Simulación numérica de un quemador de estufa doméstica operando con mezclas de gas natural e hidrógeno Joey Daniel Castaño Estrada Trabajo de grado como requisito para optar al título de: Ingeniero Mecánico Asesor Andrés Felipe Colorado Granda Ph.D. Universidad de Antioquia Facultad de Ingeniería Ingeniería Mecánica Medellín 2023 Cita Castaño Estrada Referencia Estilo IEEE (2020) Castaño Estrada, J. D. “Simulación numérica de un quemador de estufa doméstica que opera con mezclas de gas natural e hidrógeno”, Trabajo de grado profesional, Ingeniería Mecánica, Universidad de Antioquia, Medellín, Colombia, 2023. Grupo de Investigación Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía GASURE. Centro de Documentación de Ingeniería -CENDOI Repositorio Institucional: http://bibliotecadigital.udea.edu.co Universidad de Antioquia - www.udea.edu.co Rector: John Jairo Arboleda Céspedes Decano/director: Julio César Saldarriaga Molina Jefe departamento: Pedro León Simanca. El contenido de esta obra corresponde al derecho de expresión de los autores y no compromete el pensamiento institucional de la Universidad de Antioquia ni desata su responsabilidad frente a terceros. Los autores asumen la responsabilidad por los derechos de autor y conexos. Dedicatoria A Dios y a mis padres, Gloria Fanny Estrada Ramírez y John Jairo Castaño Ramírez por creer en mí y apoyarme incondicionalmente durante todo este proceso, así como al resto de mi familia. Agradecimientos Al profesor Andrés Colorado por acogerme como su estudiante y aceptar ser mi asesor, así como al profesor Andrés Amell por permitirme ser parte del Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía GASURE; al profesor Iván Bedoya en su papel como coordinador de prácticas del departamento e integrante del grupo GASURE. A cada uno de mis compañeros en el grupo de investigación, especialmente a Camilo Lezcano, Yefferson López, Julián Obando, Camilo Echeverri y Alejandro Restrepo. Finalmente, a mi Alma Mater, profesores y compañeros por su contribución a mi formación profesional y personal. RESUMEN 9 ABSTRACT 10 1. INTRODUCCIÓN 11 2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 13 3. OBJETIVOS 13 3.1. Objetivo general 13 3.2. Objetivos específicos 14 4. MARCO TEÓRICO 14 4.1. Combustible 14 4.2. Combustión 14 4.3. Combustión estequiométrica 15 4.4. Índice de Wobbe 15 4.5. Intercambiabilidad 16 4.6. Poder calorífico superior 16 4.7. Potencia térmica 16 4.8. Velocidad de combustión 17 4.9. Factor de aireación (𝒏) 17 4.10. Dosado relativo o factor de equivalencia (ϕ) 18 4.11. Masa estequiométrica de aire 18 4.12. Volumen de aire estequiométrico 18 4.13. Temperatura de llama adiabática 19 4.14. Punto de ignición 19 4.15. Llama de premezcla 20 4.16. Fluidodinámica 20 4.17. Teoría de descarga por orificio 20 4.18. Modelo numérico 21 4.19. Ecuaciones de transporte 22 4.19.1. Conservación de masa 22 4.19.2. Conservación de momentum 22 4.19.3. Conservación de la energía 22 4.19.4. Conservación de especies 23 4.20. Modelo de turbulencia 23 4.21. Modelo de radiación 24 4.22. Modelo de combustión 24 5. METODOLOGÍA 25 6. RESULTADOS Y ANÁLISIS 29 6.1. Factor de aireación primario (𝑛) 29 6.2. Potencia térmica (𝑃𝑇) 30 6.3. Temperatura de llama 33 6.4. Velocidad de descarga 34 7. CONCLUSIONES 36 8. REFERENCIAS 37 Lista de figuras Pág. Figura 1. Índice de Wobbe con adición de H2 [19] ....................................................................... 15 Figura 2. Velocidad de combustión según la mezcla [24]. ........................................................... 17 Figura 3. Temperatura de llama adiabática respecto a la composición [26]. ................................ 19 Figura 4. Esquema de la fluidodinámica del quemador. ............................................................... 24 Figura 5. Volumen de control y condiciones de frontera. ............................................................. 25 Figura 6. Volumen de control mallado. ......................................................................................... 26 Figura 7. Puertos del quemador mallado. ...................................................................................... 27 Figura 8. Reacción en zona del inyector. ...................................................................................... 28 Figura 9. División del volumen de control. ................................................................................... 28 Figura 10. Factor de aireación vs % en volumen de H2. ............................................................... 29 Figura 11. Potencia térmica según Wobbe vs % vol. H2. .............................................................. 31 Figura 12. Potencia térmica nivel del mar y Medellín vs % vol. H2. ............................................ 31 Figura 13. Potencia térmica según modelo de turbulencia vs % vol. H2. ..................................... 32 Figura 14. Frontera para el suministro del combustible. ............................................................... 32 Figura 15. Temperatura de llama adiabática del H2 [15]. ............................................................. 33 Figura 16. Contornos de temperatura según % H2. ...................................................................... 33 Figura 17. Temperatura de llama vs H2. ........................................................................................ 34 Figura 18. Velocidad de descarga según % H2. ............................................................................ 35 Figura 19. Contornos de velocidad de descarga. ........................................................................... 35 Lista de tablas Pág. Tabla 1. Propiedades termo físicas y de combustión. .................................................................... 20 Tabla 2. Refinamiento de la malla. ................................................................................................ 26 Tabla 3. Condiciones de frontera y modelos. ................................................................................. 