Velocidad de Deflagración: Importancia en el estudio de la combustión,

parámetros influyentes y técnicas para su determinación.

Por:

Daniel A. Flórez Orrego

Requisito para aspirar a la Maestría en Ingeniería Énfasis en Energética. Línea de Investigación en Combustión. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia.

La velocidad de deflagración o velocidad de quemado (L

S ) se define como la velocidad a

la que se desplaza el frente de llama (o zona de reacción) hacia la zona de gases sin

quemar (gases de premezcla) en una llama plana y estable, sin perdidas de calor [1]. En

la figura 1 se muestra una llama de premezcla laminar unidimensional a partir de la cual

se define la velocidad de deflagración Se puede entender como una tasa de la rapidez

con que un combustible libera la energía térmica que se almacena en sus enlaces. Es una

propiedad única para cada mezcla de combustible-comburente que permite predecir el

comportamiento de la combustión y con ello, realizar diseños más eficientes y confiables

de los dispositivos que utilizan dichas mezclas.

Figura 1. Propagación de una llama de premezcla laminar unidimensional [1]

Entre los dos diferentes tipos de llamas, conocidos como llamas de difusión y llamas de

premezcla, el estudio de las segundas en régimen laminar es especialmente importante

debido a que con estas se estudian otras propiedades de los combustibles gaseosos

como son la temperatura de llama adiabática, los límites de inflamabilidad, y la velocidad

de deflagración laminar [2]. La velocidad de deflagración laminar es a su vez una

propiedad muy importante puesto que permite estudiar la estructura y la estabilidad de las

llamas de premezcla, además de que sirve para validar mecanismos de reacción, estudiar

la combustión turbulenta en llamas de premezcla y el retraso a la ignición [3]

Como se mencionó anteriormente, para determinar la velocidad de deflagración se

requieren condiciones especiales de estabilidad de la llama. En llamas de premezcla

laminar las inestabilidades se producen por factores hidrodinámicos, por efectos termo-

difusivos o por fuerzas de cuerpo, siendo estas últimas menos importantes que las otras

dos. La primera se debe a los cambios de densidad (expansión) del frente de llama, lo

que localmente produce un cambio de la velocidad y el área de flujo. La segunda es

debida a que las diferentes especies de la premezcla tienen diferentes tasas de difusión y

no hay paridad entre los procesos de transferencia de calor y difusión (Efecto Soret). El

número de Lewis, relación entre la difusividad térmica y el coeficiente de difusión

molecular, es el número adimensional que caracteriza este tipo de inestabilidad, y se ha

encontrado que si este número es superior a 1 se producen llamas estables [4]. También,

en la operación con llamas de premezcla, el desprendimiento de la llama, el enfriamiento

y la retrollama son fenómenos indeseables conocidos por acarrear problemas de

seguridad como la toxicidad en ambientes cerrados y la posibilidad de una detonación de

la fuente de combustible. La retrollama se presenta en los combustibles con elevada

velocidad de deflagración, como el hidrogeno (ver figura 2); para atenuar este fenómeno

se adicionan gases inertes con un alto calor especifico como lo es el CO2. Por el contrario,

los problemas de desprendimiento de llama se presentan en combustibles con bajas

velocidades de deflagración o elevadas tasas de aireación.

La velocidad de deflagración laminar puede determinarse a partir de la expresión (1) [5]:

1

2

1

L

p

Sc

λω

ρ

=

(1)

Donde LS es la velocidad de deflagración laminar, ρ es la densidad de la premezcla (que

depende de la presión, la temperatura y la composición de la mezcla), λ es la

conductividad térmica (que depende de la composición y la temperatura de la mezcla pero

no de la presión), pc es el calor específico (que depende de los mismos factores que la

conductividad) y ω es la tasa de reacción (que depende de la presión, la temperatura, la

concentración de especies, el orden de la reacción y algunos parámetros cinéticos).

