Case II Combustin en Turbinas a Gas

Clase IIICombustin en Turbinas a Gas

CombustibleTemperatura de la llama (K)34.2244017.222472.462350Etanol C2H69.02310kerosene C12H2314.72280Propano C3H615.62290

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 ()34.20.1-7.1417.20.53-1.672.460.34-6.8Etanol9.00.41-2.8Querosn14.70.50-2.2Propano15.60.53-2.7

Existen 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