Estudio de los efectos del índice de oxígeno sobre las propiedades de una llama de difusión laminar inversa

Abstract

El objetivo principal del presente estudio es analizar de manera cuantitativa los efectos del índice de oxígeno (OI) en una llama de difusión laminar inversa de etileno, en términos de la producción de hollín, su temperatura, la radiación emitida por la llama y su altura. El OI se define como la fracción molar de oxígeno en el flujo de oxidante y fue variado desde 17% hasta 37%. Para el estudio se escogió un flujo de combustible constante de 2.7 slpm y de aire de 2.2 slpm donde los cambios en el OI se consiguieron dopando aire del laboratorio con oxígeno para OI>21% y con nitrógeno para OI<21%. La altura de la llama se midió mediante la emisión espontánea de radicales CH* y se encontró que la altura de la zona de reacción disminuye a medida que el OI aumenta, a diferencia de la altura de la zona luminosa que aumenta debido a que el hollín continúa formándose más allá de la zona de reacción. Los perfiles radiales de fracción en volumen y temperatura de hollín fueron calculados en base a la metodología de Absorción y Emisión Modulada (MAE) a través de un posterior proceso de deconvolución y regularización. A medida que el OI se incrementa, la fracción en volumen de hollín aumenta debido a que los procesos de formación del hollín se ven favorecidos y continúan por sobre la altura de la zona de reacción de la llama, dadas las condiciones de temperatura. Sin embargo los procesos de oxidación no parecen verse afectados de manera apreciable para las condiciones estudiadas. Por lo anterior se producen mayores cantidades locales de hollín, alcanzando 3.5 ppm para OI de 37%, y también globales, cuantificadas a través de la fracción en volumen integrada con valores máximos de 3 (x 10^{-10} m^2). Por lo mismo, debido a que la cantidad de hollín y la transferencia de calor por radiación están relacionadas, la potencia radiativa de la llama se ve aumentada a medida que crece el OI. Comparando llamas normales e inversas de geometría y energía emitida similar, se puede observar que la cantidad total de hollín generada en una llama inversa es menor que en llamas normales, acentuándose la diferencia en condiciones cercanas a las ambientales. Además, el calor liberado por radiación es menor en llamas inversas para condiciones de OI bajo. Por último, la influencia del OI sobre la altura de la zona de reacción de la llama es mucho mayor en llamas normales, donde la disminución fue de un 50% comparado con un 10% en llamas inversas.