4 STATE OF ART: APPLICATION OF COMPUTATIONAL DESIGN IN A BIM
4.3 Stage 3: Spatial Coordination
Para cada prueba experimental, la Tabla A.2 del Apéndice A, muestra a detalle los valores obtenidos del diámetro aerodinámico equivalente (DAE), del porcentaje en peso de las partículas colectadas y del porcentaje acumulado resultantes en cada etapa del impactor de cascada. De acuerdo con la Figura 4.1, el tamaño de las partículas emitidas por las emulsiones fue menor a las de línea base. En partículas con DAE menor a 21.6 µm, la proporción de línea base es de 34.5%, con la emulsión del smx-1 es de 74%, las emulsiones de los mezcladores smx-2 y 3 presentan una porción de más del 60%, y la emulsión del smx-4 de 54%.
En congruencia con lo reportado en la literatura [Goldstein & Siegmund (1977), Taylor & Hall (1981)], se advierte un gran incremento en la fracción de las partículas con DAE menor a 1 µm. Para este tamaño de partícula, la proporción en línea base fue de 26.7%, de 43% en la emulsión del smx-1, de 40% en las partículas de las emulsiones de los mezcladores smx-2 y 3, y en las partículas de la emulsión del smx-4 la proporción correspondiente fue de 34.8%.
Es importante notar que la masa de partículas con DAE menor a 1 µm en la prueba de línea base asciende a 48.8 mg m-3std, a 44.7 mg m-3std con la emulsión del smx-1, a 48.0 mg m-3std con las
emulsiones de los mezcladores 2 y 3, y a 47.7 mg m-3std con la emulsión del smx-4, es decir, la masa
de partículas pequeñas varió muy poco en la combustión de las emulsiones con respecto a la línea base, aún cuando el porcentaje correspondiente se incremento con éstas. Resultados similares fueron obtenidos en otra investigación [Taylor & Hall (1981)].
Con respecto a las partículas con DAE menor a 0.32 µm, el incremento también es notable, ya que en la prueba de línea base se obtuvo una proporción de 23.6%, con la emulsión del smx-1 la fracción fue de más de 33%, en las emulsiones de los mezcladores la proporción, en promedio, alcanzó más del 32%, y fue de 29% con la emulsión del smx-4.
En cuanto al efecto de la DTGA en la DTP, se observa que la disminución en el tamaño de la partícula es mayor, cuanto mayor es la proporción volumétrica de las gotas de agua de la emulsión en el rango de 2 a 5 µm. Así, las partículas producidas por la emulsión del smx-1, que tiene la más alta proporción volumétrica en este rango (64%), son las más pequeñas, como ya se anotó. Por el contrario, la emulsión del smx-4, que tuvo la menor proporción en volumen correspondiente,
produjo las partículas más grandes en las pruebas con emulsiones, aunque en todos los casos, las partículas fueron más pequeñas que las de línea base.
Las emulsiones de los mezcladores smx-2 y 3, que tienen una DTGA por volumen muy semejante, y emitieron la misma cantidad de PST, produjeron partículas cuya DTP es similar, como puede observarse en la Figura 4.1.
Las Fotografías 4.9 a 4.16, que tienen indicada como referencia una escala de 50 µm, muestran, a 200 aumentos, cenósferas colectadas durante las pruebas de línea base y emulsiones, en la segunda y cuarta etapas del impactor de cascada. En las cenósferas aquí mostradas por etapa, se aprecia una variedad de partículas que difieren en tamaño, lo cual no es sorprendente ya que el impactor de cascada fracciona las partículas basándose en sus propiedades aerodinámicas, no geométricas, ut
supra se explicó.
Las partículas colectadas en la segunda y cuarta etapa del impactor de cascada en todas las pruebas experimentales, tuvieron, en promedio, un DAE de 12.89 µm y 3.09 µm, respectivamente. En la segunda etapa, las partículas de mayor tamaño fueron las de línea base (Fotografía 4.9), con diámetros que varían aproximadamente de 20 a 40 µm. Por el contrario, las cenósferas de menor tamaño en esta etapa, fueron las de la emulsión del smx-1 (Fotografía 4.10), donde la mayor parte de ellas fueron menores a 20 µm, con una gran cantidad de partículas con tamaño aproximado de 10 µm y menores.
