Aplicación de la simulación en el diseño y/o mejora de sistemas de

combustión en aparatos de uso domestico

Dr. Ernesto Arias del Campo

Antecedentes: El desarrollo de quemadores se ha realizado de manera semiartesanal, usando un prototipo inicial con un diseño basado en relaciones y experiencias previas y modificando el prototipo hasta obtener el quemador final. Objetivo: Implementar el uso de herramientas computacionales (CFX ICEM etc.) para reducir el numero de iteraciones con prototipos físicos reduciendo con esto costos y tiempo de desarrollo.

Modelación Matemática del funcionamiento de los quemadores Método Numérico:

–  Definición del dominio físico. –  Mallado numérico (ANSYS, Design Modeler,

ICEM). –  Establecimiento de las ecuaciones de

transporte. •  Ecuaciones generales de conservación,

momento, energía y especies:

•  Ecuaciones particulares para describir radiación, reacción química, disipación etc.

–  Discretizacion de ecuaciones de transporte y solución Mediante método de volumen finito mediante procedimiento iterativo (CFX).

m

M

lmlmmmmmmmm fISvvv

t

!!!!!++⋅∇=⋅∇+ ∑

=1)()( ρερε

∂∂

( )∑=

+−+⋅∇−+∇+⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ ∇⋅+=⋅∇+M

lmlmlmlmlmmmmm

mmmmmmmmm hRTTqSuSpu

tpuhh

t 1

)(:)()( γ∂∂

ερερε∂∂ !!!!

mnmnmnmmmmnmmmnmm RXDuXXt

+∇⋅∇=⋅∇+ )()()( ρερερε∂∂ !

La modelación aplicada al diseño de quemadores domésticos puede dividirse en varios fenomenos: • Mezclado de los gases (aire/combustible).

• Interacción de la mezcla de gases con los quemadores.

• Reacción.

• Interacción de los productos de RXN con componentes del sistema. • Consideración de otros factores.

Air Fuel

Air Fuel

Carbon monoxide Carbon dioxide Water

Radiation Hot gases

(Convection)

El aire es forzado al interior por la corriente de gas

La reacción química genera los productos de combustión

La simulación es dividida en dos partes • Arrastre de aire primario • Combustión

Consideraciones Generales

•  El aire circundante es estático •  La composición del gas es

uniforme y constante •  El aire es arrastrado por el gas •  Las ecuaciones constitutivas

especifican las interacciones •  La combustión es descrita por

reacciones globales

•  La fuerza de flotación es requerida para dar forma a las flamas

•  La radiación interactúa significativamente con el medio

•  Los términos fuente son las reacciones químicas que producen CO, CO2, H2O y calor; reduciendo el combustible y el O2.

Consideraciones especificas para la combustión

CAD

Modelo fisico

Dominio de la Combustión

Dominio del aire primario Malla del aire primario

Malla para la combustión

Desarrollode losDominios

Aire primario: Dominio: •  Región de aire alrededor de la esprea y el venturi. •  La salida del sistema son las portas y carryover.

Condiciones del Modelo

1

1

2 3 3

2 1

3 3

Condiciones de frontera: 1.  Condiciones “No slip” y

temperatura en superficies sólidas del quemador.

2.  Aire libre de combustible y gases de combustión.

3.  Abierto a la atmósfera.

Combustión: Dominio •  Región alrededor del quemador, limitada por la

cubierta.

1 1

1

2

3

3 3

3

Condiciones del Modelo

Condiciones de frontera: 1.  Condición “No slip” en

superficies sólidas. 2.  Se aplica una temperatura

conocida en las regiones 3.  Abierto a la atmósfera

0.0175

0.0175

0.015

0.005

0.015

0.02 0.02

0.0225

Validación, etapa de mezclado

Análisis de presiones

Valores numéricos Vs experimentales tienen una aproximación mayor al 90%

Presión normal de operación : 5”wc Gas: Metano Lugar de evaluación: T y P Capacidad: 6.1K

% Aire primario

5052545658606264666870

Porta 1

Porta 2

Porta 3

Porta 4

Porta 5

Porta 6

Porta 7

Porta 8

Centro

piso

camar

a

Centro

cerca

perno

1

Centro

cerca

perno

2

Centro

piso

camar

a

Camara

estab

ilidad

% A

ire p

rimar

io

.

% Aire primario experimental% Aire primario CFX

Las flamas generadas por el modelo son similares a las observadas

Comparación de flamas Virtuales Vs Reales

Resultados de Combustión

Vectores de velocidad en flama Contornos de concentración de gases de comb.

(CO2 y CO)

combustión incompleta con una superficie arriba

Contornos de temperatura Vectores de velocidad en un plano

El modelo permite predecir el comportamiento de los productos de combustión

Resultados combustión

Combustión incompleta

Isosuperficie de flamas Contornos de temperatura

APLICACIÓN DE LA SIMULACION AL DESARROLLO DE NUEVOS

QUEMADORES

Comparativo de aire primario entre venturis

Tubo mezclador: Aire primario aproximadamente 49%

Venturi integrado: Aire primario aproximadamente 75%

Gas butano a 3900 Btu/h

Venturi integrado: Aire primario aproximadamente 75%

Comparativo de aire primario entre venturis, Quemador bridge latinoamericano Gas butano a 3900 Btu/h

Tubo mezclador: Aire primario aproximadamente 49%

Quemador original.

Modelos analizados para la estabilidad de la flamaLa flama en la ultima porta presentaba tendencia a extinguirse, se exploró el efecto de agregar un carryover extra después de esa porta.

Quemador con carryover extra.

Análisis con 9 Carryovers

Presión Velocidad Vectores de Vel.

