Determinación Experimental de la Temperatura y la Fracción en Volumen de Hollín en una Llama de Difusión Laminar, por Medio de Absorción/Emisión Modulada

Abstract

Este estudio tiene como propósito entender el fenómeno de la producción de partículas de hollín en la combustión de una llama de difusión, centrándose principalmente en el estudio de la combustión de gas obtenido de la pirólisis de biomasa vegetal sólida. Como parte de la técnica experimental se implementó un banco experimental que permita la evaluación de estas características en una llama de difusión laminar generada a partir de etileno y aire con distintas concentraciones de oxígeno, en un quemador axisimétrico tipo Guelder.

Como antecedente, puede decirse que el hollín es uno de los principales contaminantes que se generan en el proceso de combustión y además, una de las principales fuentes de radiación de la llama. Complementariamente, este mecanismo de transferencia de calor tiene directa relación con la estructura de la llama y actualmente se piensa que es el responsable del fenómeno de extinción de llama (Quenching).

Se realizaron mediciones que permiten obtener la distribución local de la temperatura y la fracción en volumen de hollín mediante la aplicación de la técnica de diagnóstico no intrusiva MAE (Modulated Absorption/Emission), utilizando longitudes de onda en el rango visible. En el caso de la temperatura, se realizó una evaluación indirecta de ésta a partir de la medición de la intensidad de la radiación del hollín a dos longitudes de onda distintas. La fracción en volumen de hollín se evaluó en base a las mediciones en una longitud de onda.

Se encontró que la temperatura de la llama aumenta de manera proporcional con el contenido de oxígeno en el aire, para un mismo flujo de combustible. De los campos y perfiles de temperatura obtenidos, es posible identificar las zonas de máxima temperatura en la llama y ubicarlas en la zona central de ésta.

Con respecto a la fracción en volumen de hollín, esta también aumenta con proporcionalmente con el contenido de oxígeno en el oxidante, encontrándose además que los máximos locales en cada nivel están correlacionados positivamente con las temperaturas máximas alcanzadas. De manera general, se encontró que las mayores concentraciones de hollín en la zona basal de la llama se ubican en los costados de ésta, mientras que en la zona central y superior de ésta las zonas de mayor concentración se ubican en el centro de la llama con respecto al eje de simetría.

En conclusión, se encontró que la cantidad de oxígeno en el aire juega un rol importante en la temperatura de la llama y la fracción en volumen de hollín producida por ésta. Se encontró una proporcionalidad directa entre el porcentaje de oxígeno y la temperatura y fracción en volumen de hollín. Más aún, la existencia de una correlación entre los máximos de temperatura y los de fracción en volumen de hollín revalida la afirmación hecha en los antecedentes donde se señala al hollín como una de las grandes fuentes de radiación de la llama. Con respecto a la técnica, se demostró su efectividad como método de diagnóstico rápido y preciso, no siendo necesario en este caso, dada la estabilidad de la llama, una modulación a altas frecuencias.