Resumen El aumento en las emisiones contaminantes ha generado el desarrollo de tecnologías limpias y alentado el uso de combustibles alternativos como el gas de síntesis. La combustión sin llama es una de las tecnologías limpias más promisorias debido al bajo nivel de emisiones y las altas eficiencias térmicas que permite obtener. En el presente estudio, se llevó a cabo la simulación de un horno regenerativo bajo condiciones de combustión sin llama, utilizando una mezcla combustible de 70% gas natural y 30% gas de síntesis con alto contenido de H2 (en vol.), por medio del enfoque de dinámica de fluidos computacional. Para los cálculos se construyó un mallado simétrico de 405,632 celdas hexaédricas. Los modelos κ-ε estándar, ordenadas discretas y Eddy Dissipation Concept fueron implementados para la turbulencia, radiación y la interacción química - turbulencia, respectivamente. El índice de uniformidad térmica de la cámara de combustión fue de 0.3 y 0.1 para los planos vertical y horizontal respectivamente. Los resultados confirman que es posible obtener el régimen de combustión sin llama en un horno regenerativo usando la adición de gas de síntesis, conservando la uniformidad en la temperatura y la zona de reacción.

Abstract The increase in pollutant emissions has generated the development of clean technologies and encouraged the use of alternative fuels like syngas. Flameless combustion is one of the most promising clean technologies due to lower pollutants emissions and high thermal efficiency. In the present study, regenerative furnace simulation under flameless combustion was carried out using a fuel mixture of 70% natural gas and 30% syngas with high H2 content (in vol.); by mean of CFD approach. A symmetrical mesh with 405,632 hexahedral cells was used in the calculations. The κ-ε standard, discrete ordinates and Eddy Dissipation Concept models were used for physical phenomena of turbulence, radiation and turbulence - chemistry interaction, respectively. The combustion chambers thermal uniformity factor was 0.3 and 0.1 for vertical and horizontal planes, respectively. The results confirm that it is possible to achieve the flameless combustion regime in a regenerative furnace using the addition of syngas, preserving the temperature and reaction zone uniformity.

RESUMO It was assessed the flammability of 11 plant species cultivated in Medellin city in Colombia, using the variables time of ignition and time of flame sustainability, with the aim to know the susceptibility to ignite and burn, making use of Valette methodology, in which foliar surfaces are putting on external heat source at 420 °C and controlled conditions. Of the evaluated species, Costus guanaiensis Rusby a Clusia multiflora Kunth had the higher time to ignition value and the lowest sustainability value, that is, these plants have a retardant effect of the appearance and of the spread of fires, so it is recommended to use these plants like firewall especially in areas with high frequency and fire impact.

ABSTRACT La inflamabilidad de 11 especies de plantas cultivadas en la ciudad de Medellín-Colombia, se evaluó empleando las variables tiempo de ignición y tiempo de sostenibilidad de la llama, con el objetivo conocer su susceptibilidad a incendiarse y consumirse, utilizando la metodología propuesta por Valette, exponiendo superficies foliares vivas a una fuente de calor externa constante a 420 °C y condiciones controladas. De las especies evaluadas, Costus guanaiensis Rusby y Clusia multiflora Kunth presentaron mayor tiempo de ignición, y menor valor en la sostenibilidad, es decir, presentan tanto un efecto retardante a la incidencia y propagación de incendios, por tanto se recomiendan como cortafuegos especialmente en zonas con alta frecuencia e impacto de incendios.

ABSTRACT Due to the energy transition worldwide, renewable energy sources complementary to fossil fuels are being sought. Considering that hydrogen generates only water when reacting with air, the application of hydrogen can play a leading and complementary role in the reduction of greenhouse gas (GHG) emissions. This work conducts a theoretical and numerical evaluation of the effect of adding hydrogen to natural gas (NG) combustion. Eight fuels, from 0% H2 up to 100% H2, by volume, were evaluated in 15% intervals. The volumetric and mass air requirement, H2O and CO2 production, wet and dry combustion products, as added to the heating value, Wobbe index, flammability ranges, dew point, and specific gravity, were calculated for each mixture at stoichiometric conditions. Some premixed flame combustion properties were calculated numerically for equivalence ratios from 0.5 to 1.5, using Medellín's atmospheric conditions. These properties include the minimum ignition energy, critical quenching distance, diffusive thickness, laminar burning velocity, adiabatic flame temperature, flame structure, and ignition delay time. The latter property considered reagent preheat temperatures between 1000 K and 1600 K, finding an inverse relationship. Furthermore, increased hydrogen content showed an increase in flame temperature and laminar deflagration velocity, and a decrease in ignition delay time, flame thickness, critical quenching distance, and minimum ignition energy. Finally, the maximums and minimums of the properties considered were found to center at stoichiometric conditions for 100% natural gas, while the addition of hydrogen shifted the trend towards richer mixtures.

