MODELACI

1
MODELACIÓN DE LA COMBUSTIÓN DE GASES COMBUSTIBLES

• Tesis de Grado
• Maestría en Sistemas Energéticos
• Director
• FARID CHEJNE JANNA PhD
• Ingeniero Mecánico y Físico
• UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA
• JULIO 2000

2
DERROTERO DE TRABAJO

• Conceptos Básicos
• Química de la Combustión
• Modelo de Transporte
• Conclusiones

3

• OBJETIVO GENERAL
• Determinar teóricamente los perfiles de
  temperatura de llama, de concentración de
  especies y de velocidad durante la combustión del
  gas natural.

4
CONCEPTOS BÁSICOS
5

• Combustión
• La combustión es la oxidación rápida de las
  sustancias orgánicas (generalmente combustibles)
  con una gran liberación de calor

6
CONTINUACIÓN

• Llama
• Región del espacio, delimitada por la
  existencia de una reacción química instantánea
  donde se emite luz en el espectro visible. Su
  régimen puede ser turbulento o laminar.
• Velocidad de llama
• Es la velocidad a la cual se propaga el frente
  de reacción en una llama.

7
(No Transcript)
8
LLAMAS PREMEZCLADAS

• En 1855 Bunsen implementa el primer laboratorio
  para el estudio de llamas premezcladas

9
CHORROS GASEOSOS
10
CONTINUACIÓN
r
Aumento
x
Isovelocidades Isoconcentraciones Isotermas.
11
QUÍMICA DE LA COMBUSTIÓN
12
ANÁLISIS DE MECANISMOS

• Análisis de Sensibilidad
• Consiste en perturbar las condiciones iniciales
  de los reactantes.
• Las reacciones más sensibles son aquellas en las
  cuales se presenta una mayor fluctuación en la
  composición de los productos.

13
CONTINUACIÓN

• Análisis de Flujo de Reacciones.
• Se observa la composición de los productos y la
  participación porcentual de cada una de las
  reacciones en la formación de cada especie.

14
CONTINUACIÓN
15
ANÁLISIS MECANISMO DE REACCIÓN METANO

• MECANISMO COMPLEJO INICIAL
• 150 REACCIONES QUÍMICAS,
• 25 GRUPOS
• LAS ESPECIES
• CH4, C2H6, CO, H2O, Y LOS RADICALES CH3,
  OH, H.

16
CONTINUACIÓN

• EL MECANISMO SIMPLIFICADO INICIAL.

17
Consumo Metano
11
11
18
Mecanismo Formación y Destrucción C2H6
19
ANÁLISIS CINÉTICO

• Se Observan Los Mayores Valores De Los
  Coeficientes Cinéticos, Los Cuales Son Calculados
  Como
• KcinATb-Ea/RT

20
ANÁLISIS DE EQUILIBRIO QUÍMICO

• Se Calculan Las Cantidades Presentes En El
  Equilibrio Para Cada Grupo De Reacciones, Con
  Diferentes Valores De Temperatura.
• Se Escogen Aquellas Reacciones Que Formen Mayor
  Cantidad De Compuesto.