27 SIGLAS, ACRÓNIMOS Y ABREVIATURAS GASURE Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía GN Gas Natural H2 Hidrógeno CH4 Metano Va Volumen de aire estequiométrico d Gravedad específica o densidad relativa W Índice de Wobbe 𝒎∗ 𝟑 Metro cúbico normal o estándar PCS Poder calorífico superior PCI Poder calorífico inferior CO2 Dióxido de carbono CO Monóxido de carbono N2 Nitrógeno H2O Vapor de agua 𝝋 Dosado 𝒏 Factor de aireación 𝑬𝑫𝑴 Eddy Dissipation Model UdeA Universidad de Antioquia Simulación numérica de un quemador de estufa doméstica que opera con mezclas de gas natural e hidrógeno 9 RESUMEN Este trabajo de grado cuantifica las propiedades de la combustión de mezclas de metano (CH4) e hidrógeno (H2) con el objetivo de estudiar la intercambiabilidad del gas en el quemador. Las características termo-físicas de la combustión del quemador de estufa doméstica con mezclas de CH4 y H2 se analizan mediante Dinámica de Fluidos Computacional (CFD por sus siglas en inglés) utilizando ANSYS-FLUENT. La sustitución de parte del volumen del gas natural de la red por mezclas de GN y H2 es una estrategia que aporta a la transición energética y ayuda a cumplir con el compromiso de la reducción del 51% de las emisiones de carbono para el año 2030 en el país y a la eventual neutralidad de carbono mundial para el año 2050 [1]. Luego de realizar las simulaciones numéricas se observa que, efectivamente, las emisiones de carbono y dióxido de carbono (CO2) se reducen a medida que se aumenta el volumen de H2 en la mezcla, así como un aumento en el factor de aireación primario. Del mismo modo se evidencia que a pesar de que el H2 tiene una mayor temperatura de llama adiabática, el hecho de que este arrastre mayor cantidad de aire primario, hace que la temperatura de reduzca de los gases de combustión se reduzca, así como también una reducción en la longitud de llama. Palabras clave: Transición energética, descarbonización, CFD, hidrógeno, combustión, simulación numérica. Simulación numérica de un quemador de estufa doméstica que opera con mezclas de gas natural e hidrógeno 10 ABSTRACT This thesis quantifies the combustion properties of methane (CH4) and hydrogen (H2) mixtures in order to study the interchangeability of gas in the burner. The thermo-physical characteristics of the combustion of a domestic stove burner with CH4 and H2 mixtures are analyzed using Computational Fluid Dynamics (CFD) through ANSYS-FLUENT. The substitution of part of the volume of natural gas from the network with mixtures of natural gas (GN) and H2 is a strategy that contributes to the energy transition and helps to meet the commitment to reduce carbon emissions by 51% by 2030 in the country, and eventual global carbon neutrality by 2050 [1]. After performing the numerical simulations, it is observed that carbon and carbon dioxide (CO2) emissions are indeed reduced as the volume of H2 in the mixture increases, as well as an increase in the primary air factor. Similarly, it is evidenced that although H2 has a higher adiabatic flame temperature, the fact that it drags more primary air causes the temperature of the combustion gases to decrease, as well as a reduction in the flame length. Keywords: Energy transition, decarbonization, CFD, hydrogen, combustion, numerical simulation. Simulación numérica de un quemador de estufa doméstica que opera con mezclas de gas natural e hidrógeno 11 1. INTRODUCCIÓN En la actualidad el mundo se enfrenta a una emergencia climática y a un inminente peligro debido al cambio climático como consecuencia del aumento de la temperatura del planeta, el cuál puede tener consecuencias devastadoras si no se toman las medidas adecuadas de manera inmediata. Para lograr esto, es necesario iniciar una descarbonización de la matriz energética mundial con el fin de reducir la dependencia de los combustibles fósiles, ya que estos satisfacen el 80% de la demanda energética mundial [2] y liberan a la atmósfera el dióxido de carbono (CO2), que es el principal gas de efecto invernadero [3]. Con base en lo anterior, en noviembre de 2021 tuvo lugar la conferencia de naciones unidas COP26, en Glasgow, en la que se instó a líderes mundiales a tomar drásticas medidas que permitan reducir considerablemente las emisiones de gases de efecto invernadero, con el objetivo de alcanzar la neutralidad de carbono en el año 2050 mientras se mantiene el calentamiento del planeta por debajo de 1.5° C [4], [5], y es aquí donde el H2 entra a jugar un papel muy importante y Colombia no es ajena a esto. En este orden de ideas, el país se comprometió con la reducción de las emisiones de carbono hasta del 51% para el año 2030 [6], razón por la cual es fundamental invertir en investigación y desarrollo de sistemas energéticos que permitan la utilización de combustibles que emitan menos contenido de carbono e, incluso, que no contengan dicho elemento. El H2 ha sido identificado como un componente clave en la descarbonización del sistema energético en Europa [7], además de ser considerado el combustible del futuro dada su alta densidad energética por unidad de masa [8]. Uno de sus usos podría ser para aplicaciones y dispositivos domésticos, con el fin de sustituir cierto % en volumen en la red de gas doméstica. Sin embargo, su implementación no es tan sencilla, ya que a pesar de ser un combustible que no contiene carbono en sus estructura química, sí presenta algunos desafíos desde el punto de vista del almacenamiento, transporte y, principalmente, seguridad, [9] debido a sus particulares características y propiedades, como lo es su rango de inflamabilidad, que corresponde a las proporciones de la mezcla aire- combustible dentro de las cuales la combustión puede iniciarse y auto propagarse [10]. Sin embargo, sus características favorecen muchos parámetros de la combustión, como lo es la Simulación numérica de un quemador de estufa doméstica que opera con mezclas de gas natural e hidrógeno 12 velocidad de deflagración o simplemente velocidad de combustión, donde el estudio llevado a cabo por V. Di Sarli y A. Di Benedetto, evidenció un incremento de este parámetro en mezclas de CH4- H2 con la adición de H2 [11]. Por esto, es fundamental llevar a cabo investigaciones con el fin de establecer en qué condiciones y parámetros de funcionamiento, y hasta qué punto es seguro utilizar el hidrógeno como combustible en la industria o en la red doméstica. Partiendo de lo anterior, algunas investigaciones y estudios, tanto experimentales como numéricos, aunque no se reportan demasiados de estos últimos para estufas domésticas, han indicado que el H2 contribuye