Análisis con 10 carryovers

Efecto de un carryover extra en el quemador bridge para México

Durante el desarrollo del quemador vision 5K se encontró que una inclinación en los carryovers beneficia la estabilidad de las flamas, se exploro el efecto de introducir esta variación al quemador.

Quemador con carryover extra, inclinación de carryover hacia adentro

Quemador con carryover extra, inclinación de carryover hacia afuera

Análisis del efecto de la inclinación en carryovers

Análisis del efecto de la inclinación en carryovers

•  La inclinación en el carryover al aumentar el área de entrada uniformiza las velocidades y presión al interior del quemador.

•  Los vectores de velocidad muestran una mayor uniformidad en el flujo de los carryovers.

•  El flujo es similar al obtenido para el quemador con carryover extra pero la velocidad disminuye de un máximo de 1.5 a 1.4 m/s, esto puede disminuir el lifting en las portas.

Presión Velocidad Vectores de

Velocidad

Efecto del Angulo en el carryover 5° hacia adentro

•  Una inclinación en el carryover que aumenta el área de salida uniformiza las presiones pero, la velocidad en los la sección transversal pierde uniformidad

•  Los vectores de velocidad muestran la perdida de uniformidad en el flujo en los carryovers.

Presión Velocidad Vectores de

Velocidad

La mejor opción es modificar el ángulo hacia adentro

Análisis del efecto de la inclinación en carryovers Efecto del Angulo en el carryover 5° hacia afuera

Efecto de una ranura entre quemadores

Los productos de combustión cuando no existe la ranura entre los quemadores tienden a contaminar las flamas del quemador bridge

Sin ranura Con ranura

Líneas de flujo de productos de combustión

Simulación del cambio en la geometría de la porta

Un área uniforme crea una región de alta velocidad lo que permite disminuir el Flashback

Líneas de flujo de los productos de combustión

Simulación del quemador Bridge libre

Simulación del quemador Bridge con superficie a 0.165 in

Los productos de combustión del quemador mediano se dirigen hacia las flamas del quemador bridge.

Los productos de combustión del quemador bridge son arrastrados por las corrientes generadas por el quemador mediano.

Efecto de la contaminación y gap entre parrilla y tapa

Se observa como los productos de combustión del quemador mediano contaminan a la flama del quemador Bridge, tapando las portas del quemador mediano en esta zona y alzando a 0.163 in la parrilla se elimina el olor y el valor de AFCO baja

Portas abiertas

Portas

Bloqueadas al 80%

Gas

Análisis de quemador Bridge USA versión 0

Velocidad y aire primario: Se encontró una distribución uniforme para ambas variables. • Velocidad: 1 m/s (objetivo 1.2 m/s) • Aire primario 32% (objetivo 38%)

Áreas de mejora • Se visualiza variación de velocidad en zona central. • Flujo no homogéneo en zona de inicio de portas. Mejoras propuestas •  Ajustar geometría de venturi •  Incrementar espacio entre mamelón y tapa •  Relocalizar inyector de gas

• Se realizaron varios cambios a la propuesta inicial hasta obtener una geometría adecuada

• Como resultado se obtuvo una configuración con 4 portas, 9 carryovers y una cámara de estabilidad por lado.

Primera versión física

Análisis de quemador Bridge USA

La reducción en la zona de entrada incrementa la región de alta velocidad, esto reduce la tendencia a retroceso de flama

Configuración original Configuración nueva

Para reducir la tendencia a retroceso de flama en la cámara de estabilidad la entrada fue modificada para obtener una alta velocidad de la mezcla en esta

Análisis de quemador Bridge USA

Análisis en la cámara de estabilidad Vectores de velocidad:

La nueva geometría dirige el gas hacia la salida sin turbulencias, la velocidad es alta a la salida, esto ayuda a reducir la tendencia a retroceso de flama

Configuración original Configuración nueva

Análisis del quemador B. versión 2

Distribución de velocidades en portas

Composición de la mezcla dentro del quemador

Distribución de velocidades dentro del quemador

Es necesario modificar la geometría interna para obtener mejor distribución a la salida del quemador

Modelación y análisis quemador opción 2 Se agregaron deflectores para uniformizar flujos

• Se manejó un deflector en la esquina y uno lateral a diferentes alturas

La mejor opción es la colocación de un deflector en la esquina, este uniformiza las velocidades conservando una mezcla relativamente uniforme

OPCION AIREPRIMARIO%

VELOCIDADENPORTAS

(m/s)

Original 57.7-5.7.5 2.5-1.67

Deflectorenesquina 57.8-56.9 2.49-2.21

Deflectorenesquina,lateralalto 47.7-46.7 2.43-1.62

Deflectorenesquina,lateralbajo 57.1-54.4 2.408-1.87

Los vectores de velocidad y sus perfiles muestran como seria la salida de gas, esto ayudo a decidir la geometría del carryover para evitar problemas de separación de flama

Análisis del quemador Triturbi

Basándose en la experiencia del quemador Júpiter se buscó que existiera una zona de alta velocidad y presión que se extendiese hacia adentro de las portas.

Análisis del quemador Triturbi

Los primeros conceptos mostraron problemas de distribución de flujos en la zona cercana al venturi así como en el carryover cercano al venturi, esto motivó al rediseño de esta zona para reducir el efecto.

Análisis del quemador Triturbi

Como resultado de las simulaciones y pruebas con prototipos se llego al diseño final del nuevo quemador y de su base.

Análisis del quemador Triturbi

Aunque la principal aplicación de la simulación es en quemadores superiores de estufa, se ha trabajado en quemadores usados en secadoras y hornos.

Quemador para secadora