21
CONTINUACIÓN
22
CONTINUACIÓN
23
SELECCIÓN
24
RESULTADOS
25
MECANISMO PROPUESTO
26
Consumo Metano
11
11
CHO
CHO
H2O
2
17
CH4
HO2
3
13
H
OH
CH2O
11
CHO
4
OH
CO
6
O2
CO2
6
1
1
CHO
2
H2
H2
H
O
4
1
H
OH
5
CH3
CO
Nodo 2
2
1
CO2
11
2
H
HO2
5
1
1
CHO
H
CH3
H
HO2
O2
OH
O
13
CH2O
CO2
4
2
O2
O
CO
O
17
OH
CH2O
OH
CH4
3
1
5
H2
H
OH
O2
11
Nodo 1
CHO
1
OH
OH
2
14
2
H
CH3
4
O
O
15
H2 O
CO
1
CH3O
Nodo 3
3
13
H
CH2O
OH
4
1
4
H
H2
OH
CO
2
13
O2
CH2O
H2O
2
1
4
HO2
CHO
13
CH2O
2
5
15
H2O
CH3O
3
27
Mecanismo Formación y Destrucción C2H6
28
CONTINUACIÓN
29
CONTINUACIÓN
CH3
30
EVOLUCIÓN PASO A PASO DEL MECANISMO PLANTEADO
31
EVOLUCIÓN MECANISMO CH4
32
CONTINUACIÓN
33
CONTINUACIÓN
34
CONTINUACIÓN
35
CONTINUACIÓN
36
OXIGENO ESTEQUIOMÉTRICO
37
EVALUACIÓN DEL SISTEMA A DIFERENTES TEMPERATURAS
38
30-500C
39
30-1500C
40
30-2000C
41
RESULTADOS
42
LLAMAS PREMEZCLADAS
43
PERFILES DE VELOCIDAD Y TEMPERATURA
44
CONCENTRACIÓN CH4 Y O2
45
CONCENTRACIÓN ESPECIES INTERMEDIAS
46
CONCENTRACIÓN CO2 Y H2O
47
LLAMAS DIFUSIVAS
48
MODELO DE TRANSPORTE
49
SISTEMA FÍSICO ANALIZADO
50
ECUACIONES DE CONSERVACIÓN

• EN UN SISTEMA FÍSICO

VARIACIÓN TEMPORALC. ENTRA-C. SALEGENERACIÓN O
CONSUMO
51
LAS ECUACIONES BÁSICAS
52
CONDICIONES DEL SISTEMA

• Variables Globales
• Numero intervalos en X 20
• Numero intervalos en Y 20
• Longitud en X (m) 0.004
• Longitud en Y (m) 0.0012
• Número de especies 21
• Número de reacciones 31
• Variables Físicas del Sistema
• Temperatura inicial (C) 25.0
• Velocidad inicial en X (m/s) 1.0
• Velocidad inicial en Y(m/s) 0.0
• Presión en la cámara (bar) 0.84
• Viscosidad inicial (g/(ms)) 171710-5
• Difusividad inicial (m2/s) 1.0d-2
• Velocidad entrada CH4 (m/s) 1.0

• Fracciones Másicas Iniciales de las Especies
• CH4 1.000
• O 0.233
• N2 0.767
• Variables Numéricas del Programa
• Iteraciones globales 3
• Tolerancia global 110-4
• Iteraciones en el solver 1000
• Iteraciones ecuación. Especies 1

53
SISTEMA DE MALLAS DESPLAZADAS
54
CAMPO DE VELOCIDADES
55
CONCENTRACIÓN CH4
56
CONCENTRACIÓN O2
57
CONCENTRACIÓN N2
58
CONCLUSIONES

• Mediante un análisis que incluyó conceptos de
  conservación de masa, cinética química y cálculos
  de equilibrio químico, se determinó un mecanismo
  simplificado que interpreta adecuadamente el
  proceso de la combustión del metano.

59
CONTINUACIÓN

• El mecanismo de combustión obtenido servirá para
  usarlo en una fase posterior de la investigación,
  la cual está relacionada con el desarrollo de un
  modelo matemático para la predicción del perfil
  térmico y de concentraciones en el interior de
  una cámara de combustión.

60
CONTINUACIÓN

• El modelo fue aplicado a una mezcla de gases sin
  reacción química, en la cual se estudiaron los
  patrones de mezclado entre las diferentes
  especies para determinar las proporciones finales
  de cada una de ellas.

61
CONTINUACIÓN

• El análisis de los patrones de mezcla que
  ocurren en los procesos de mezcla de gases se
  pueden utilizar para el estudio de llamas
  difusivas.