Asrardel, Mohamad
Muelas Expósito, Álvaro (dir.) ; Ballester Castañer, Javier Manuel (dir.)
Universidad de Zaragoza,
2024
Resumen: La combustión de sprays puede considerarse la tecnología dominante para la combustión de líquidos. La atomización del combustible líquido en pequeñas gotas aumenta la eficiencia del proceso de combustión, produciendo una mejor mezcla y una mayor liberación de energía a la vez que reduce la emisión de contaminantes. A pesar de su gran relevancia y uso generalizado, la combustión de sprays lleva aparejada importantes problemáticas, tanto ambientales como relacionadas con la salud. Abordar estos problemas de forma exitosa requiere una comprensión detallada del proceso de evaporación/combustión, para lo cual el estudio de gotas aisladas se convierte en una herramienta muy útil. Esta configuración canónica se utiliza habitualmente para simplificar el complejo proceso de la combustión de un spray ya que, a pesar de su simplicidad, retiene la mayor parte de los fenómenos que ocurren en la evaporación/combustión de líquidos. Por este motivo, la evaporación/combustión de líquidos ha sido abordada en esta tesis mediante el estudio de gotas aisladas.
Desde el punto de vista experimental, esta configuración simplificada proporciona la ventaja de tener un control estricto de todas las condiciones relevantes en el proceso, asegurando de este modo que los resultados obtenidos son intrínsecos del combustible ensayado. En este trabajo se ha utilizado dos instalaciones de combustión de gotas, denominadas como Droplet Combustion Facility (DCF) y Suspended Droplet Facility (SDF). La primera instalación fue diseñada siguiendo el concepto de gotas en caída libre, mientras que la segunda ha sido desarrollada durante la presente tesis doctoral aplicando el método de la gota suspendida. El uso de estas dos instalaciones (complementarias en muchos aspectos, como se detallará más adelante) permite la caracterización detallada de un amplio rango de combustibles (compuestos puros, combustibles convencionales/alternativos, líquidos viscosos y/o cargados de partículas, etc.), así como de condiciones de operación (tamaño de gota, temperatura del ambiente, método utilizado para fijar las gotas, etc.).
Además de esta parte experimental, el otro pilar de la tesis consiste en el desarrollo y validación de modelos teóricos de evaporación de gotas adaptados al estudio de casos de relevancia práctica (en concreto, la simulación de combustibles multicomponentes y mezclas). De forma adicional, la presencia de fibras de suspensión para la gota o la existencia de un ambiente de alta temperatura (condiciones aplicadas en la SDF, así como en otras muchas instalaciones de la literatura) requiere el desarrollo de sub-modelos específicos que incluyan efectos adicionales, como la conducción de calor a través de las fibras o la absorción de radiación térmica. Estos modelos han sido validados de forma satisfactoria frente a resultados de la literatura, así como frente a datos experimentales generados en las instalaciones DCF y SDF.
Una vez validados, estos modelos constituyen una herramienta muy útil para la caracterización detallada de los comportamientos existentes en la evaporación de gotas. Sin embargo, se hace necesaria la cuantificación de las incertidumbres asociadas a sus predicciones, ya que el modelo descrito basa su funcionamiento en varias simplificaciones e incertidumbres (p.ej., en cuanto a la estimación de las propiedades del combustible). En un trabajo específico se ha cuantificado el impacto de las incertidumbres existentes en las propiedades del combustible sobre la exactitud de las predicciones obtenidas con el modelo de evaporación. Este estudio se ha realizado mediante un detallado análisis de sensibilidad, que pretende ilustrar cómo se propagan las incertidumbres en las estimaciones de propiedades, generando a su vez incertidumbres en las características de evaporación predichas por el modelo. Una parte fundamental de este estudio consiste en la identificación de las propiedades con un mayor impacto en estas características de evaporación.
