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Case II Combustin en Turbinas a Gas
Clase IIICombustin en Turbinas a Gas
Thermoqumica RAC and Relacin estequiomtrica
Temperatura de flama adiabtica
Incremento de temperatura de una mezcla aire propano (- - - = se suprime la disociacin)
Cintica qumica de la reaccin
Reaccin global:
Coeficiente de tasa global derivado de experimentos
Cintica qumica
Cintica qumica
Global
Cadenas de reaccin elemental
Iniciacin:
Propagacin:
Inhibicin:
Culminacin:
Ejemplo
: 14 reacciones
:325 reacciones/ 53 especies
Reducido: :8 reacciones (ASME JEGTP, Vol. 130, Mayo 2008)
Tipos de Llama (segn la mezcla)
Llama laminar premezclada
Llama turbulenta premezclada
Llama laminar difusiva
Llama turbulenta difusiva
Tipos de LlamaLlama laminar premezclada
Donde ; y
Longitud de la zona de llama
Cdigo CHEMKIN
Variacin de (Metano-aire)
Temperatura (K):
Presin (atm):
donde x=0.10.5
Variacin de (Metano-aire)
afecta a , es mximo para una condicin rica en combustible (5%) y cae a cada lado del valor estequiomtrico =1
Variacin de
El tipo de combustible afecta tanto a como a
Apagado por una pared fra
Apagado por una pared fra
Limites de Flamabilidad
A premixed laminar flame will propagate only within a range of mixture strengths:
Lower limit (lean limit) of flammability, < 1.
Upper limit (rich limit) of flammability, > 1.
Flammability limits are frequently quoted as percent of fuel by volume in the mixture, or as a percentage of the stoichiometric fuel requirement.
Limites de Flamabilidad
CombustibleLimite de Flamabilidad ()34.20.1-7.1417.20.53-1.672.460.34-6.8Etanol9.00.41-2.8Querosn14.70.50-2.2Propano15.60.53-2.7Existen grandes variaciones de la flamabilidad entre combustibles
Tipos de LlamaLlama turbulenta premezclada
Turbulencia
A valores del nmero de Reynolds por encima de Re critico una complicada serie de eventos ocurren lo que finalmente conduce a un cambio radical de las caractersticas del flujo.
En el estado final el comportamiento de flujo es aleatorio y catico, el movimiento es inestable incluso con condiciones limites impuestas (ej. paredes). La velocidad y todas las dems propiedades de flujo varan de forma aleatoria y catica.
Turbulencia
A partir de los remolinos grandes se generan remolinos mas pequeos en un proceso en cadena hasta lograr remolinos diminutos que son disipados por los efectos viscosos (Escala de Kolmogoroff )
Turbulencia
t
u
1
2
URMS=0.28867
Intensidad de la turbulencia
Algunas relaciones adimensionales
Algunas relaciones adimensionales
Algunas relaciones adimensionales
Velocidad de la llama Turbulenta ST
Turbulent premixed flame propagation was first investigated by Damkhler (1940).
- He identified two limiting cases based on the magnitude of the scale of turbulence as compared to the thickness of the laminar premixed flame.
- For large scale turbulence, Damkhler assumed that the interaction between a turbulent premixed flame (wrinkled flame) front and the turbulent flame front is purely kinematic.
Velocidad de la llama Turbulenta ST
Damkhler equated the mass flux through the instantaneous turbulent flame surface area AT with the mass flux through the cross-sectional area Ao. He used SL for mass flux through AT, and ST for mass flux through A.
Velocidad de la llama Turbulenta ST
Using geometric approximations, Damkhler proposed that (for large-scale, small-intensity turbulence),
U, turbulent fluctuating velocity in the unburned gas.
Velocidad de la llama Turbulenta ST
For small-scale and high-intensity turbulence, Damkhler argued that turbulence only modifies the transport between the reaction zone and the unburned gas.
Velocidad de la llama Turbulenta ST
Velocidad de la llama Turbulenta ST
Actualmente se consideran tres regiones
Regin de baja turbulencia
Regin de Turbulencia intermedia
Regin de elevada turbulencia
Llama premezclada Turbulenta
Llama premezclada metano-aire en flujo turbulento a alta presin (Tin=300K)
Tipos de LlamaLlama laminar difusiva
Llama difusiva laminar
Los productos que se forman en la superficie de la llama se difunden radialmente tanto hacia adentro como hacia afuera
La zona de reaccin qumica es estrecha
La distribucin de la temperatura de la llama presenta un forma anular hasta que se alcanza la punta de la llama.
