Abstracto
El objetivo de este trabajo es realizar una investigación experimental de las emisiones de sustancias peligrosas en la salida de la cámara de combustión simulada. El experimento se llevó a cabo en una cámara de combustión simulada. La cámara de combustión incluía un dispositivo de quemador; un sistema de alimentación de combustible líquido; y un tubo de llama con dos filas de orificios de mezcla y una fila de orificios de refrigeración. El modo de funcionamiento de la cámara de combustión era = 0,435, = 423 K, y la presión atmosférica. La tasa de quema de combustible líquido fue de 0,77 g/s. La relación de presión en la cámara de combustión se mantuvo constante en = 3%. Se utilizaron dos tipos de combustible: queroseno de aviación de la marca rusa TS-1 y el sustituto de combustible fue una mezcla de n-decano (C10H22) con adiciones de benceno (C6H6). Las adiciones de benceno fueron del 5% al 30% (n-decano/benceno: 95/5, 90/10, 85/15, 80/20, 75/25 y 70/30).
1. Introducción
La cámara de combustión es una de las partes principales de un motor de turbina de gas que define sus características de emisión. En la actualidad, el problema de las emisiones de los motores de turbina de gas se ha resuelto principalmente mediante cálculos semiempíricos y de desarrollo experimental de prototipos. Este enfoque requiere mucha mano de obra y proporciona poca información sobre los procesos en el interior de la cámara, lo que impide la aplicación de las normas de la OACI.
Las técnicas modernas de diseño y depuración de las cámaras de combustión de los motores de turbina de gas deberían utilizar la dinámica de fluidos computacional (CFD). Los cálculos de CFD deberían basarse en la solución simultánea de las ecuaciones de la dinámica de los gases y de la cinética química detallada. Con el nivel actual de potencia de cálculo, la solución de estos problemas en las próximas décadas no parece posible. Otra solución podría ser el empleo de métodos híbridos. Se supone que un método híbrido resuelve cada problema por separado y luego los combina en un único algoritmo. La simulación de la cinética química no es concebible sin utilizar mecanismos de reacción detallados y reducidos. Para desarrollar mecanismos cinéticos es necesario conocer la composición exacta del combustible inicial. El principal tipo de combustible para motores de turbina de gas es el queroseno de aviación. El queroseno está formado por docenas de componentes de hidrocarburos separados. Su composición puede variar según las materias primas y los fabricantes. La simulación numérica requiere una mezcla formada por los componentes conocidos y que contenga un número limitado de constituyentes químicos. Estas mezclas se denominan sustitutos. Un sustituto debe reproducir las principales características del combustible real.
Un mecanismo cinético detallado de la oxidación del sustituto debe imitar las propiedades químicas esenciales del queroseno. Los mecanismos reducidos se utilizan para calcular la dinámica de los gases y deben describir de forma idéntica las propiedades físicas del queroseno, así como para predecir con precisión la distribución de la temperatura y la concentración de combustible recuperado en la cámara de combustión.
Para desarrollar métodos híbridos de simulación CFD del rendimiento ambiental de la cámara de combustión, es necesario resolver dos problemas principales:(1)Adaptación del sustituto del queroseno de aviación. El sustituto debe reproducir adecuadamente las propiedades químicas o físicas del queroseno.(2)Desarrollar mecanismos detallados y reducidos de la oxidación del sustituto.
La solución de estos problemas (juntos o en combinación) podría proporcionar una base sólida para desarrollar un método híbrido. Esta investigación se ha centrado en resolver el primer problema.
2. Sustituto del queroseno
Todos los componentes de los combustibles complejos pueden dividirse en varias clases estructurales. Se trata de alcanos (hidrocarburos saturados de estructura lineal o ramificada), alquenos (hidrocarburos con dobles enlaces), cicloalcanos (hidrocarburos saturados que contienen un anillo) e hidrocarburos aromáticos (moléculas que contienen anillos de benceno) . La tabla 1 representa la composición media de algunos combustibles de aviación . La mayor parte del combustible son alcanos: su cantidad total alcanza el 65%, y junto con los cicloalcanos representan el 79-97%. Una parte considerable (hasta el 20%) está constituida por hidrocarburos aromáticos. Por otro lado, la concentración de alquenos en el combustible es insignificante.
