ESTUDIO DE LA VAPORIZACIÓN Y COMBUSTIÓN SUPERCRÍTICA Y TRANSCRITICA DE GOTAS DE COMBUSTIBLES
LIQUIDOS .
Autor: ARIAS ZUGASTI MANUEL.
Año: 1999.
Universidad: NACIONAL DE EDUCACION A DISTANCIA.
Centro de lectura: CIENCIAS.
Centro de realización: UNED-FACULTAD DE CIENCIAS.
Resumen: En la presente Tesis Doctoral se ha llevado a cabo un estudio teórico sobre la vaporización y combustión de gotas, válido tanto en condiciones subcríticas como supercríticas. El modelo que se ha llevado a cabo
conecta las teorias existentes sobre vaporización de gotas, validos a presiones muy inferiores o muy superiores a la presión critica. El modelo teórico elaborado en el presente trabajo de Tesis Doctoral se construye a partir de los modelos teoricos
existentes hasta la fecha, los cuales son generalizados para incluir dentro del estudio los regímenes de vaporización y combustión que se encuentran en condiciones próximas al punto crítico. El modelo se basa en un conjunto relativamente amplio de
observaciones experimentales y calculos numéricos publicados durante los últimos 30 años por los principales equipos de investigación dedicados a este tema. Dichos resultados experimentales y numéricos han sido interpretados a la luz del
comportamiento cualitativo que se deduce de la ecuación de estado de van der Waals, asi como de las leyes de dependencia de las propiedades de transporte con las variables termodinámicas del problema. No obstante, el modelo es independiente de la
ecuación de estado en concreto, y por tanto es aplicable en casos reales de interes tecnologico, en los que resulta más conveniente usar ecuaciones de estado más exactas que la de van der Waals.
La vaporización de gotas a presiones subcríticas,y lejos del punto crítico esta satisfactoriamente descrita en la bibliografia, mediante una modelo en el que se considera la fase líquida como una fase de difusión inestacionaria, en contacto con
la fase gas, la cual es convectivo-difusiva cuasiestacionaria debido a que el tiempo caracteristico de evolución en la fase gas es despreciable frente al tiempo de evolución en la fase liquida. Por otra parte, el proceso de gasificación a presiones
muy altas comparadas con la crítica tambien está explicado de manera satisfactoria en la bibliografia. En este caso, el transporte convectivo es despreciable frente al difusivo tanto en el paquete supercrítico como en su entorno, y el proceso de
gasificación es asimilable a un proceso de difusión inestacionaria.
El estudio realizado se inicia con un analisis cualitativo en el que se compara el orden de magnitud del transporte convectivo frente al difusivo en condiciones supercriticas (Capìtulo 2). De este analisis se deduce que para presiones
supercriticas moderadas( en torno a 4 veces la presion critica), temperaturas ambiente elevadas y temperaturas iniciales del paquete supercritico bajas, existen todavia 2 regiones bien diferenciadas, de manera analoga a como sucedía en el caso
subcritico. A presiones mayores que el limite mencionado, el termino convectivo producido por la expansión termica del paquete frio, se hace paulatinamente más pequeño, dando paso a un comportamiento caracterizado por difusión inestacionaria,
enlazando de esta manera con las teorias de vaporizacion existentes validas a presiones muy superiores a la critica. A continuación se analiza la importancia del termino inestacionario frente a los terminos de convección y difusión en condiciones
supercriticas(Capitulo 3). Análogamente el resultado anterior, se encuentra que para presiones supercriticas moderadas, temperaturas iniciales del paquete frio muy bajas y temperaturas ambiente muy elevadas, el termino inestacionario en la fase tipo
gas es despreciable frente a los terminos de convección y difusión. En estas condiciones los modelos teoricos existentes, validos en condiciones subcriticas pueden ser generalizados, a fin de hacerlos válidos en condiciones supercriticas. Para ello
es necesario tener en cuenta que el transitorio de calentamiento de la fase tipo liquido en condiciones supercriticas se extiende durante todo el proceso de vaporización. Dicha generalización, basada en el estado cuasiestacionario alcanzado por la
fase tipo gas, se lleva a cabo en el Capitulo 4. En el Capitulo 5 se calculan los regimenes de vaporización que pueden encontrarse tanto en el caso de vaporización como en el de combustión. A continuacion, en el Capitulo 6 se analiza el efecto del
comportamiento anómalo de diversas propiedades de transporte en torno al punto crítico, así como la posible influencia del efecto del calentamiento adiabático (consecuencia de la divergencia critica del coeficiente de expansion termica) observado en
la proximidad del punto critico, llamado Efecto Pistón. A este respecto se encuentra que los efectos producidos por la fenomenología caracteristica del punto critico en el proceso de vaporización de gotas no es demasiado importante. Concretamente,
se encuentra que la variación relativa del tiempo de vaporización, debida a los fenómenos criticos, es de un 10% aproximadamente. Por otra parte, se observa que el Efecto Pistón, de importancia capital en procesos de calentamiento
adiabático(consecuencia de la divergencia critica del coeficiente de expansión termica) observado en la proximidad del punto critico, llamado Efecto Piston. A este respecto se encuentra que los efectos producidos por la fenomenología característica
del punto critico en el proceso de vaporización de gotas no es demasiado importante. Concretamente, se encuentra que la variación relativa del tiempo de vaporización, debida a los fenómenos criticos, es de un 10% aproximadamente. Por otra parte,
se observa que el caso de vaporización de gotas no confinadas, esto se debe a que, al no estar confinado el fluido, el efecto del calentamiento se traduce en un intenso flujo de Stefan, que al no encontrar ningún obstáculo, no produce la onda de
presión responsable del calentamiento adiabático observado en condiciones de volumen constante. Por último, las principales conclusiones del trabajo se presentan en el Capitulo 7.
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