enormemente a tener procesos de combustión más limpios. L. Wu et al [12], llevaron a cabo un estudio numérico sobre los efectos cinéticos de la adición de H2 en las características térmicas de las llamas de difusión laminar en metano, en el cual variaron el % de H2 en proporciones de 0%, 30% y 50%, observando que a medida que se adiciona H2 la temperatura de llama aumenta hasta en 86 K al momento de tener 50% H2, así mismo se reporta un aumento en la tasa global de liberación de calor. Del mismo modo, Yan Zhao et al [13], analizaron la influencia del H2 en un quemador de cocina, con el fin de evaluar el límite superior de % en volumen de H2 en la mezcla hasta producirse el flashback, que es el retroceso de la llama y el blow-off, que corresponde al desprendimiento de la llama. Luego del estudio, se concluyó que para contenidos de 5% al 15% de H2 no se observaron efectos significativos, mientras que a partir de superar el 20% de H2, comenzó a darse el fenómeno de flashback, concluyendo que hasta un contenido de 15% de H2 es seguro operar el equipo, mientras que bajo condiciones de operación se reporta flashback alrededor de 70% H2. También, en el análisis llevado a cabo por Hugo J. Burbano et al [14], se estudiaron los efectos de la adición de H2 al CH4 en la estructura de la llama y las emisiones de CO. En éste, se concluyó que la altura del cono azul disminuye significativamente cuando aumenta la concentración de hidrógeno en el combustible. Del mismo modo, se concluyó que el aumento en la velocidad de combustión laminar fue identificado como el principal factor que afecta la altura del cono azul. Por otro lado, Luisa Maya et al [15], realizaron un análisis teórico y numérico que evalúa el cambio en las propiedades de combustión con la adición de hidrógeno al GN. El estudio se llevó a cabo con ocho mezclas desde 0% H2 hasta 100% H2 con incrementos del 15%. En éste, los resultados muestran un incremento en la temperatura de llama y velocidad de deflagración laminar a medida que se incrementa el contenido de H2 en la mezcla. En otro estudio, García Posada, Jorge Mario et al [16], se realizó un estudio comparativo en las mezclas de CH4- Simulación numérica de un quemador de estufa doméstica que opera con mezclas de gas natural e hidrógeno 13 H2, donde se evidenció que a medida que se sube el contenido de H2 se reduce el volumen de aire estequiométrico de aire para la combustión. Con el objetivo de contribuir a la investigación del H2 y sus posibles aplicaciones, este trabajo de grado presenta los resultados de una simulación numérica al mezclar CH4 y H2 para uso en un quemador doméstico, manteniendo constante el diámetro de descarga de la boquilla o inyector y, así, evaluar la intercambiabilidad. Estos resultados evidencian que, efectivamente, las emisiones de CO2 se ven reducidas a medida que se sustituye el hidrocarburo por H2, además de evidenciar que el factor de aireación primario se incrementa con el aumento de H2; adicionalmente, se evidencia que a pesar de que el H2 tiene una mayor temperatura de llama adiabática, el hecho de que este arrastre mayor cantidad de aire primario, hace que la temperatura de los gases de combustión se reduzca, así como también una reducción en la longitud de llama. Del mismo modo, se realizan comparaciones de los resultados teóricos y numéricos, así como contrastar las diferencias en los resultados con base al modelo de turbulencia utilizado. 2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Teniendo en cuenta la transición energética a la que se enfrenta el mundo es muy importante explorar e investigar sobre el H2, que como se dijo anteriormente es considerado el combustible del futuro. En ese orden de ideas cabe preguntarse cuál es el verdadero potencial del H2 en la transición hacia una matriz energética mundial limpia, más concretamente, cómo puede implementarse este vector energético como combustible a la red de gas doméstica. Con el fin de corroborar las ventajas del H2 se plantea esta simulación numérica en la cual se corren distintas mezclas CH4-H2, además de evidenciar tanto numérica, como teóricamente, los impactos de las distintas composiciones del combustible en distintos parámetros que hacen parte del proceso de combustión, como lo son las velocidades de descarga, factor de aireación, potencia térmica, índice de Wobbe, temperatura de llama, etc. 3. OBJETIVOS 3.1. Objetivo general Analizar las propiedades termo-físicas y de combustión, la estructura de reacción y la intercambiabilidad del CH4 y el H2 y sus mezclas en un quemador doméstico. Simulación numérica de un quemador de estufa doméstica que opera con mezclas de gas natural e hidrógeno 14 3.2. Objetivos específicos ● Determinar propiedades de combustión del CH4 y sus mezclas con H2. ● Realizar un análisis de las implicaciones de las variaciones de las propiedades de combustión en las características de operación del quemador. ● Determinar las variaciones del índice de Wobbe para distintas composiciones de la mezcla CH4-H2. ● Comparar velocidad de descarga teórica y numérica respecto al % en volumen de H2. ● Determinar la potencia térmica del quemador operando a condiciones atmosféricas de Medellín y compararla con la potencia a nivel del mar. ● Contrastar las diferencias en los resultados según el modelo de turbulencia utilizado, tanto para k-ɛ Standard como para k-ɛ Realizable, así como observar las diferencias cuando se activa la difusión térmica en FLUENT. ● Analizar los fenómenos mediante la dinámica de fluidos computacional (CFD). 4. MARCO TEÓRICO En este trabajo de grado estudiará una llama de premezcla parcial en un quemador de estufa doméstica, utilizando mezclas de GN-H2. Para llevar a cabo este estudio será necesaria la determinación de varias de las principales propiedades de combustión y también definir claramente algunos conceptos básicos, cómo los principios que aplica y estudia la fluidodinámica, los modelos numéricos utilizados para turbulencia, tratamientos de pared, mecanismo de reacción, etc. Además, se consultan antecedentes con el fin de comparar metodologías y resultados. Lo anterior se explica a continuación: 4.1. Combustible Sustancia utilizada para producir calor o energía mediante la combustión [17]. 