Análisis de la influencia de la distribución del aire en el comportamiento de la llama y las emisiones de NOx en quemadores estabilizados por turbulencia en condiciones atmosféricas

Abstract

[ES] Este estudio experimental evalúa la estabilización de la llama, la topología y las emisiones contaminantes de un quemador premezclado estabilizado por turbulencia en condiciones atmosféricas. El quemador está diseñado para acomodar dos corrientes de entrada distintas: una corriente de aire arremolinada y una mezcla de aire y combustible sin arremolinamiento, que convergen en una cámara de mezcla. Esta configuración permite el ajuste de la distribución de la masa de aire entre las corrientes turbulentas y no turbulentas, lo que facilita la producción de varios números de turbulencias y estratificaciones de la mezcla de aire y combustible dentro de la cámara. Un tubo central sirve como bluff body para ayudar en la estabilización de la llama. Los diagnósticos experimentales empleados incluyen la visualización de la llama a alta velocidad mediante quimioluminiscencia OH* y mediciones de contaminantes NOx a la salida del quemador. El estudio realiza un análisis comparativo utilizando como combustibles hidrógeno en condiciones pobres y metano en una amplia gama de relaciones aire-combustible, explorando una variedad de condiciones operativas para determinar los límites de apagado por soplado en mezcla pobre para cada combustible. Los resultados indican que el límite de apagado por soplado para el metano está significativamente influenciado por la distribución del aire entre las corrientes turbulentas y no turbulentas. Por otro lado, la distribución del aire influye predominantemente en las emisiones de NOx cuando se quema hidrógeno. El estudio también revela diferencias en el despegue, el ancho y la quimioluminiscencia de la zona de reacción de la llama en varios entornos operativos. Los hallazgos subrayan el papel de la distribución de la masa de aire en la optimización de la estabilización de la llama y el comportamiento de las emisiones, lo que permite comprender la compleja dinámica involucrada en los procesos de combustión estabilizados por remolino.

[EN] This experimental study evaluates flame stabilization, topology, and pollutant emissions from a swirl-stabilized premixed burner under atmospheric conditions. The burner is designed to accommodate two distinct inlet streams: a swirling air stream and a non-swirling fuel-air mixture, which converge in a mixing chamber. This configuration allows for the adjustment of air mass distribution between the swirling and non-swirling streams, facilitating the production of various swirl numbers and fuel-air mixture stratifications within the chamber. A central tube serves as a bluff body to aid in flame stabilization. The experimental diagnostics employed include high-speed flame visualization using OH* chemiluminescence and NOx pollutant measurements at the burner's outlet. The study conducts a comparative analysis using, as fuels, hydrogen at lean conditions and methane in a wide range of Air-fuel ratios, exploring a range of operational conditions to determine the lean blow-off limits for each fuel. Results indicate that the lean blow-off limit for methane is significantly influenced by the distribution of air between the swirling and non-swirling streams. In contrast, the air distribution predominantly affects NOx emissions when burning hydrogen. The study also reveals differences in flame lift-off, width, and reaction zone chemiluminescence across various operational settings. The findings underscore the role of air mass distribution in optimizing flame stabilization and emissions behavior, which give an understanding of the complex dynamics involved in swirl-stabilized combustion processes.