Análisis numérico y experimental de un sistema de combustión atmosférico y calentamiento por infrarrojo

Abstract

RESUMEN: En este trabajo se presenta la evaluación numérica y experimental de un quemador atmosférico operando con gas natural para el calentamiento de un tubo radiante de carburo de silicio. El objetivo de este estudio es analizar mediante experimentación y simulación numéricas el comportamiento del sistema quemador atmosférico y tubo radiante de calentamiento de manera acoplada, mediante el análisis de variables tales como tasa de aireación, potencia térmica, perfiles de temperatura y de flux de radiación, temperatura de la superficie del tubo, emisiones de gases de combustión, eficiencias de combustión y radiación, entre otros. Se comparan los resultados numéricos y experimentales con el fin de extraer más información como morfología de la llama y distribución de especies. El análisis se hizo a partir de un diseño experimental 23 , teniendo como factores el diámetro del inyector, la presión de suministro y la posición relativa quemador/tubo. Las simulaciones se realizaron considerando una geometría 2D axisimétrica con una malla de 206.847 elementos y se realizaron mediante el software CFD Ansys-Fluent 2019 R2. Los resultados obtenidos indican que el quemador opera con combustión completa con exceso de aire, ya que se tienen muy bajas emisiones de CO en todas las pruebas, sin embargo, se encontró que cuando se aumenta el diámetro del inyector disminuye la tasa de aireación primaria. Se obtienen perfiles de temperatura y radiación no uniformes con un pico en la zona donde la llama presenta más cercanía al tubo radiante y se tienen temperaturas de salida de los gases de combustión que oscilan entre 850 y 1200°C variando con la potencia térmica en cada una de las pruebas. También se encontraron potencias radiadas por el tubo de entre 2 y 9 kW, directamente proporcionales a la potencia térmica, calor que podría ser aprovechado en procesos de calentamiento indirecto.