4.2. Combustión Reacción de oxidación en la que un combustible reacciona con el oxígeno (O2), liberando calor y formando una mezcla de gases conocida como productos de combustión [10]. Simulación numérica de un quemador de estufa doméstica que opera con mezclas de gas natural e hidrógeno 15 4.3. Combustión estequiométrica Es aquella en la que se emplea el mínimo aire requerido para que todos los elementos del combustible se oxiden completamente, es decir, todo el carbono (C) se transforma en CO2, todo el H2 se transforma en vapor de agua (H2O), y todo el azufre (S) se oxida a dióxido de azufre, así como todos los demás componentes del combustible se oxidan completamente [18]. 4.4. Índice de Wobbe El índice de Wobbe es un parámetro de gran utilidad para conocer qué tan factible es la intercambiabilidad, es decir, qué tan factible es reemplazar un combustible por otro sin que esto implique problemas de funcionalidad de los dispositivos. Éste se define como la relación entre el poder calorífico, generalmente el superior, con la raíz cuadrada de la densidad relativa del combustible [10]. Por su parte, Mengxiao Sun et al, realizaron un análisis experimental para aplicaciones domésticas, utilizando mezclas de GN-H2 [19], en el que a medida que aumenta el porcentaje de hidrogeno en la mezcla, el índice de Wobbe disminuye hasta cierto límite, después del cual nuevamente se incrementa. En el estudio descrito, el límite de 45.66 MJ/m3 representa el requisito estándar de gas urbano chino. En la figura 1 se observa el comportamiento del índice de Wobbe a medida que se adiciona H2 en la mezcla; es claro que a medida que se da la sustitución el índice de Wobbe desciende hasta alcanzar un punto de inflexión cerca del 80% H2, subiendo nuevamente hasta alrededor de 48 𝑀𝐽 𝑚3⁄ , como se muestra en la Figura 1: Figura 1. Índice de Wobbe con adición de H2 [19]. La expresión para la determinar el índice de Wobbe es la ecuación (1): Simulación numérica de un quemador de estufa doméstica que opera con mezclas de gas natural e hidrógeno 16 𝑊 = 𝑃𝐶𝑆 √𝑑 (1) El término 𝑑 hace referencia a la densidad relativa del gas, la cual es la relación entre el combustible y el aire, mientras que el 𝑃𝐶𝑆 representa el poder calorífico superior del combustible. 4.5. Intercambiabilidad Es definida como “la habilidad de sustituir un combustible gaseoso por otro en una aplicación de combustión sin cambiar materialmente la seguridad operacional, eficiencia, rendimiento o aumentar materialmente las emisiones de contaminantes atmosféricos.” [20]. Existen distintos métodos empíricos para evaluar la intercambiabilidad de un sistema, siendo estos los métodos simples, múltiples y gráficos [21]. Este trabajo de grado se toma como parámetro para medir la intercambiabilidad el Índice de Wobbe, que es un método de índice simple. 4.6. Poder calorífico superior Es la energía en forma de calor que almacena el combustible, lista para ser liberada, asumiendo que el agua en los productos de combustión es líquida [22]. 4.7. Potencia térmica Energía por unidad de tiempo que se suministra con el combustible [10]. La potencia térmica de un quemador se calcula mediante la ecuación 2: 𝑃𝑇 = �̇�𝑓𝑢𝑒𝑙 ∙ 𝑃𝐶𝑆𝑚 (2) En la expresión anterior, �̇�𝑓𝑢𝑒𝑙 corresponde al flujo másico de combustible en 𝑘𝑔/𝑠 y 𝑃𝐶𝑆𝑚 hace referencias al poder calorífico superior en 𝑘𝑊ℎ/𝑘𝑔. Así mismo, la ecuación (3) aplica para quemadores de baja presión, en donde los cambios en la densidad del fluido son despreciables: 𝑃𝑇 = 𝐶 ∙ 𝐴√ 2∙𝑝 𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒∗∙𝑑 ∙ 𝑇∗ 𝑇 ∙ 𝑃𝑎𝑡𝑚+𝑝 𝑃∗ (3), donde 𝐶 depende de la geometría del inyector y corresponde al coeficiente de descarga de éste, 𝐴 es el área del inyector, 𝑝 hace referencia a la presión de suministro manométrica, 𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒∗ es la densidad del aire a condiciones normales o estándar, 𝑑 corresponde a la densidad relativa del gas, 𝑇∗ es la temperatura normal o estándar, 𝑇 es la temperatura del gas, 𝑃𝑎𝑡𝑚 representa la presión atmosférica del sitio y, finalmente, 𝑃∗ corresponde a la presión normal o estándar. Simulación numérica de un quemador de estufa doméstica que opera con mezclas de gas natural e hidrógeno 17 4.8. Velocidad de combustión Es la rapidez con la que un combustible libera la energía térmica o, en otras palabras, es la rapidez con la que la combustión viaja desde la zona quemada hacia la zona inquemada en un proceso de combustión [23]. En la Figura 2 [24], se observan los resultados obtenidos en un estudio experimental realizado por De Vries H et al; en éste, la composición del combustible fue 100% CH4, 90% CH4-10% H2 y, finalmente, 70% CH4-30% H2. La figura evidencia que a medida que se incrementa el contenido de H2 en la mezcla, la velocidad de combustión se incrementa para una combustión con tendencia a mezcla rica, pero cuando tiende a ser muy rica o pobre el valor disminuye. Figura 2. Velocidad de combustión según la mezcla [24]. 4.9. Factor de aireación (𝒏) Es la relación entre las cantidades de aire y combustible usadas en un proceso real de combustión con la relación estequiométrica [10]. La expresión con la que se calcula el factor de aireación es la ecuación (4) si se expresa en términos volumétricos, mientras que la ecuación (5) se usa cuando se expresa en términos másicos: 𝑛 = 𝑄𝑎,∗ 𝑄𝑔,∗ ∙ 𝑉𝑎 = 𝑅 𝑉𝑎 (4) 𝑛 = 𝑚𝑎̇ �̇�𝑔 ∙ 𝑚𝑎 = 𝑅𝑚 𝑚𝑎 (5) Donde: 𝑛: 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒𝑎𝑐𝑖ó𝑛. Simulación numérica de un quemador de estufa doméstica que opera con mezclas de gas natural e hidrógeno 18 𝑄𝑎,∗: 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑢𝑠𝑎𝑑𝑜, 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙 𝑜 𝑒𝑠𝑡á𝑛𝑑𝑎𝑟. 𝑄𝑔,∗: 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑔𝑎𝑠 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜, 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙 𝑜 𝑒𝑠𝑡á𝑛𝑑𝑎𝑟. 𝑉𝑎: 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑒𝑠𝑡𝑒𝑞𝑢𝑖𝑜𝑚é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒. 𝑚𝑎̇ : 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑚á𝑠𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑢𝑠𝑎𝑑𝑜. �̇�𝑔: 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑚á𝑠𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑔𝑎𝑠. 