Uno de los principales objetivos en el contexto de esta tesis doctoral consiste en el empleo conjunto de las instalaciones experimentales y del modelo para cuantificar la desviación de los resultados experimentales con respecto al caso canónico unidimensional de referencia en el campo (es decir, la configuración simplificada donde la única transferencia de calor se produce mediante conducción a través de la entrefase gota-gas). Es bien sabido que las características de evaporación de gotas obtenidas en la mayoría de instalaciones están afectadas, en mayor o menor medida, por artefactos experimentales. Estos artefactos se deben a la existencia de modos adicionales (y generalmente no deseados) de transferencia de calor entre la gota y el ambiente: conducción de calor a través de las fibras donde se sujeta la gota, absorción de radiación térmica emitida por llamas o por superficies sólidas a elevada temperatura, efectos convectivos externos al problema, etc. Estos modos adicionales de transferencia de calor aumentan el calor entrante a la gota, acelerando por tanto la evaporación y desviando los resultados experimentales respecto al caso canónico de referencia. Este estudio pretende cuantificar el efecto de estos artefactos en las características de evaporación para un amplio rango de condiciones experimentales. Para ello se han propuesto tres números adimensionales, obtenidos mediante un análisis teórico del problema, con el objetivo de parametrizar el impacto de cada artefacto experimental sobre la tasa de evaporación de la gota. Este novedoso enfoque ha sido validado mediante datos experimentales obtenidos en ambas instalaciones (SDF, DCF), así como mediante resultados publicados en la literatura. El amplio abanico de condiciones utilizadas en esta validación (en cuanto a tamaños de gota, material y tamaño de las fibras, tipo de combustible, temperatura del gas, etc.) demuestra la capacidad del método propuesto a la hora de capturar satisfactoriamente el impacto de estos artefactos experimentales bajo un amplio rango de condiciones.
Tras desarrollar y validar las herramientas experimentales y de modelaje descritas anteriormente, el siguiente paso en la presente tesis doctoral consiste en el desarrollo de metodologías que permitan emular los comportamientos de evaporación de gotas de combustibles líquidos convencionales (p.ej., queroseno o diésel). Sin embargo, existen dos principales dificultades para conseguir este objetivo. La primera de ellas es la gran complejidad química de estos combustibles, formados por cientos o incluso miles de compuestos, lo cual hace prácticamente imposible la simulación de estas mezclas en herramientas de modelaje multicomponentes. La segunda dificultad consiste en la falta de información detallada acerca de las propiedades físico-químicas de esta gran cantidad de compuestos. Una forma habitual de solventar estas dificultades consiste en la formulación de surrogates, es decir, de mezclas de un número limitado de compuestos puros bien caracterizados capaces de emular ciertos comportamientos del combustible objetivo. En este trabajo se propone un algoritmo novedoso capaz de formular este tipo de mezclas para cualquier combustible derivado del petróleo, utilizando para ello una combinación de resultados experimentales y del modelo de evaporación de gota. En este método se estiman las propiedades del combustible de acuerdo con una serie de compuestos hipotéticos (o pseudo-componentes), para los que están definidos todos los parámetros que pueden ser asignados a una molécula real (p.ej., peso molecular, temperatura y presión crítica, etc.). Este proceso se conoce como el método de descomposición en pseudo-componentes. El siguiente paso consiste en asignar el compuesto real más similar a cada pseudo-componente mediante la comparación de las propiedades más relevantes para la aplicación evaluada (evaporación a alta temperatura), obtenidas del análisis de sensibilidad descrito anteriormente. De esta forma se consigue una serie de compuestos puros capaces de emular el comportamiento evaporativo del combustible objetivo. La composición de cada uno de estos compuestos se determina utilizando una red neuronal artificial junto con un algoritmo de optimización multi-objetivo. Esta metodología sistemática ha sido validada mediante su aplicación a tres combustibles reales: diesel, Jet A y gasóleo de calefacción. En los tres casos, las características de evaporación de gotas para los surrogates desarrollados mediante esta metodología mostraron notables similitudes con los resultados experimentales de los combustibles objetivo.
Finalmente, se ha realizado un trabajo exploratorio con el objetivo de caracterizar el impacto de la adición de nanopartículas en las características de evaporación de gotas de un combustible diésel. Varios estudios en la literatura muestran que la adición de nanopartículas puede acelerar significativamente los procesos de evaporación y combustión de combustibles líquidos. Sin embargo, otros trabajos muestran comportamientos opuestos. En concreto, la aglomeración de estas partículas formando una cáscara cerca de la superficie de la gota suele mencionarse como un mecanismo que puede reducir significativamente la tasa de evaporación/combustión. En este estudio se ha caracterizado y cuantificado la influencia de algunas de las nanopartículas más comunes (óxido de cerio, alúmina y nanotubos de carbono) en los comportamientos evaporativos de gotas de diésel a elevadas temperaturas. Además, el método de formulación de surrogates descrito anteriormente se ha empleado para diseñar mezclas capaces de emular las características de evaporación de estos nanocombustibles, tratando por tanto de convertir la adición de nanopartículas en un cambio composicional en el surrogate.