Las cenósferas producidas por las emulsiones de los mezcladores smx-2 (Fotografía 4.11) y smx-4 (Fotografía 4.15) colectadas en la segunda etapa del impactor, se observan en tamaño muy similares entre sí. Presentan una proporción importante de partículas menores a 20 µm y algunas mayores a 30 µm. La Fotografía 4.12 muestra cenósferas en esta etapa de la emulsión del smx-3, las cuales, son parecidas a las de línea base en tamaño, aunque un poco más pequeñas. Su tamaño promedio es de aproximadamente 30 µm, con una fracción considerable de partículas menores a 20 µm.
Las Fotografías 4.13 y 4.14, muestran cenósferas colectadas en la cuarta etapa del impactor de cascada, durante las pruebas de las emulsiones de los mezcladores smx-1 y 3, respectivamente. En ambos casos, hay una porción incontable de cenósferas menores a 10 µm, pero, a diferencia de las
partículas de la emulsión del smx-3 que se muestran de un tamaño más uniforme, en el primer caso se encuentran de manera esporádica partículas de diámetro mayor a 25 µm.
Debido a que la morfología de las cenósferas colectadas en el impactor de cascada, no es distinguible con exactitud en las fotografías correspondientes, su interpretación sería bastante imprecisa. Sin embargo, en términos cualitativos las imágenes obtenidas son consistentes con el cálculo aerodinámico, i. e., al incrementar el número de la etapa, el tamaño de las cenósferas disminuyó.
En lo referente al contenido de carbono, la Tabla 4.10 muestra resultados de los análisis semicuantitativos realizados en partículas colectadas en las diferentes etapas del impactor de cascada. En congruencia con la emisión de PST y los análisis de morfología y tamaño de las cenósferas de cada prueba, las partículas de línea base muestran el mayor contenido de carbono en comparación con las de emulsiones. Se observa una tendencia de decremento en el contenido de carbono de una etapa del impactor a la siguiente, es decir, las partículas más pequeñas presentaron una concentración menor de este elemento.
5.6 Flujo de calor incidente total
En la Tabla A.3 del Apéndice A, se presentan los valores obtenidos en las mediciones del flujo de calor en cada prueba experimental. Las Figuras 4.2 a 4.5, muestran que el flujo de calor incidente total sobre la pared de la cámara de combustión se incrementó con las emulsiones en la zona cercana al quemador. Con respecto a la línea base, el aumento promedio en el flujo de calor fue de 4% con la emulsión del smx-1, de 5% con las emulsiones de los mezcladores 2 y 3, y de 6% con la emulsión del smx-4. En partes lejanas al quemador no se percibe ningún efecto de consideración, a excepción de la emulsión del smx-4, donde el flujo de calor en la última zona de flama fue menor en 7% al de línea base.
En la Tabla A.4 del apéndice A se reportan para cada prueba, la temperatura de la cámara de combustión y las temperaturas de pared registradas con cuatro termopares instalados en la misma. En esta tabla se puede observar que la temperatura de la pared aumentó en las zonas cercanas al quemador con la combustión de las emulsiones. Este aumento puede ser una consecuencia de los efectos siguientes [Jahani & Gollahalli (1980)]:
1. El fenómeno de la atomización secundaria (microexplosiones) provocado por el agua, promueve el mezclado y las reacciones exotérmicas de oxidación, lo que a la vez resulta en una reducción de las reacciones endotérmicas de pirólisis, y
2. El agua probablemente incrementa los radicales hidroxilo (OH°), los cuales, fomentan la oxidación exotérmica de las especies precursoras del hollín.
El segundo de los efectos mencionados, explica también porqué las flamas de las emulsiones fueron más claras que la de línea base, ya que al reducir la concentración de hollín la emisividad de la flama disminuye.
Si bien la energía radiante de la flama disminuye cuando se reduce su emisividad, el flujo de calor total que involucra los flujos de calor por radiación principalmente, y por convección, aumenta en la combustión de emulsiones. Lo anterior está relacionado probablemente con el primero de los efectos descritos, el cual, refiere un aumento en la velocidad de reacción que deriva en una combustión más intensa en la zona inmediata al quemador, con el consecuente incremento en la liberación de energía.