𝑚𝑎:𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑒𝑠𝑡𝑒𝑞𝑢𝑖𝑜𝑚é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒. Del mismo modo, éste también puede ser determinado mediante la ecuación 6: 𝑛 = 1 𝑉𝑎 ( 𝑌𝐶𝐻4 𝑌𝐶𝐻 ′ 4 − 1) (6), siendo 𝑉𝑎 el volumen de aire estequiométrico, 𝑌𝐶𝐻4 la fracción molar de 𝐶𝐻4 en el combustible y, finalmente, 𝑌𝐶𝐻 ′ 4 , la fracción molar de 𝐶𝐻4 en la mezcla aire-combustible. 4.10. Dosado relativo o factor de equivalencia (ϕ) Es la relación aire-combustible estequiométrica con la relación aire-combustible real [18]. En otras palabras, es el inverso del factor de aireación 𝑛, como se muestra en la ecuación (7) 𝜑 = 1 𝑛 (7) 4.11. Masa estequiométrica de aire Es la masa de aire en 𝑘𝑔, necesaria para obtener una combustión estequiométrica de un 𝑘𝑔 de combustible [10]. Para determinar este parámetro se hace uso de la ecuación (8): 𝑚𝑎 = 𝑛𝑎 ∙ 𝑀𝑎 𝑚𝑐 (8) Donde: 𝑛𝑎: 𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒. 𝑀𝑎: 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒. 𝑚𝑐:𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒. 4.12. Volumen de aire estequiométrico Es el volumen normal o estándar de aire que requiere la combustión para que sea estequiométrica, es decir, volumen de aire requerido para quemar completamente un m* 3 de combustible [10]. Simulación numérica de un quemador de estufa doméstica que opera con mezclas de gas natural e hidrógeno 19 4.13. Temperatura de llama adiabática Es la temperatura que se alcanza en los productos de combustión cuando no hay pérdidas de calor hacia los alrededores del sistema [25]. Messaoudania et al, llevaron a cabo un estudio en que se investigan los efectos de la adición de H2 en hidrocarburos como CH4, C3H8 y C2H6 [26]. En este estudio se determinó que, si bien la adición de H2 a estos hidrocarburos aumenta la temperatura de llama adiabática, también se determinó que el mayor efecto de éste se da en el metano. Lo anterior se muestra en la Figura 3: Figura 3. Temperatura de llama adiabática respecto a la composición [26]. 4.14. Punto de ignición Temperatura mínima que debe alcanzar la mezcla combustible-oxidante para que la combustión inicie y se auto propague [10]. Esta temperatura es función de la relación combustible-oxidante. El punto de ignición y otras propiedades fundamentales, tanto las termo-físicas como las de combustión, se muestran en la Tabla 1 para el CH4 y el H2, entre las que destacan la difusividad tanto térmica como molecular del H2, mucho más elevadas ambas en comparación con las del CH4, lo cual se aborda más adelante. Simulación numérica de un quemador de estufa doméstica que opera con mezclas de gas natural e hidrógeno 20 Tabla 1. Propiedades termo físicas y de combustión. 4.15. Llama de premezcla Llama en la cual el combustible y el oxidante se mezclan antes de la zona de reacción [27]. 4.16. Fluidodinámica Rama de la mecánica de fluidos que estudia el movimiento de los fluidos [28]. 4.17. Teoría de descarga por orificio Este apartado es fundamental para conocer el desarrollo del gas dentro del quemador. Además, esta teoría permite el estudio de las ecuaciones de caudal y flujo másico de combustible, así como la Simulación numérica de un quemador de estufa doméstica que opera con mezclas de gas natural e hidrógeno 21 determinación de variables geométricas importantes como lo es el diámetro de descarga del inyector [29]. 4.18. Modelo numérico La ciencia de la combustión involucra muchos fenómenos dentro de sí misma, así como múltiples variables, además de otras ciencias, como la cinética química, mecánica de fluidos, transferencia de calor y masa, fenómenos de transporte, etc. En ese orden de ideas se vuelve bastante complejo y tedioso realizar cálculos teóricos. Es aquí donde los modelos computacionales se convierten en grandes aliados, pero previamente deben conocerse algunas variables primitivas. En las reacciones químicas que se dan durante el fenómeno de la combustión, también están involucradas múltiples especies, ya que durante este fenómeno se tiene un flujo reactivo de una mezcla de gases. Así, la fracción másica, 𝑌𝑖, ecuación (9), y la fracción molar, 𝑋𝑖, ecuación (10), de una mezcla, definen la cantidad relativa de determinada especie, de la siguiente manera: 𝑌𝑖 = 𝑚𝑖 𝑚 (9) 𝑋𝑖 = 𝑁𝑖 𝑁 (10) donde 𝑚𝑖 es la masa de la especie 𝑖, 𝑚 es la masa total del sistema, 𝑁𝑖 las moles de la especie 𝑖 y, 𝑁, las moles totales de la mezcla [27]. De este modo, la sumatoria de fracciones másicas, ecuación (11), y molares, ecuación (12), para 𝑘 especies está por: ∑𝑌𝑖 = 1 (11) 𝑘 𝑖=1 ∑𝑋𝑖 = 1 (12) 𝑘 𝑖=1 Para la combustión estequiométrica del CH4 y H2 se tienen los siguientes balances: 𝐶𝐻4 + 2(𝑂2 + 3,76𝑁2) → 𝐶𝑂2 + 2𝐻2𝑂 + 7,52𝑁2 𝐻2 + 0,5(𝑂2 + 3,76𝑁2) → 𝐻2 + 1,88𝑁2 Simulación numérica de un quemador de estufa doméstica que opera con mezclas de gas natural e hidrógeno 22 4.19. Ecuaciones de transporte Los fenómenos de transporte relacionan estrechamente la dinámica de fluidos, la transferencia de calor y la transferencia de masa, donde la primera involucra el transporte de cantidad de movimiento, la transferencia de calor involucra el transporte de energía, y, finalmente, la transferencia de masa involucra el transporte de masa de las especies químicas [30]. Partiendo de esto, se tienen las ecuaciones de conservación o ecuaciones de transporte, que son ecuaciones diferenciales parciales que describen el transporte de alguna propiedad física en un medio, así como pueden también predecir el comportamiento de un fluido en un sistema. 4.19.1. Conservación de masa La conservación de la masa está dada por la ecuación (13), y ésta describe cómo evoluciona en el tiempo y en el espacio la concentración de una especie química que se transporta a través de un medio.: 𝜕𝜌 𝜕𝑡 + 𝜕𝜌𝑢𝑖 𝜕𝑥𝑖 = 0 (13) 4.19.2. Conservación de momentum La conservación de momentum o cantidad de movimiento, ecuación (14), describe la evolución temporal y espacial de la velocidad y la presión en un fluido que se mueve a través de un medio: 𝜕(𝜌𝑢𝑖) 𝜕𝑡 + 𝜕(𝜌𝑢𝑖𝑢𝑗) 𝜕𝑥𝑖 = − 𝜕𝑃 𝜕𝑥𝑗 + 𝜕𝜏𝑖𝑗 𝜕𝑥𝑖 − 𝜕(𝜌𝑢𝑖 ′𝑢𝑗)̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅ 𝜕𝑥𝑖 + 𝐹𝑖 𝜏𝑖𝑗 = 𝜇 [( 𝜕𝑢𝑖 𝜕𝑥𝑗 + 𝜕𝑢𝑗 𝜕𝑥𝑖 ) − 2 3 𝜕𝑢𝑙 𝜕𝑥𝑙 𝛿𝑖𝑗] (14) 4.19.3. Conservación de la energía La ecuación de conservación de la energía, ecuación (15), se encarga de describir cómo varían en el tiempo y el espacio la temperatura y el flujo de calor en un medio: 𝜕 𝜕 (𝜌𝐸) + 𝜕 𝜕𝑥𝑖 (𝜌𝑢𝑖𝐸) + 𝜕 𝜕𝑥𝑖 (𝑢𝑖𝑃) = 𝜕 𝜕𝑥𝑖 (𝜆𝑒𝑓𝑓 𝜕𝑇 𝜕𝑥𝑖 − ∑ ℎ𝑘 𝐽𝑘⃗⃗ ⃗ 𝑁 𝑘=1 + 𝑢𝑖𝜏𝑖𝑗) − 𝜕 𝜕𝑥𝑖 (𝜌𝑢𝑖 ′ℎ′ 𝑠 ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅) + 𝑞𝑐 (15) Simulación numérica de un quemador de estufa doméstica que opera con mezclas de gas natural e hidrógeno 23 donde 𝜌 es la densidad, 𝑡 es el tiempo, 𝑢𝑖 las componentes de velocidad, 𝑥𝑖 las coordenadas espaciales, 𝑃 es la presión, 𝜏𝑖𝑗 es el tensor de esfuerzo viscoso, 𝐹𝑖 es una fuerza de cuerpo, 𝐸 es la energía total, 𝑇 es la temperatura, ℎ es la entalpia, 𝐽 es el flujo de difusión, 𝜆𝑒𝑓𝑓 es la conductividad térmica efectiva, 𝑞𝑐 es un término fuente, y 𝑘 es el índice de la k-ésima especie. 