En las regiones superiores, las fuerzas de flotacin son importantes. Como resultado, el chorro se acelera y produce una llama mas estrecha
La estreches de la llama aumenta la concentracin de combustible propiciando un mayor gradiente
Llama difusiva laminar
= Coeficiente de difusin
Llama difusiva turbulenta
La longitud de la llama es afectada por:
Dimetro inicial del c
Relacin entre la inercia del chorro y la fuerza de flotacin (Numero de Froud)
Fraccin de mezcla estequiometrica
Relacin de densidad entre el fluido en la boquilla y el fluido en el alrrededor
Llama difusiva turbulenta
Para llamas de chorro turbulento, el numero de Froude se define mediante:
Donde Tf es el aumento de la temperatura caracterstica como resultado de la combustin.
Frf < 1: La llama es dominada por la flotacin.
Frf >> 1: La llama es dominada por la inercia
Llama difusiva turbulenta
La relacin de densidades y el dimetro del chorro pueden utilizarse para representar un dimetro de inercia definido como:
La idea bsica en la definicin anterior es que dos chorros con flujos iniciales idnticos tienen campos de velocidad idnticos.
El aumento de la densidad del fluido de la boquilla produce un mismo efecto que el aumento del dimetro de la boquilla.
Llama difusiva turbulenta
Altura de llama correlacionada con el nmero de Froude.
Llama difusiva turbulenta
En la figura anterior, la longitud de llama adimensional se define como:
o:
Dos regmenes se identifican en la figura anterior: el rgimen dominado por la flotabilidad, correlacionada por:
Llama difusiva turbulenta
y una regin dominada por el impulso en donde lalongitud de la llama adimensional es constante:
L* = 23 para Frf 5
Mucha otras correlaciones estn disponibles en la literatura.La presentada anteriormente es una de las msusadas para clculos prcticos.
Llama difusiva turbulenta
Levantamiento y apagado de la llamas no premezclada
La llama de un chorro se levante desde una posicin cerca a la salida de quemador si la velocidad de salida es suficientemente alta
La altura del despegue (distancia entre la punta del quemador y la base de la llama) se incrementar con el aumentos adicionales en la velocidad hasta que la llama se apaga
En la actualidad no existe un consenso sobre lo que determina la altura del despegue.
Alargamiento de la llama turbulenta
Levantamiento y apagado de la llamas no premezclados
Tres mecanismos presentadas a continuacin son los mas aceptados en la literatura:
La velocidad del flujo local en la base de la llama se iguala a la velocidad de la llama premezclada turbulenta correspondiente a las condiciones locales en la base de la llama
La tasas de deformacin local del fluido en la base de la llama exceden la velocidad de deformacin de extincin de llamas laminares correspondientes a una condicin local el la base de la llama
El tiempo requerido para el mezclado de gases calientes con reactantes producido por el patrn de flujo es menor que el tiempo critico requerido por la reaccin qumica
Alturas de despegue del frente de llama respecto a la velocidad de salida del chorro.
Metano, Propano y Etileno
Para llamas no premezcladas de hidrocarburos con aire, Kalghatgi desarrollado la siguiente correlacin:
Alturas de despegue del frente de llama respecto a la velocidad de salida del chorro.
Para llamas no premezcladas de chorro, Kalghatgi desarrollado la siguiente correlacin:
Alturas de despegue del frente de llama respecto a la velocidad de salida del chorro.
Efecto del la pre-rotacin del fluido
Efecto del la pre-rotacin del fluido
Thermoquimica RAC and Entalpia (H)
Entalpa de formacin:
Entalpa sensible:
Entalpa de reaccin:=
Entalpa de combustin: = -
HHV: Valor calorfico superior (agua consensada)
LHV: Valor calorfico inferior (agua en forma de vapor 11 % menor a HHV)
Temperatura de flama adiabtica
=
La temperatura de flama adiabtica es afectada por , Tin, P y la composicin del aire
Parmetros tpicos de combustoresP=40 bar; Tin=900K, Velocidad =50 m/s, AFR = 35-300
Aero
Flujo de Masa:150 kg/s ; L/D= 20 cm/ 10cm; Acel: 5-95% potencia en 5 seg.; 40 % eficiente
Industriales
Quemador ALSTOM (GT24/ 26)
200=300 MW, 40% de eficiencia elctrica