Resumen (otro idioma):
Desde el punto de vista experimental, esta configuración simplificada proporciona la ventaja de tener un control estricto de todas las condiciones relevantes en el proceso, asegurando de este modo que los resultados obtenidos son intrínsecos del combustible ensayado. En este trabajo se ha utilizado dos instalaciones de combustión de gotas, denominadas como Droplet Combustion Facility (DCF) y Suspended Droplet Facility (SDF). La primera instalación fue diseñada siguiendo el concepto de gotas en caída libre, mientras que la segunda ha sido desarrollada durante la presente tesis doctoral aplicando el método de la gota suspendida. El uso de estas dos instalaciones (complementarias en muchos aspectos, como se detallará más adelante) permite la caracterización detallada de un amplio rango de combustibles (compuestos puros, combustibles convencionales/alternativos, líquidos viscosos y/o cargados de partículas, etc.), así como de condiciones de operación (tamaño de gota, temperatura del ambiente, método utilizado para fijar las gotas, etc.).
Además de esta parte experimental, el otro pilar de la tesis consiste en el desarrollo y validación de modelos teóricos de evaporación de gotas adaptados al estudio de casos de relevancia práctica (en concreto, la simulación de combustibles multicomponentes y mezclas). De forma adicional, la presencia de fibras de suspensión para la gota o la existencia de un ambiente de alta temperatura (condiciones aplicadas en la SDF, así como en otras muchas instalaciones de la literatura) requiere el desarrollo de sub-modelos específicos que incluyan efectos adicionales, como la conducción de calor a través de las fibras o la absorción de radiación térmica. Estos modelos han sido validados de forma satisfactoria frente a resultados de la literatura, así como frente a datos experimentales generados en las instalaciones DCF y SDF.
Una vez validados, estos modelos constituyen una herramienta muy útil para la caracterización detallada de los comportamientos existentes en la evaporación de gotas. Sin embargo, se hace necesaria la cuantificación de las incertidumbres asociadas a sus predicciones, ya que el modelo descrito basa su funcionamiento en varias simplificaciones e incertidumbres (p.ej., en cuanto a la estimación de las propiedades del combustible). En un trabajo específico se ha cuantificado el impacto de las incertidumbres existentes en las propiedades del combustible sobre la exactitud de las predicciones obtenidas con el modelo de evaporación. Este estudio se ha realizado mediante un detallado análisis de sensibilidad, que pretende ilustrar cómo se propagan las incertidumbres en las estimaciones de propiedades, generando a su vez incertidumbres en las características de evaporación predichas por el modelo. Una parte fundamental de este estudio consiste en la identificación de las propiedades con un mayor impacto en estas características de evaporación.
Uno de los principales objetivos en el contexto de esta tesis doctoral consiste en el empleo conjunto de las instalaciones experimentales y del modelo para cuantificar la desviación de los resultados experimentales con respecto al caso canónico unidimensional de referencia en el campo (es decir, la configuración simplificada donde la única transferencia de calor se produce mediante conducción a través de la entrefase gota-gas). Es bien sabido que las características de evaporación de gotas obtenidas en la mayoría de instalaciones están afectadas, en mayor o menor medida, por artefactos experimentales. Estos artefactos se deben a la existencia de modos adicionales (y generalmente no deseados) de transferencia de calor entre la gota y el ambiente: conducción de calor a través de las fibras donde se sujeta la gota, absorción de radiación térmica emitida por llamas o por superficies sólidas a elevada temperatura, efectos convectivos externos al problema, etc. Estos modos adicionales de transferencia de calor aumentan el calor entrante a la gota, acelerando por tanto la evaporación y desviando los resultados experimentales respecto al caso canónico de referencia. Este estudio pretende cuantificar el efecto de estos artefactos en las características de evaporación para un amplio rango de condiciones experimentales. Para ello se han propuesto tres números adimensionales, obtenidos mediante un análisis teórico del problema, con el objetivo de parametrizar el impacto de cada artefacto experimental sobre la tasa de evaporación de la gota. Este novedoso enfoque ha sido validado mediante datos experimentales obtenidos en ambas instalaciones (SDF, DCF), así como mediante resultados publicados en la literatura. El amplio abanico de condiciones utilizadas en esta validación (en cuanto a tamaños de gota, material y tamaño de las fibras, tipo de combustible, temperatura del gas, etc.) demuestra la capacidad del método propuesto a la hora de capturar satisfactoriamente el impacto de estos artefactos experimentales bajo un amplio rango de condiciones.