Debido a esto, en diferentes trabajos [3, 6, 7] se reporta una marcada dependencia de la

velocidad de deflagración laminar respecto al dosado (φ: relación entre la cantidad de

comburente estequiométrico y comburente real), la presión (lo que explica la inestabilidad

ocurrida a mayores presiones, es decir, a presiones atmosféricas al nivel del mar) [8], la

concentración de especies (inertes, comburentes, combustibles), la temperatura de la

premezcla [9] y la relación combustible-comburente.

Por ejemplo [10], para mezclas de gas natural, la velocidad de deflagración laminar

resulta ser mayor en dosados cercanos a 1, o estequiométricos, y disminuye con mezclas

ricas y pobres. En el caso de mezclas de gas de síntesis, se tiene que para dosados altos,

muy superiores a 1 (mezclas ricas), se obtienen las mayores velocidades de deflagración

laminar, de igual manera que para la combustión del hidrógeno. [3]. En investigaciones

realizadas en mezclas de gas de síntesis o Syngas, también se ha encontrado un efecto

considerable en la adición de hidrogeno e inertes a la premezcla, como el dióxido de

carbono y el nitrógeno, y en el enriquecimiento del comburente con oxigeno. El hidrogeno

aumenta sensiblemente la velocidad de deflagración, así como el oxigeno. Sin embargo

los inertes producen una disminución en la misma, siendo más acentuada al añadir

dióxido de carbono, el cual posee un mayor poder calorífico. [7]. En la figura 2 se muestra

el efecto del dosado en la velocidad de deflagración de estos tres combustibles.

Figura 2. Velocidad de deflagración de diferentes combustibles en función del dosado [11,

12, 13].

Para determinar la velocidad de deflagración laminar de forma experimental se utilizan

diferentes técnicas indirectas a partir de cálculos que usan la geometría de la llama. Los

métodos más comunes se explican brevemente a continuación:

Método de la llama esférica:

Figura 3. Método de la llama esférica [1].

Una llama esférica es producida en el centro de una cámara esférica llenada con la mezcla inflamable. La velocidad de deflagración puede ser obtenida mediante

la expresión: ( )L q sq fS dR dtρ ρ= donde

qρ y sqρ son las densidades del gas

quemado y la mezcla sin quemar y fR es el

radio instantáneo de la llama. El resultado debe extrapolarse a una combustión donde la llama no se encuentre estirada.

0

50

100

150

200

250

300

350

0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5

SL

(cm

/s)

Dosado φ

Hidrógeno + Aire (Sun et al)

Syngas + aire (Li et al)

Metano + Aire (Coppens et al)

Método del quemador de ranura rectangular o método del ángulo:

Figura 4. Método del quemador [1]

Se genera una llama triangular estable en un quemador tipo Bunsen cuando una mezcla de combustible y comburente se suministra a un flujo constante con velocidad U en el puerto. Determinando el ángulo que forman los frentes de llama se calcula la velocidad de deflagración a partir

de la expresión: LS Usenθ=

Para calcular el ángulo del frente de llama en el método del quemador se utilizan equipos

ópticos y fotográficos que detectan variaciones de la densidad del gas debido a gradientes

del índice de refracción; esta técnica se denominada técnica Schlieren (ver figura 5). Una

Schlieren es una heterogeneidad óptica en un material transparente no visible por el ojo

humano. Para hallar dicho ángulo, también se utiliza la detección de la radiación

(fluorescencia) producida por radicales OH presentes en reacciones de disociación a

elevadas temperaturas (ver figura 6). Otra técnica indirecta, diferente al método del

ángulo, es el seguimiento de las trayectorias de partículas de oxido de silicio adicionadas

a la premezcla (ver figura 7). Finalmente, otras técnicas usan la medición del flujo de

calor.

Figura 5. Técnica Schlieren [3]

Figura 6. Técnica PLIF (Fluorescencia inducida por láser en 2D) [4]

Figura 7. Técnica PVT (Velocidad por seguimiento de partículas) [4]

Adicional a los métodos experimentales mencionados anteriormente, se han desarrollado

diferentes mecanismos de reacción (series de reacciones intermedias en una combustión)

que dependiendo de la mezcla combustible-comburente que se desee estudiar permiten

determinar de forma numérica la velocidad de deflagración laminar a través de software

especializado para tal fin. CHEMKIN en su subrutina PREMIX es uno de dichos

programas. Adicionalmente, este software permite calcular la temperatura de llama

adiabática que se define como la máxima temperatura de llama que se obtiene en

condiciones de combustión estequiométrica y adiabática mediante la subrutina EQUIL.