4.19.4. Conservación de especies La conservación de especies, ecuación (16), se utiliza para describir cómo evoluciona en el tiempo y en el espacio la concentración de una especie química en un medio. Esta ecuación tiene en cuenta tanto la producción y degradación de la especie, como la difusión de esta en el medio en el que se encuentra. 𝜕 𝜕𝑡 (𝜌𝑌𝑘) + 𝜕 𝜕𝑥𝑖 (𝜌𝑢𝑖𝑌𝑘) = 𝜕 𝜕𝑥𝑖 (𝜌𝐷 𝜕𝑌𝑘 𝜕𝑥𝑖 ) + 𝜌𝑆𝑌𝑘 (16) donde 𝑌𝑘 es la fracción másica de la k-ésima especie, 𝐷 es la difusividad másica de las especies y 𝑆𝑌𝑘 es el término fuente de la k-ésima especie. La tasa de calor media liberada durante la combustión se agrega a la ecuación de energía como un término fuente, y está dada por la ecuación (17): 𝑞𝑐 = 𝜌𝑆𝑌𝑖∆𝐻 (17), siendo ∆𝐻 el calor de la combustión. 4.20. Modelo de turbulencia La selección del modelo de turbulencia depende de varios factores, tales como, la física del flujo, el nivel de precisión requerido, los tiempos de simulación disponible y, muy importante, los recursos computacionales y de hardware que se tengan a disposición. Los modelos RANS son de los más utilizados para calcular flujos turbulentos complejos en la industria, debido a que son los más económicos computacionalmente hablando. Los modelos RANS simplifican el problema llevándolo a la solución de dos ecuaciones de transporte adicionales e introducen una viscosidad turbulenta para calcular las tensiones de Reynolds [31]. Para este trabajo se selecciona el modelo 𝑘 − 𝜖 Realizable. El modelo de turbulencia 𝑘 − 𝜖 es el modelo más utilizado para estimar la viscosidad turbulenta en situaciones complejas. Este modelo Simulación numérica de un quemador de estufa doméstica que opera con mezclas de gas natural e hidrógeno 24 se basa en resolver ecuaciones que describen la energía cinética turbulenta 𝑘, la tasa de disipación turbulenta 𝜖 y los números de Prandtl [32]–[34]. Para determinar los parámetros de funcionamiento del quemador y llevar a cabo la simulación numérica, es necesario aplicar la teoría anteriormente descrita. Del mismo modo, en la Figura 4 se muestra el esquema de funcionamiento del quemador analizado en este estudio. Así mismo, se pueden ver los principales componentes del quemador. En la parte inferior se encuentra el inyector, que es el que permite la descarga (flecha roja) y regula el caudal y flujo másico de combustible descargados. Por otra parte, las flechas azul claro representan el aire primario que es arrastrado por el chorro de gas debido a la conservación del momentum [35]. Este aire es llamado “primario” debido a que, al ser un quemador de premezcla parcial, para que se dé la reacción química debe tomarse un aire secundario (flechas azul oscuro) de los alrededores para tener la proporción suficiente de oxidante y, así, se pueda iniciar la combustión. Figura 4. Esquema de la fluidodinámica del quemador. 4.21. Modelo de radiación Se usa el modelo de discretas ordenadas (DO) para la radiación, con el propósito de tratar la transferencia de calor [36], [37]. 4.22. Modelo de combustión El modelo de combustión elegido es el Eddy Dissipation Model (EDM), modelo en el cual todas las reacciones tienen la misma velocidad turbulenta, lo que lo hace adecuado para reacciones Simulación numérica de un quemador de estufa doméstica que opera con mezclas de gas natural e hidrógeno 25 globales de uno o dos pasos, mientras que el mecanismo cinético elegido es el Westbrook & Dryer modificado de dos pasos, que consta de las reacciones mostradas en la tabla 2 [38], [39]. Adicionalmente, se incluyeron dos reacciones globales para el etano (C2H6) y el propano (C3H8) de Westbrook & Dryer [40]. De esta manera, se consideraron todas las especies presentes en la mezcla de CH4 y H2. 5. METODOLOGÍA El enfoque adoptado para la realización de este trabajo de grado ha sido investigativo y numérico, con el objetivo de contribuir al desarrollo de nuevas tecnologías y combustibles, y de este modo avanzar hacia la transición energética del GN al H2. Con el fin de simplificar la geometría y ahorrar costo computacional se aprovecha la simetría del quemador, de modo que se modela sólo ¼ de la geometría total. Para esto, se utiliza DesignModeler geometry de ANSYS-FLUENT, obteniendo el volumen mostrado en la Figura 5, en la cual se muestran también las condiciones de frontera: Figura 5. Volumen de control y condiciones de frontera. Simulación numérica de un quemador de estufa doméstica que opera con mezclas de gas natural e hidrógeno 26 Es importante resaltar que el área de descarga del combustible en el inyector no se modificó, conservando un diámetro de descarga 𝑑𝑖𝑛𝑦𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 = 1 𝑚𝑚, del mismo modo que la presión de suministro de combustible se mantuvo constante (𝑃𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑜 = 20 𝑚𝑏𝑎𝑟). Así mismo, los detalles de la malla y su refinamiento se muestran en la Tabla 2, mientras que tanto el volumen de control como el quemador que es objetivo de estudio se muestran en la Figura 6 y Figura 7Figura 9: Tabla 2. Refinamiento de la malla. Figura 6. Volumen de control mallado. Simulación numérica de un quemador de estufa doméstica que opera con mezclas de gas natural e hidrógeno 27 Figura 7. Puertos del quemador mallado. La malla con la cual se alcanzó la independencia fue la malla media, con un total de 2697828 celdas. Las condiciones de frontera y los modelos se muestran en la Tabla 3, a continuación: Tabla 3. Condiciones de frontera y modelos. Al momento de correr la simulación se presentaron algunos inconvenientes en el instante en el que se activó la reacción volumétrica de las especies y fue el siguiente: el mecanismo de combustión Simulación numérica de un quemador de estufa doméstica que opera con mezclas de gas natural e hidrógeno 28 utilizado reacciona cuando la mezcla