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Varios trabajos sugieren un gran número de sustitutos del queroseno de aviación Jet-A que se utiliza habitualmente en los Estados Unidos. El Jet-A es análogo al queroseno ruso TC1. Los trabajos mencionados presentan mecanismos cinéticos para simular la ignición y la combustión de estos sustitutos. Los sustitutos más simples son los combustibles monopropelentes. Los autores de simularon la combustión de Jet-A con n-decano como sustituto. Cooke et al. utilizaron el n-dodecano con el mismo propósito y demostraron un importante papel de los radicales hidroperóxidos de alquilo en la oxidación lenta de los hidrocarburos.
Como el queroseno contiene hasta un 20% de hidrocarburos aromáticos que tienen sus propias características específicas en la cinética de oxidación, estos componentes están obligados a incluirse en el sustituto. Los siguientes compuestos aromáticos pueden considerarse como posibles opciones: benceno, tolueno, trimetilbenceno, n-propilbenceno, n-butilbenceno y otros. Lindstedt y Maurice demostraron numéricamente que la estructura de la llama del queroseno puede describirse con una precisión razonable mediante un sustituto: 89% de n-decano y 11% de hidrocarburos aromáticos (benceno, tolueno y etilbenceno).
La mayoría de los trabajos sobre sustitutos se ocupan de estudiar y comparar sus características fundamentales: velocidad de la llama laminar, tiempo de retardo de la ignición, etc. En esta investigación se han comparado los productos de la combustión del queroseno y su sustituto durante su combustión en un equipo real. El sustituto consistía en n-decano y benceno en varias proporciones: 100% de n-decano, 95/5%, 90/10%, 85/15%, 80/20% y 75/25% de n-decano/benceno.
3. Configuración experimental
El experimento se llevó a cabo en una cámara de combustión simulada (Figura 1), que tiene un dispositivo de quemador, un sistema de suministro de combustible líquido y un tubo de llama con dos filas de orificios de mezcla y una fila de orificios de refrigeración. El modo de funcionamiento de la cámara de combustión era = 0,435, = 423 K, y la presión atmosférica. La tasa de quema de combustible líquido es de 0,77 g/s. La relación de presión en la cámara de combustión que se mantuvo constante en = 3%. es la presión total a la entrada de la cámara de combustión (const); es la presión total a la salida de la cámara de combustión (const).
Se realizaron ensayos experimentales en el montaje experimental de alta temperatura con una cámara de combustión simulada. El montaje experimental lleva un caudalímetro fabricado por SMC, un acelerador neumático con válvulas antirretorno, medidores/controladores de flujo másico de la serie EL-FLOW® fabricados por Bronkhorst High-Tech, un sistema de suministro de combustible líquido y un calentador de aire entrante. La vista general de la configuración de alta temperatura conectada a la línea de combustible y a las líneas de aire se presenta en la figura 2.
Para igualar el campo de velocidad, se dispone de un dispositivo de igualación a la entrada del calentador. Para el suministro de combustible principal, hay un sistema de bombeo. Para el suministro de combustible sustituto, hay un sistema de alimentación a presión. El sistema de alimentación a presión consta de lo siguiente: un depósito de combustible (10 litros), un sistema de presurización y alimentación del depósito de combustible y un filtro fino para los propulsores compuestos.
El sistema de control de la bomba de alta presión permite modificar la presión de salida en un rango entre 0,4 y 1,5 MPa con un caudal de al menos 250 l/h.
La composición de los productos de combustión se definió mediante la técnica de contacto basada en el muestreo de sondas. Este método es actualmente el más desarrollado y se utiliza ampliamente en la práctica experimental.
La línea de muestreo (Figura 6) consta de un muestreador (1), un absorbedor Richter (2), una bomba (3) integrada en el analizador SICKGMS-810 (4), pipetas Seger (5) y un medidor de gas GSB-400 (6). El GSB-400 se utiliza para estimar el volumen , M3 y el caudal , M3/c de los gases muestreados.
La muestra -desde el punto de muestreo hasta las pipetas Seger- se bombeó con una bomba integrada en el analizador SICKGMS-810. Esta configuración de la línea de muestreo permitió el bombeo simultáneo de la muestra a través de las pipetas Seger y su deshidratación y análisis.
