajas temperaturas y, por lo tanto, reducir las emisiones de NOx . Debido a una mejor mezcla 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 incluyen turbinas de gas de mezcla pobre premezclada prevaporizada (LPP) y motores de encendido por chispa .

Véase también

• Colector de generación de flamelets
• Llama luminosa
• Oxígeno-combustible

Referencias

1. Lewis, Bernard; Elbe, Guenther von (2012). Combustión, llamas y explosiones de gases. Elsevier. ISBN 9780323138024.
2. Williams, FA (2018). Teoría de la combustión. CRC Press.
3. Linan, A., & Williams, FA (1993). Aspectos fundamentales de la combustión.
4. MITANI, T. (1980). Velocidades de propagación de llamas de dos reactivos. Ciencia y tecnología de la combustión, 21(3-4), 175-177.
5. Rogg, B., y Williams, FA (1985). Análisis asintótico de la propagación de llama laminar con coeficientes de transporte variables. Ciencia y tecnología de la combustión, 42(5-6), 301-316.
6. Chelliah, HK y Williams, FA (1987). Análisis asintótico de llamas de dos reactivos con propiedades variables y transporte de Stefan-Maxwell. Ciencia y tecnología de la combustión, 51(4-6), 129-144.
7. Rogg, B. (1986). Sobre la precisión de las predicciones asintóticas de la velocidad de la llama para llamas con dos reactantes. Ciencia y tecnología de la combustión, 45(5-6), 317-329.
8. Clavin, P., y Graña-Otero, JC (2011). Llamas curvadas y estiradas: los dos números de Markstein. Journal of Fluid Mechanics, 686, 187-217.
9. Clavin, Paul y Geoff Searby. Ondas y frentes de combustión en flujos: llamas, choques, detonaciones, frentes de ablación y explosión de estrellas. Cambridge University Press, 2016.
10. Peters, Norbert (2000). Combustión turbulenta . Cambridge University Press. ISBN 9780511612701.OCLC 56066895  .
11. Williams, FA (1985). Combustión turbulenta. En Matemáticas de la combustión (pp. 97-131). Sociedad de Matemáticas Industriales y Aplicadas.
12. Kerstein, Alan R. (1 de enero de 1988). "Ecuación de campo para la propagación de la interfaz en un campo de flujo homogéneo no estacionario". Physical Review A . 37 (7): 2728–2731. doi :10.1103/PhysRevA.37.2728. PMID  9899999.