Tras desarrollar y validar las herramientas experimentales y de modelaje descritas anteriormente, el siguiente paso en la presente tesis doctoral consiste en el desarrollo de metodologías que permitan emular los comportamientos de evaporación de gotas de combustibles líquidos convencionales (p.ej., queroseno o diésel). Sin embargo, existen dos principales dificultades para conseguir este objetivo. La primera de ellas es la gran complejidad química de estos combustibles, formados por cientos o incluso miles de compuestos, lo cual hace prácticamente imposible la simulación de estas mezclas en herramientas de modelaje multicomponentes. La segunda dificultad consiste en la falta de información detallada acerca de las propiedades físico-químicas de esta gran cantidad de compuestos. Una forma habitual de solventar estas dificultades consiste en la formulación de surrogates, es decir, de mezclas de un número limitado de compuestos puros bien caracterizados capaces de emular ciertos comportamientos del combustible objetivo. En este trabajo se propone un algoritmo novedoso capaz de formular este tipo de mezclas para cualquier combustible derivado del petróleo, utilizando para ello una combinación de resultados experimentales y del modelo de evaporación de gota. En este método se estiman las propiedades del combustible de acuerdo con una serie de compuestos hipotéticos (o pseudo-componentes), para los que están definidos todos los parámetros que pueden ser asignados a una molécula real (p.ej., peso molecular, temperatura y presión crítica, etc.). Este proceso se conoce como el método de descomposición en pseudo-componentes. El siguiente paso consiste en asignar el compuesto real más similar a cada pseudo-componente mediante la comparación de las propiedades más relevantes para la aplicación evaluada (evaporación a alta temperatura), obtenidas del análisis de sensibilidad descrito anteriormente. De esta forma se consigue una serie de compuestos puros capaces de emular el comportamiento evaporativo del combustible objetivo. La composición de cada uno de estos compuestos se determina utilizando una red neuronal artificial junto con un algoritmo de optimización multi-objetivo. Esta metodología sistemática ha sido validada mediante su aplicación a tres combustibles reales: diesel, Jet A y gasóleo de calefacción. En los tres casos, las características de evaporación de gotas para los surrogates desarrollados mediante esta metodología mostraron notables similitudes con los resultados experimentales de los combustibles objetivo.
Finalmente, se ha realizado un trabajo exploratorio con el objetivo de caracterizar el impacto de la adición de nanopartículas en las características de evaporación de gotas de un combustible diésel. Varios estudios en la literatura muestran que la adición de nanopartículas puede acelerar significativamente los procesos de evaporación y combustión de combustibles líquidos. Sin embargo, otros trabajos muestran comportamientos opuestos. En concreto, la aglomeración de estas partículas formando una cáscara cerca de la superficie de la gota suele mencionarse como un mecanismo que puede reducir significativamente la tasa de evaporación/combustión. En este estudio se ha caracterizado y cuantificado la influencia de algunas de las nanopartículas más comunes (óxido de cerio, alúmina y nanotubos de carbono) en los comportamientos evaporativos de gotas de diésel a elevadas temperaturas. Además, el método de formulación de surrogates descrito anteriormente se ha empleado para diseñar mezclas capaces de emular las características de evaporación de estos nanocombustibles, tratando por tanto de convertir la adición de nanopartículas en un cambio composicional en el surrogate.
Resumen (otro idioma):
Pal. clave: tecnología de la combustión ; mecánica de fluidos
Titulación: Programa de Doctorado en Mecánica de Fluidos
Plan(es): Plan 516
Área de conocimiento: Ingeniería y Arquitectura
Nota: Presentado: 17 04 2024
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, , 2024
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