RESUMEN Debido a la transición energética que se ha venido presentando a nivel mundial, se han buscado complementariedades a los combustibles fósiles con energías de fuentes renovables, teniendo en cuenta que el hidrógeno es un combustible que puede generar sólo agua como producto de la reacción con el aire, se deben evaluar los diferentes escenarios en los que el hidrógeno puede tener un papel tanto protagónico como complementario en cuanto a disminución de gases de efecto invernadero (GEI). En este trabajo se realiza un análisis teórico y numérico que evalúa el cambio en las propiedades de combustión con la adición de hidrógeno al gas natural (GN). Ocho mezclas fueron evaluadas desde 0% H2 con incrementos de 15% (en volumen) hasta 100% H2. Para dichas mezclas, se calculó a condiciones estequiométricas el requerimiento de aire (volumétrico y másico), producción de H2O y CO2 (volumétrico y másico), humos húmedos y humos secos (volumétrico y másico), poder calorífico, índice de Wobbe, gravedad específica, intervalos de inflamabilidad, punto de rocío y gravedad específica. También, se calcularon de manera numérica algunas propiedades de combustión en llamas de premezcla, bajo un rango de relaciones de equivalencia entre 0.5 y 1.5 para las condiciones atmosféricas de la ciudad de Medellín; estas propiedades corresponden a la energía mínima de ignición, distancia crítica de enfriamiento, espesor difusivo, velocidad de deflagración laminar, temperatura de llama adiabática, estructura de llama y tiempo de retraso a la ignición, para esta última propiedad se consideraron temperaturas de precalentamiento de los reactivos entre 1000 K y 1600 K y encontró una tendencia inversa respecto a esta variable. Los resultados mostraron un aumento en la temperatura de llama y velocidad de deflagración laminar conforme se aumenta el contenido de hidrógeno en la mezcla, y del mismo modo se evidenció una disminución en el tiempo de retraso a la ignición, espesor de llama, diámetro crítico de enfriamiento y energía mínima de ignición. Asimismo, se encontró que el valor máximo/mínimo de las diferentes propiedades se encuentra para condiciones estequiométricas para 100% gas natural, y conforme se adiciona hidrógeno en la mezcla hay un desplazamiento a mezclas ricas.

Resumen El aumento de la demanda energética, así como de las emisiones contaminantes ha generado un incremento de la investigación de tecnologías que permitan mitigar ambas problemáticas a nivel mundial. Dentro de las alternativas para mejorar la eficiencia de los procesos térmicos, el régimen de combustión sin llama se presenta como una de las alternativas más promisorias, puesto que permite obtener altos valores del rendimiento térmico mediante el mejoramiento de la transferencia de calor y del proceso de combustión, con la consiguiente reducción de las emisiones contaminantes. Debido a esto, en el presente estudio se realiza una revisión del estado del arte de dicha tecnología, haciendo énfasis en los aspectos fenomenológicos asociados, las principales características del régimen y su estabilidad, pasando por los mecanismos de obtención y la presentación de una serie de estudios, tanto a nivel nacional como internacional, en los que se utilizaron combustibles fósiles y alternativos. La revisión finaliza con la discusión de algunos casos en los cuales se ha implementado el régimen a nivel industrial.

Abstract The increasing energy demand and polluting emissions have generated a growing number of studies into technologies that can be used to mitigate both problems worldwide. Among the alternatives for improving the efficiency of thermal processes, the flameless combustion regime has been presented as one of the most promising options because it enables high thermal performance by enhancing heat transfer and the combustion process, with the consequent reduction in polluting emissions. For that reason, this article reviews the state of the art of said technology, emphasizing the associated phenomenological aspects, the main characteristics of the regime, its stability, the mechanisms to obtain it, and a series of national and international studies in which fossil and alternative fuels were used. Finally, some cases in which such regime has been implemented at the industrial level are discussed.

