Caracterización del atomizado de etanol y propano en inyectores tipo y mediante solidworks flow simulation

Abstract

En la actualidad, nuestro país es consumidor principalmente de combustibles derivados del petróleo, sin embargo existen un gran potencial para elaborar combustibles alternativos, tales como el etanol, el cual proviene de la caña de azúcar, almidón de papa y del maíz. Para ello se necesita de investigaciones de carácter científico, para poder brindar un soporte ingenieril, a los futuros inyectores tipo Y que se usarán en los procesos involucrados en la combustión de estos nuevos combustibles. La inyección de hidrocarburos es una etapa importante en la combustión, donde está involucrado el proceso de atomización, el cual consiste en desintegrar en pequeñas gotas, el combustible, por un inyector para así agregar mayor área de transferencia. El tamaño de gotas generadas por el inyector debe de ser menores a 80 μm para que pueda asegurarse así una buena combustión y evitar los contaminantes como el CO y NOx. En esta investigación se trabajó con etanol y propano, hidrocarburos alternativos de poca emisión. Este tipo de estudio precisa de ser teórico y experimental, siendo la simulación una gran herramienta para sustituir el segundo. Por lo cual se usó el método de elementos finitos incluido en el paquete Flow Simulation del Software Solidworks, donde se esbozó un inyector tipo Y de 5kW según la metodología de Mullinger y Chigier para calcular las medidas y parámetros a los cuales se evaluó. Para el cálculo de los parámetros se consideró, que el gas de atomización (aire) se encontraba en condiciones críticas y que el número de Mach es 1. De lo aplicado en la metodología se obtuvieron las medidas que caracterizan al inyector; por lo que el inyector fue diseñado para operar con 0,0001851 kg/s de combustible, con un ducto de combustible y de gas de atomización de 0,2 mm. Los resultados revelaron que el atomizador tiene una capacidad de suministro combustible bajo tasas de 0,15 a 0,48 g / s, utilizando una presión de inyección en el rango de 150 hasta 500 kPa absolutos para el etanol y para el propano un suministro de combustible bajo tasa de 0,14 a 1,41 g/s, utilizando el mismo rango de presión que el etanol. Además la velocidad máxima dentro del inyector es el orden de 110 m/s y el número de Mach alcanzado menor de 0,35 , lo cual demuestra que no es posible alcanzar un régimen sónico dentro del inyector. Finalmente fueron evaluados los datos obtenidos de simular los combustibles junto con el aire. La ecuación que ayudo en este proceso fue la de Wigg, la cual permitió obtener los diámetros medios másicos de gotas de los combustibles, plasmando estos gráficos junto a variables como el GLR, flujos másicos de combustibles y presión de inyección.