En esta investigación, y para los parámetros de operación de la cámara de combustión listados en la Tabla 4.3, se concluye que:
1. El beneficio mayor en la reducción de la emisión de PST se logró con las emulsiones que contenían una cantidad mayor de agua distribuida en gotas de 2 a 5 µm. En la emulsión preparada con el mezclador estático smx-1, la proporción volumétrica de gotas de agua de este tamaño fue de 64%, y redujo 43% la emisión de PST con respecto a la obtenida en línea base (solo combustóleo). En las emulsiones de los mezcladores smx-2 y 3, las proporciones volumétricas en el rango de 2 a 5 µm fueron 55% y 52%, respectivamente, reduciendo en 34% la emisión de PST. La emulsión del mezclador smx-4 presentó una proporción volumétrica correspondiente de 28%, y redujo la emisión de PST en 25%.
2. La Distribución de tamaño de PST mostró un incremento considerable de partículas con diámetro aerodinámico equivalente (DAE) menor a 1 µm en la combustión de emulsiones. En la prueba de línea base, el 26.7% de las partículas tuvieron el DAE mencionado, la proporción correspondiente en la emulsión del mezclador estático smx-1 fue de 43.0%, en las emulsiones de los mezcladores smx-2 y 3 fue de 40.0%, y de 34.8% en la emulsión del smx-4.
3. Los análisis de morfología, tamaño de partícula y contenido de carbono, realizados a muestras colectadas durante la medición de PST en diferentes pruebas experimentales, indican que la reducción en la emisión de PST producida por las emulsiones, se debe a un mayor consumo de carbono durante la combustión. Las partículas de línea base fueron de un tamaño aproximado de 60 µm y un contenido de carbono de 67.7% en peso. La emulsión del smx-1 produjo las partículas más pequeñas (10 µm), registrando un contenido de carbono de 29.2%. Las partículas de la emulsión del smx-2 fueron de un tamaño promedio de 15 µm con un contenido de carbono de 37.8%.
4. El flujo de calor incidente total promedio en la pared de la cámara de combustión fue de 406 kW
m-2 en la prueba de línea base; se incrementó 4% con la emulsión del smx-1, 5% con las
flujo de calor en la cámara de combustión ocurrió principalmente en la zona cercana al quemador.
5. El efecto de la atomización secundaria del combustóleo fue evidente debido a que cambió la DTP, mostrando una reducción en el tamaño de las mismas; el aumento de la temperatura de pared y del flujo de calor incidente total en la cámara de combustión, también son una consecuencia de este fenómeno.
RECOMENDACIONES
• Investigar el efecto de las emulsiones agua en combustóleo en otras emisiones, principalmente en los hidrocarburos no quemados, en la opacidad de los gases en la chimenea y en la visibilidad de los mismos.
• Realizar pruebas experimentales de emulsiones agua en combustóleo en combinación con catalizadores que aceleren las reacciones de oxidación del carbono, con el fin de mejorar la combustión de combustibles muy viscosos.
• Desarrollar un modelo matemático en función del diámetro de las gotas de combustible y agua, y del contenido de ésta, para predecir la relación óptima entre ambos diámetros que produzca la mayor intensidad posible en la atomización secundaria.
• Evaluar experimentalmente la relación de diámetros de gota combustible/agua, variando el primero y manteniendo constante el segundo.
• Estudiar con más detalle el efecto de las emulsiones en la variación de la masa de las partículas pequeñas (DAE menor a 1 µm).
• Implementar un procedimiento de muestreo de partículas en la zona inmediata a la cámara de combustión del horno experimental piloto del I.I.E., para colectar muestra suficiente y poder realizar análisis completos de composición de las partículas.
• Para mejorar la técnica de muestreo de partículas con el impactor de cascada fuera de chimenea, se recomienda construir un sistema de calefacción ad hoc que provea un control y monitoreo precisos de temperatura en el impactor, con el fin de lograr condiciones térmicas estables durante el ejercicio del mismo.
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