Resumen El presente estudio evaluó numérica y experimentalmente en un horno de 20 kW (a gas natural y con un factor de aireación de 1.2) la estabilidad del régimen de combustión sin llama ante la variación de la carga térmica usando diferentes flujos de aire (43 scfm, 63 scfm y 83 scfm) y una mezcla de Aire-Helio (Aire 82.02 scfm y Helio 7.06 scfm); esta última se utilizó con el fin de evaluar el comportamiento del sistema ante un incremento en el calor especifico del fluido de carga. El estudio se dividió en dos partes, una parte numérica y otra experimental. A partir de la simulación numérica se calculó el perfil de temperatura, el perfil de CO, el factor de recirculación Kv y la masa de productos de combustión recirculados. En la fase experimental los perfiles de temperatura mostraron una disminución en la temperatura de la cámara de combustión a medida que el flujo de aire de carga incrementaba, sin embargo, esta disminución no afectó la uniformidad térmica dentro del horno. Además la eficiencia útil mostró un incremento al pasar de un flujo de aire de carga de 43 scfm a 63 scfm, seguido de una disminución al incrementar la carga térmica.

Abstract The present study evaluated numerically and experimentally in a 20 kW furnace (using natural gas as fuel and with an equivalent ratio of 1.2) the stability of the flameless combustion regime due to the fluctuation of the thermal load through the use of different air flow (43 scfm, 63 scfm y 83 scfm) and an Air-Helium mixture (Air 82.02 scfm and Helium 7.06 scfm); the last one it was used to evaluate the behavior of the system in the face of an increase in the load fluid specific heat capacity. The study was divided in two parts, numerical simulation and experimental phase. From the numerical simulation was calculated the temperature profile, CO profile, the recycle ratio Kv and the mass of flue gases recirculated. In the experimental phase the temperature profiles obtained showed a decrease in the temperature of the combustion chamber as the load air flow increased however, this decrease did not affect the thermal uniformity inside of the furnace. Furthermore the useful efficiency showed an increase when went over from a load air of 43 scfm to 63 scfm, followed by a decrease of it with the other load flows.

En este estudio se propone la mezcla equimolar de gas natural (100%CH4) y gas de síntesis (40%H2 + 40%CO + 20%CO2) como alternativa para reducir el consumo de hidrocarburos y reducir las emisiones contaminantes. Como parámetro principal para caracterizar esta mezcla combustible, se estudió la velocidad de deflagración laminar a partir de simulaciones de cinética detallada y mediciones experimentales en llamas generadas usando un quemador de perfil contorneado e imágenes Schlieren obtenidas a condiciones normales de presión y temperatura, variando la relación aire-combustible. Se encontró que la velocidad de deflagración de la mezcla equimolar aumenta con respecto a la del metano puro y puede ser explicado a través de la presencia de hidrógeno en la mezcla combustible, que tiene un efecto directo en la cinética de la combustión, generando radicales H y OH que aumentan las tasas de reactividad de la mezcla y consecuentemente la velocidad de quemado del combustible.

This study suggests the equimolar mixture of Natural Gas (100% CH4) and Synthesis Gas (40% H2 + 40% CO + 20% CO2) as an alternative to reduce hydrocarbons consumption and reduce pollutant emissions. As a key parameter to characterize this combustible mixture, the laminar burning velocity was studied based on numerical simulations and experimental measurements in flames generated using a contoured slot-type nozzle burner and the Schlieren technique, varying the air-fuel ratio at standard temperature and pressure. It was found that the flame speed of the equimolar mixture increases with respect to that of pure methane. This behavior can be explained by the presence of hydrogen in the fuel mixture, which has a direct effect on the combustion kinetics, generating H and OH radicals that increase the global reaction rate of the mixture and consequently the burning velocity.

This paper performs calculations of the recirculation factor in simulations of a flameless combustion furnace with different percentages of oxygen in air (from 21% to 100% O2). Results are compared with Magnussen's recirculation theory and show that when there are chemical reactions, the recirculation results are overpredicted. An alternative correlation to Magnussen's theory is proposed, useful in calculating the recirculation factor in flameless furnaces. Also, calculation of the recirculation factor obtained through numerical simulation for different configurations of confined jets taken from literature which do not involve chemical reactions, when compared with the recirculation confined jet theories of Craya-Curtet, Thring-Newby and Magnussen show that as recirculation increases, all the theories overpredict the recirculation factor.

