Contribuciones al desarrollo de un modelo de simulación de combustión de sólidos

Resumen

En esta tesis se presentan una metodología de simulación de combustión de sólidos, mediante técnicas CFD. Se exponen varias estrategias de resolución con distintos grados de complejidad. Las técnicas CFD están ampliamente desarrolladas para la simulación de sistemas de combustión homogénea en fase gas. Sin embargo en la combustión de sólidos ocurren multitud de procesos de conversión, transporte y reacción cuyo modelado no está contemplado en las herramientas comerciales de simulación. Por este motivo, el modelado de sistemas de combustión de sólidos tiene dos partes diferenciadas: el lecho, en el cual se aplican diversas estrategias para tratar de reproducir los fenómenos físicos que en él ocurren, y el hogar en el cual se aplican técnicas convencionales de simulación. En primer lugar se presenta un método de modelado más simple, aplicable en lechos en los cuales no existe una separación marcada por regiones en distintas las fases de combustión. Este método esta aplicado en dos de los artículos que conforman este trabajo en los cuales se estudia una caldera de biomasa doméstica. En el primero de ellos se simula y contrasta con ensayos experimentales la caldera trabajando a distintos regímenes de exceso de aire. En el segundo artículo se aplica la misma metodología al estudio de distintos parámetros de la caldera, como el rendimiento o las emisiones de contaminantes, cuando esta trabaja con distintas temperaturas de agua. En segundo lugar se presenta un método más avanzado de modelado tridimensional transitorio de lechos de biomasa, en el cual se hace un seguimiento local del estado de degradación de las partículas y se aplican modelos más avanzados para reproducir los fenómenos de conversión que en ellas tienen lugar. A continuación se presentan una serie de modelos adicionales que complementan el modelado tridimensional. Estos modelos son utilizados para reproducir procesos como la transmisión de calor en regiones porosas, la compactación de las capas degradadas del lecho o la alimentación de combustible. El modelo de transmisión de calor en regiones porosas está aplicado en el tercer artículo de este trabajo para simular un colector de radiación solar experimental y es utilizado en artículos posteriores. En el cuarto artículo se utiliza el modelado tridimensional junto con los modelos de transmisión de calor y compactación para simular varios experimentos realizados con quemadores de biomasa, en los cuales se miden ciertos parámetros importantes de la combustión como la velocidad de propagación del frente de llama, temperaturas máximas alcanzadas o las posiciones de los frentes de reacción de las distintas etapas de la combustión. En el quinto y último artículo se utilizan el modelado tridimensional y los modelos adicionales para la simulación de una caldera de biomasa de 60 kW, en la cual tienen lugar todos los procesos expuestos anteriormente, siendo la simulación contrastada experimentalmente con resultados razonablemente buenos en potencias, rendimientos y emisiones.