Durante el muestreo, los productos de la combustión fueron bombeados a través de las pipetas Seger a un caudal de M3/c con un volumen igual a 20 volúmenes de pipeta. Las muestras de gas obtenidas se analizaron mediante cromatografía de gases. El muestreo se realizó a la salida de la cámara de combustión simulada. La tabla 2 muestra las condiciones iniciales para cada caso experimental.
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| Para cada experimento se realizaron 8 muestreos. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
4. Resultados
La investigación experimental ha dado como resultado la obtención de la relación entre la fracción de masa de CO2, CO, hidrocarburos no quemados (CnHm), O2, H2, H20, N2, y el porcentaje de benceno en el sustituto (Figuras 3-12). Estas figuras también muestran los resultados del análisis para las muestras de quema de queroseno.
Las figuras presentadas muestran que los productos de combustión del queroseno no coinciden con ninguno de los casos de la mezcla en combustión. La temperatura media a la salida de la cámara de combustión fue la misma para todos los casos de la mezcla. Sin embargo, la eficiencia de la combustión aumentó con el aumento del contenido de benceno en la mezcla. La eficiencia de la combustión se calculó como la relación entre la entalpía de la mezcla inicial y la entalpía de los productos de la combustión incompleta. es la entalpía de la mezcla (benceno/n-decano/aire); es la entalpía de los productos de la combustión.
La mezcla compuesta por benceno y n-decano tiene una temperatura de evaporación inferior a la del queroseno. El aumento de benceno en la mezcla reduce la temperatura de evaporación. Por lo tanto, el uso de la mezcla está mejorando las características de pulverización y evaporación del combustible. Esto ha llevado a una combustión más eficiente y ha mejorado la eficiencia de la combustión y no ha cambiado la temperatura media en la salida y en la cámara de combustión. La figura 11 muestra que el eje de la temperatura de la cámara de combustión no difiere en más de 15°. La temperatura difiere en más de 170° cerca de la pared. Este hecho muestra el cambio de la estructura del flujo dinámico del gas dentro de la cámara de combustión también. La dinámica del gas para el queroseno y el sustituto es diferente. Para una predicción más precisa de los productos de combustión, el sustituto debe añadirse con un componente o un grupo de componentes. La mezcla obtenida debe reproducir las propiedades físicas del queroseno: viscosidad y tensión superficial de la gota.
5. Conclusiones
En este trabajo se ha estudiado el efecto de la adición de benceno en la mezcla sustitutiva. El estudio experimental se ha realizado en una cámara de combustión simulada. La cámara de combustión simulada incorpora todos los procesos principales que tienen lugar en las cámaras de combustión comerciales. Se ha realizado una comparación de los productos de combustión del queroseno de aviación TS-1 y de la mezcla sustitutiva. El estudio ha revelado que el uso de una mezcla de benceno (20-30%) y n-decano como combustible da valores similares en comparación con el queroseno por la distribución de la temperatura. La eficiencia de la combustión se incrementa también en un 4%. La emisión de contaminantes es muy diferente. La emisión de contaminantes es muy diferente porque es muy diferente la dinámica de los gases al quemar queroseno y mezclas. Los resultados son la base de datos para los modelos CFD de verificación.
Nomenclatura
| CC: | Cámara de combustión |
| CFD: | Dinámica de fluidos computacional |
| ICAO: | Organización Internacional de Aviación Civil |
| : | Relación equivalente |
| : | Temperatura inicial |
| : | Presión inicial |
| : | Tasa de aire másico |
| : | Tasa de combustible másico. |
Conflictos de intereses
Los autores declaran que no tienen ningún conflicto de intereses en relación con la publicación de este trabajo.
Agradecimientos
Este trabajo fue apoyado por el Ministerio de Educación y Ciencia de la Federación de Rusia en el marco de la implementación del Programa «Investigación y Desarrollo en las Direcciones Prioritarias del Complejo Científico-Tecnológico de Rusia para 2014-2020» (RFMEFI58716X0033). En estos estudios se utilizaron equipos del centro de uso común de tecnología CAM (RFMEFI59314X0003).