Estudio experimental del proceso de inyección de amoniaco a alta presión para sistemas propulsivos sostenibles

Abstract

[ES] El amoníaco tiene un gran potencial en la descarbonización del transporte, especialmente en sectores donde la electrificación a corto plazo no es posible (transporte pesado, marítimo o aéreo). La industria y la comunidad científica están colaborando en trabajos de investigación para el desarrollo de sistemas de propulsión sostenibles alimentados con amoníaco. El presente Trabajo Fin de Grado forma parte de las actividades (paquetes de trabajo) del proyecto TED– Digiammonia, financiado por la Agencia Estatal de Investigación. El objetivo es caracterizar el proceso de inyección con este tipo de combustible. Las propiedades físicas y químicas del amoníaco son diferentes a las de un combustible fósil convencional, afectando al proceso de inyección (atomización y mezcla). Para la realización del trabajo se dispone de una instalación experimental para caracterizar la inyección a través de la medida del flujo de la cantidad de movimiento. Dicha instalación fue diseñada para trabajar con combustibles convencionales y en este proyecto se han realizado los cambios pertinentes para poder utilizar el amoníaco. El sistema se ha caracterizado para diferentes condiciones de operación: varios niveles de presión de inyección, contrapresión y diámetros de toberas. Los resultados obtenidos se han comparado con el combustible de referencia, y se ha observado que el sistema de inyección es estable para un rango de presiones desde 450 a 800 [bar] y operando a bajas temperaturas (16º C). Se ha demostrado con datos experimentales que la rampa de apertura de la inyección es más lenta cuando se usa amoníaco, y la duración es más corta. Estos resultados son los primeros reportados en la literatura y servirán como información relevante para el análisis de la evolución de los chorros y como condiciones de contorno para futuros modelos computacionales 3D. Finalmente, a lo largo de este proyecto se ha estudiado la viabilidad y las ventajas del uso de amoníaco como combustible en sistemas de propulsión sostenible, en el contexto de los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) de la Agenda 2030 de las Naciones Unidas, en particular el ODS 7 (Energía Asequible y No Contaminante) y el ODS 13 (Acción por el Clima).

[EN] Ammonia has great potential in the decarbonisation of transport, especially in sectors where short-term electrification is not possible (heavy transport, maritime or air). Industry and the scientific community are collaborating in research work for the development of sustainable propulsion systems fuelled by ammonia. This Final Degree Project is part of the activities (work packages) of the TED– Digiammonia project, funded by the State Research Agency. The objective is to characterise the injection process with this type of fuel. The physical and chemical properties of ammonia are different from those of a conventional fossil fuel, affecting the injection process (atomisation and mixing). To carry out this work, an experimental facility is available to characterise the injection by measuring the flow of the momentum. This facility was designed to work with conventional fuels and in this project the relevant changes have been made to be able to use ammonia. The system has been characterized for different operating conditions: various injection pressure levels, back pressure and nozzle diameters. The results obtained have been compared with the reference fuel, and it has been observed that the injection system is stable for a pressure range from 450 to 800 [bar] and operating at low temperatures (16º C). It has been demonstrated with experimental data that the injection opening ramp is slower when ammonia is used, and the duration is shorter. These results are the first reported in the literature and will serve as relevant information for the analysis of jet evolution and as boundary conditions for future 3D computational models. Finally, throughout this project, the feasibility and advantages of using ammonia as a fuel in sustainable propulsion systems have been studied, in the context of the Sustainable Development Goals (SDG) of the United Nations 2030 Agenda, in particular SDG 7 (Affordable and Clean Energy) and SDG 13 (Climate Action).

[CA] L'amoníac té un gran potencial en la descarbonització del transport, sobretot en sectors on no és possible l'electrificació a curt termini (transport pesat, marítim o aeri). La indústria i la comunitat científica col·laboren en treballs de recerca per al desenvolupament de sistemes de propulsió sostenibles alimentats amb amoníac. Aquest Treball Final de Grau forma part de les activitats (paquets de treball) del projecte TED– Digiammonia, finançat per l'Agència Estatal de Recerca. L'objectiu és caracteritzar el procés d'injecció amb aquest tipus de combustible. Les propietats físiques i químiques de l'amoníac són diferents de les d'un combustible fòssil convencional, afectant el procés d'injecció (atomització i mescla). Per dur a terme aquest treball, es disposa d'una instal·lació experimental per caracteritzar la injecció mitjançant la mesura del flux de l'impuls. Aquesta instal·lació va ser dissenyada per funcionar amb combustibles convencionals i en aquest projecte s'han fet els canvis pertinents per poder utilitzar amoníac. El sistema s'ha caracteritzat per a diferents condicions de funcionament: diferents nivells de pressió d'injecció, contrapressió i diàmetres de broquet. Els resultats obtinguts s'han comparat amb el combustible de referència, i s'ha observat que el sistema d'injecció és estable en un rang de pressió de 450 a 800 [bar] i funciona a baixes temperatures (16º C). Amb dades experimentals s'ha demostrat que la rampa d'obertura de la injecció és més lenta quan s'utilitza amoníac i la durada és més curta. Aquests resultats són els primers reportats a la literatura i serviran com a informació rellevant per a l'anàlisi de l'evolució del raig i com a condicions límit per a futurs models computacionals 3D. Finalment, al llarg d'aquest projecte, s'ha estudiat la viabilitat i els avantatges d'utilitzar l'amoníac com a combustible en sistemes de propulsió sostenibles, en el context dels Objectius de Desenvolupament Sostenible (ODS) de l'Agenda 2030 de les Nacions Unides, en particular l'ODS 7 (Assequible i Net). Energia) i l'ODS 13 (Acció pel Clima).