Experimentación y modelación bidimensional del "fire rate" en un reactor de medio poroso inerte compuesto por esferas huecas

Abstract

La combustión en medios porosos inertes se caracteriza por intensificar los mecanismos de transferencia de calor. Una de las configuraciones más investigadas consiste en reactores que utilizan esferas de alúmina sólidas como medio poroso. El objetivo principal de esta tesis es investigar numérica y empíricamente la tasa de quemado (“Fire Rate”, FR) en un reactor poroso compuesto por esferas de alúmina hueca, de manera de analizar las temperaturas y velocidades de desplazamiento del frente de llama. Se propone un modelo bidimensional de combustión en medios porosos inertes que considera las ecuaciones de conservación de masa, energía del sólido, gas y especie química, reconociendo los efectos radiativos internos a las esferas huecas. El modelo se discretiza utilizando el método ADI y se resuelve mediante un algoritmo TDMA. Por su parte, se diseña e implementa un reactor cilíndrico compuesto por esferas huecas de alúmina de 3-4 mm con sus sistemas de medición y control de flujos y temperaturas. Para una relación de equivalencia entre 0.4 ⩽ ϕ ⩽ 1, y un Fire Rate entre 755kW/m2 ⩽ FR ⩽ 3775kW/m2, se presentan temperaturas en un rango de 1049 K y 1501 K, y velocidades de desplazamiento entre -1.02 cm/s y -0.005 cm/s. Un incremento del FR genera una temperatura de combustión más elevada debido principalmente al mayor consumo de combustible. Las mezclas de gases como aire, vapor de agua y dióxido de carbono en el interior de las esferas huecas, no presentan cambios significativos en las temperaturas y velocidades de desplazamiento en el interior del reactor. En conclusión el uso de esferas huecas de alúmina como medios poroso inerte, permiten sostener los perfiles térmicos característicos de este tipo de tecnología, pero con temperaturas de combustión más elevadas que los reactores que utilizan esferas sólidas de alúmina.