combustible-oxidante se da en la proporción adecuada, lo cual llevó a que se produzca el encendido en la zona interna del quemador, es decir, en la zona donde el gas comienza a mezclarse con el oxidante; esto se muestra en la Figura 8, donde el recuadro rojo encierra la zona donde se dio el inicio de la reacción química: Figura 8. Reacción en zona del inyector. Con el fin de dar solución a esto, se dividió el volumen en dos zonas independientes, como se puede observar en la Figura 9, siendo la zona donde comienza a darse la mezcla del aire con el combustible la región de la problemática. Para la zona azul se desactiva la reacción química, y de este modo se evita el encendido en dicha zona. La zona roja pertenece al volumen del medio, que para este caso es el aire. Figura 9. División del volumen de control. Simulación numérica de un quemador de estufa doméstica que opera con mezclas de gas natural e hidrógeno 29 6. RESULTADOS Y ANÁLISIS 6.1. Factor de aireación primario (𝑛) Con respecto al factor de aireación primerio es claro que va en aumento con la adición en % volumétrico del H2. Este parámetro de combustión es de gran importancia debido a su impacto directo en algunas de las principales propiedades de la combustión, como lo es la velocidad de combustión laminar. El factor de aireación se relaciona con el índice de Wobbe como se muestra en la ecuación 18: 𝑛1,2 𝑛1,1 ≈ 𝑊𝑆,1 𝑊𝑆,2 (18) La ecuación anterior es válida para sistemas de combustión que mantienen diámetros y presiones de boquilla constantes y que no tiene control sobre el factor de aireación [41], lo cual es típico en electrodomésticos como lo son las estufas domésticas. La ecuación anterior relaciona el exceso de aire 𝑛1 con el índice de Wobbe superior del combustible (𝑊𝑆), y como el poder calorífico superior volumétrico del H2 es inferior, esto da como resultado una caída en el índice de Wobbe, explicando así el incremento en el factor de aireación. Lo anterior puede observarse en la Figura 10, donde se grafica el factor de aireación primerio respecto al % en volumen de H2. Figura 10. Factor de aireación vs % en volumen de H2. 0,20 0,23 0,25 0,28 0,30 0,33 0,35 0,38 0,40 0,43 0,45 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 F a ct o r d e a ir ea ci ó n % vol H2 k-ϵ Realizable vs k-ϵ Standard k-e Realizable k-e Standard K-e Realizable-Diffusion Simulación numérica de un quemador de estufa doméstica que opera con mezclas de gas natural e hidrógeno 30 La anterior figura presenta tres curvas, siendo la de color azul correspondiente al modelo de turbulencia 𝑘 − 𝜀 𝑅𝑒𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑏𝑙𝑒, la de color naranja al modelo 𝑘 − 𝜀 𝑆𝑡𝑎𝑛𝑑𝑎𝑟𝑑 y, finalmente, la gris corresponde al factor de aireación con la difusividad térmica activada. Es claro que existe una diferencia en los resultados, debido a las ecuaciones de solución que realiza cada modelo, siendo el realizable más exacto debido a que toma en cuenta las fluctuaciones que existen en la energía cinética turbulenta 𝑘, mientras que el modelo Standard toma dicha energía como constante. Del mismo modo, al activarse la difusividad térmica en FLUENT, el software usa modelos de transporte para modelar cómo se produce la difusión a través de diferentes regiones con diferentes concentraciones, temperaturas o velocidades. La difusión es especialmente útil en aplicaciones donde se necesita entender cómo se mezclan diferentes corrientes de fluidos, cómo se producen las reacciones químicas, que es el caso de este estudio, y cómo se transportan los contaminantes o las especies en un sistema. Al activar la difusión en FLUENT, el programa puede proporcionar información detallada sobre cómo se producen las transferencias de masa y energía en un sistema y cómo afectan el comportamiento del fluido [42]. 6.2. Potencia térmica (𝑃𝑇) Como se señaló previamente, la presión de suministro permanece constante a medida que se adiciona H2 al combustible, 𝑃𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑜 = 20 𝑚𝑏𝑎𝑟 de presión manométrica, razón por la cual se varía la potencia termina que entrega el quemador. Al ser la presión de suministro inferior a 100 𝑚𝑏𝑎𝑟 se considera que el quemador de baja presión, y por esto, se convierte en un análisis de flujo incompresible porque los cambios en la densidad del fluido son despreciables [43]. Por otra parte, la potencia térmica se relaciona con el índice de Wobbe mediante la ecuación (19), mostrada a continuación: 𝑃𝑇2 = 𝑃𝑇1 ∙ 𝑊2 𝑊1 (19) La anterior expresión es válida cuando se varía la potencia térmica manteniendo constante la presión de suministro, así la tendencia final es la mostrada en la Figura 11: Simulación numérica de un quemador de estufa doméstica que opera con mezclas de gas natural e hidrógeno 31 Figura 11. Potencia térmica según Wobbe vs % vol. H2. La anterior figura evidencia que la simulación numérica puede predecir la caída de la potencia térmica manteniendo la presión de suministro constante a medida que se incrementa el % H2 de la misma manera que lo hace la teoría, según la ecuación (19). Así mismo, se encontró que la caída en la potencia del quemador al operar a nivel del mar, 𝑃𝑎𝑡𝑚 = 101,3 𝐾𝑃𝑎, a condiciones atmosféricas de Medellín, 𝑃𝑎𝑡𝑚 = 85 𝐾𝑃𝑎, es de alrededor del 9%, como se muestra en la Figura 12: Figura 12. Potencia térmica nivel del mar y Medellín vs % vol. H2. 1,70 1,75 1,80 1,85 1,90 1,95 2,00 2,05 2,10 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 P o te n ci a t ér m ic a W I [k W ] % vol H2 Potencia térmica WI Potencia numérica Potencia WI 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25 2,50 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 P o te n ci a t ér m ic a [ k W ] % vol H2 Potencia térmica Standard Medellín Nivel del mar Simulación numérica de un quemador de estufa doméstica que opera con mezclas de gas natural e hidrógeno 32 La caída de la potencia se explica desde las condiciones atmosféricas, ya que a mayor altura sobre el nivel del mar menor es la densidad del aire, por lo que la combustión se ve afectada. Del mismo modo se encontró que el modelo de turbulencia utilizado no afecta a la potencia térmica; esto es debido a que ésta depende de la presión de suministro, constante para este caso, y previamente establecida en la frontera de entrada del combustible. En la Figura 13 se muestra lo anterior, mientras que en la Figura 14 se enseña la geometría del inyector, con la frontera de la entrada del combustible resaltada en color azul. Figura 13. Potencia térmica según modelo de turbulencia vs % vol. H2. Figura 14. Frontera para el suministro del combustible. 