Esta variable es necesaria obtenerla como una estimación inicial del perfil de temperatura

de la subrutina PREMIX. Otras propiedades como la concentración de especies, el

espesor del frente de llama y la realización de estudios paramétricos son posibles

obtenerlas usando este software.

De acuerdo a lo mencionado anteriormente, se entiende que comprender la complejidad

del fenómeno de la combustión en función de las variables principales que lo afectan

permite diseñar equipos más eficientes y de mayor versatilidad, capaces de ser utilizados

en amplios rangos de composición tanto del combustible como del comburente y los

diluentes. Es muy importante realizar los diferentes estudios sobre la velocidad de

deflagración laminar ya que permite obtener predicciones del comportamiento de las

diferentes mezclas y ayuda a sugerir métodos para racionalizar combustibles no

renovables al adicionarle otros de consecución alternativa o que reduzcan la emisión de

agentes contaminantes.

Referencias.

[1] Carvajal, J, Estudio numérico-experimental de la velocidad de combustión laminar del

biogás y de mezclas biogás-hidrógeno, Trabajo de grado, Universidad de Antioquia,

Facultad de Ingeniería, 2010

[2] Amell A, Barraza L, Gómez E, Quemadores atmosféricos con llama de premezcla.

Universidad de Antioquia, Facultad de Ingeniería, Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas

y Uso Racional de la Energía, 1998

[3] Burbano H, Pareja J, Amell A, Laminar burning velocities and flame stability analysis of

H2/CO/air mixtures with dilution of N2 and CO2, International Journal of Hydrogen Energy,

36 (2011), pp: 3232-3242

[4] Ogami Y, Kobayashi H, A study of Laminar Burning Velocity for H2/O2/He Premixed

Flame at High Pressure and High Temperature, The 6th ASME JSME Thermal

Engineering Joint Conference, March 16-20, 2003.

[5] Chomiak, J, Combustion, A study in theory: Fact and Application, Gordon and Breach

Science Publisher S.A., New York, 1990, p. 464

[6] Pareja J, Burbano H, Amell A, Carvajal J, Laminar burning velocities and flame stability

analysis of hydrogen/air premixed flames at low pressure, International Journal of

Hydrogen Energy, 36 (2011), pp: 6317-6324.

[7] Burbano H, Pareja J, Amell A, Laminar burning velocities and flame stability analysis of

syngas mixtures at sub-atmospheric pressures, International Journal of Hydrogen Energy,

36 (2011), pp: 3243-3252

[8] Amell, A, Influence of altitude on the height of blue cone in a premixed flame, Applied

Thermal Engineering 27 (2007) 408–412

[9] Natarajan T, Lieuwen J, Seitzman, Laminar flame speeds of syntetic gas mixtures,

Proceedings of GT2005, ASME Turbo Expo 2005: Power for Land, Sea and Air, June 6-9,

25, Reno-Tahoe, Nevada, USA

[10] Amell, Andrés, Fenómenos de combustión en llamas de premezcla, Grupo de Ciencia

y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía, GASURE, Facultad de Ingeniería,

Universidad de Antioquia, 2009.

[11] Sun CJ, Sung CJ, He L, Law CK, Dynamics of weakly stretched flames: quantitative

description and extraction of global flame parameters, Combust flame, 1999, 118 (1-2),

pp:108-128

[12] Li J, Zhao, Z, Kazakov M, Dryer FL, Scire JJ, A comprehensive kinetic mechanism for

CO, CH2O and CH3OH combustion, Int J Chem Kinet, 2007, 39, (3), pp:109-136

[13] Coppens, F, De Ruyck, Konnov, A, Effects of hydrogen enrichment on adiabatic

burning velocity and NO formation in methane + air flames. Experimental Thermal and

Fluid Science, 2007, 31, (5), pp: 437-444