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7P o te n ci a t ér m ic a [ k W ] % vol H2 Potencia térmica numérica k-e Standard K-e Realizable Simulación numérica de un quemador de estufa doméstica que opera con mezclas de gas natural e hidrógeno 33 6.3. Temperatura de llama El efecto de la adición de H2 al metano es el aumento de la temperatura, ya que la temperatura de llama adiabática del H2 es superior a la del CH4, como se puede ver en la Figura 15 adaptada de [15]. Por este motivo, a medida que se incrementa el % en vol. De H2 de la mezcla, la temperatura de la llama aumenta. Del mismo modo, el incremento de H2 produce que la longitud de llama se reduzca debido a que la velocidad de deflagración laminar del H2 es más alta que la de cualquier hidrocarburo, incluido el CH4, por lo que se da la reducción en la longitud de la llama, así como una reducción en la temperatura de los gases de combustión debido a que, si bien se sabe que la temperatura de llama del H2 es superior, el % H2 hace que se arrastre más aire, lo que es explicado por la relación de la ecuación (18). El efecto descrito se observa en la Figura 16. Figura 15. Temperatura de llama adiabática del H2 [15]. Figura 16. Contornos de temperatura según % H2. Simulación numérica de un quemador de estufa doméstica que opera con mezclas de gas natural e hidrógeno 34 Finalmente, en la Figura 17, se observa la tendencia de incremento de la temperatura de llama a medida que se adiciona H2. La razón por la cual la combustión del hidrógeno produce una llama más caliente que otras combustiones se debe a la alta energía de enlace del hidrógeno y su rápida tasa de reacción con el oxígeno, lo cual libera una cantidad significativa de energía en un lapso corto de tiempo, resultando en una temperatura de llama elevada. Figura 17. Temperatura de llama vs H2. 6.4. Velocidad de descarga Un parámetro que tiene un impacto importante en la combustión es la velocidad de descarga, la cual se calcula mediante la ecuación (20), donde 𝑝 es la presión de suministro y 𝜌 es la densidad del combustible. 𝑉 = √ 2 ∙ 𝑝 𝜌 (20) A continuación, en la Figura 18, se muestra la velocidad de descarga según el % en vol. de H2, tanto la velocidad de descarga numérica y teórica: 2180 2200 2220 2240 2260 2280 2300 2320 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 T em p er a tu ra [ K ] % vol H2 Temperatura vs % H2 Simulación numérica de un quemador de estufa doméstica que opera con mezclas de gas natural e hidrógeno 35 Figura 18. Velocidad de descarga según % H2. La tendencia del aumento en la velocidad se explica desde la densidad, la cual se reduce a medida que se adiciona H2 a la mezcla, ya que la densidad de éste es casi 8 veces inferior a la del CH4, como pudo observarse en la tabla 1; por tanto, al estar la densidad en el denominador de la ecuación (20), ésta es inversamente proporcional a la velocidad. Adicionalmente, en la Figura 19 se muestran los contornos de velocidad de descarga en el inyector, evidenciando el aumento de ésta con la adición de H2. Figura 19. Contornos de velocidad de descarga. 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 V el o ci d a d d e d es ca rg a [ m /s ] % vol. H2 Velocidad de descarga vs % H2 Teórica Numérica Simulación numérica de un quemador de estufa doméstica que opera con mezclas de gas natural e hidrógeno 36 7. CONCLUSIONES • El factor de aireación primario incrementa de manera proporcional con la adición en % volumétrico de H2, lo que facilita la combustión completa y, de este modo, se reducen las emisiones de gases nocivos en los productos de combustión. • El modelo de turbulencia seleccionado influye considerablemente en el factor de aireación, arrojando un % de error de entre 40 y 43%, según la composición de la mezcla, mientras que cuando se tiene activa la difusión, el error se incrementa hasta un 47%. • La potencia térmica disminuye a medida que se adiciona H2 a la mezcla manteniendo la presión de suministro constante. Para el caso de 70% H2, la caída de la potencia numérica llega hasta 18% respecto a la máxima con el modelo de turbulencia k-ϵ Standard. • La caída de la potencia térmica numérica en Medellín es de casi el 9% con respecto a la alcanzada a nivel del mar. • De la Figura 11 se puede concluir que la simulación numérica predice la caída de la potencia térmica de igual manera que la teoría, manteniendo presión de suministro constante. • El modelo de turbulencia no afecta el cálculo de la potencia térmica, ya que ésta depende de la presión de suministro que se ingresa al software, que es de 𝑃𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑜𝑠 = 20 𝑚𝑏𝑎𝑟 manométricos. • La velocidad de descarga es proporcional al % de H2 en la mezcla. Los valores teóricos vs los numéricos de este parámetro arrojan diferencias inferiores de hasta el 7,3%, lo que lleva a concluir que el modelo k-ϵ Realizable es más adecuado para este tipo de simulaciones. • La temperatura de llama se incrementa con la adición de H2 a la mezcla. Esto se debe a que la temperatura de llama adiabática del H2 es superior a la del CH4. • La temperatura de los gases de combustión también se ve afectada con la adición de H2. Si bien éste incrementa la temperatura de la llama, a su vez arrastra más aire, cómo se observó en la Figura 10, y este mayor arrastre de aire primario hace que se reduzca la temperatura de los gases. • El aumento total de la temperatura de la llama a medida que se aumenta el % de H2 fue de 131 K, lo que representa un aumento del 6%. Simulación numérica de un quemador de estufa doméstica que opera con mezclas de gas natural e hidrógeno 37 8. REFERENCIAS [1] I. M. Blom, J. Beagley, and A. V. Quintana, “The COP26 Health Commitments: A springboard towards environmentally sustainable and climate-resilient health care systems?,” J. Clim. Chang. Heal., p. 100136, 2022, doi: 10.1016/j.joclim.2022.100136. [2] T. Amirthan and M. S. A. Perera, “The role of storage systems in hydrogen economy: A review,” J. Nat. Gas Sci. 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