La búsqueda de alternativas energéticas de origen renovable y la disminución de gases de efecto invernadero provenientes de la descomposición de desechos orgánicos hacen del biogás una prometedora alternativa para la sustitución de combustibles fósiles y para la valorización energética de residuos orgánicos en zonas urbanas, rurales y agroindustriales. En el presente trabajo se realizó un análisis de sensibilidad de las propiedades de combustión del biogás con enriquecimiento de aire con oxígeno en un rango entre 22 y 35% O2. Los resultados indican que la velocidad de deflagración laminar, la temperatura de llama adiabática, el porcentaje en volumen de CO2, la temperatura de rocío y el porcentaje de H2O se incrementaron cuando el porcentaje de oxígeno en el aire fue mayor que 21% O2, mientras que propiedades como el volumen de aire estequiométrico, volumen de humos húmedos, volumen de humos secos y la energía mínima de ignición,disminuyeron.

Research into renewable energy as energy alternatives and decreasing greenhouse gases from organic waste decomposition make biogas a promising alternative for fossil fuel substitution and an energy source from recovery of organic waste in urban, rural and agroindustrial areas. This paper presents a sensitivity analysis of oxygen-enriched biogas combustion properties ranging from 22% to 35%. Results showed that properties such as deflagration speed, adiabatic flame temperature, dew temperature and CO2 and H2O percentage increased when oxygen percentage in air was increased. On the other hand, properties such as minimum ignition energy, stoichiometric air volume and dry fume volume decreased when the O2 percentage in air was higher than 21%.

En este estudio, se propone una metodología para el diseño y la caracterización de regeneradores térmicos tipo honeycomb o panal de abeja, empleando el software de dinámica de fluidos computacional FLUENT, para la obtención de perfiles de temperatura, y empleando correlaciones para relacionar los resultados numéricos con indicadores de desempeño como efectividad y tasa de recuperación de calor. Adicionalmente, se determinan parámetros térmicos relevantes, como el coeficiente convectivo de transferencia de calor y el NTU mediante correlaciones empíricas. Esta metodología presenta un bajo costo computacional y permite la selección de los regeneradores a partir de geometrías comerciales disponibles. Se aplicó la metodología a la caracterización de un regenerador con 400 celdas por pulgada cuadrada (CPSI), adscrito a un quemador auto regenerativo, y los resultados se compararon con mediciones experimentales, obteniéndose una buena aproximación.

In this study, a methodology for designing and characterizing honeycomb thermal regenerators is proposed, using the Computacional Fluid Dynamic CFD software FLUENT to obtain temperature profiles and correlations for relating numerical results with performance indicators such as effectiveness and heat recovery rate. Additionally, relevant thermal parameters such as convective coefficient of heat transfer and NTU are determined using empirical correlations. This methodology has a low computational cost and allows the selection of regenerators from commercially available geometries. The methodology was applied to the characterization of a 400 cells per square inch (CPSI) regenerator embebed in a self-regenerative burner. Results were compared with experimental data and a good approximation was obtained.

The analysis of combustion products inside flames reaction zones and combustion chambers requires special equipment and methods of sampling compared to measurements made in chimneys. For example, non-intrusive experimental devices, such as laser techniques, or intrusive ones, such as sampling probes, should be used in zones where a flame is present. The use of the first ones means high costs, while the second ones must guarantee that the combustion reactions do not continue inside the sample probe; otherwise significant errors occur in the species measurements. To identify whether there are thermal and chemical kinetic effects that produce differences in the major species measurement, this paper presents a comparison of sampling results inside the reaction zone of a partially premixed flame when two types of sample probes are used: one with a sonic neck and a convective cooling of the sample, and another made just of a straight stainless steel tube. The results show that when using a straight tube there are errors in CO2 and CO measurements up to 7.0%, and errors in O2 measurements above 14%.

El análisis de los productos de combustión en las zonas de reacción y al interior de cámaras de combustión requiere, con respecto a las medidas efectuadas en chimeneas, de equipos y de métodos particulares de muestreo. Así por ejemplo, en las zonas donde hay presencia de llama se deben utilizar dispositivos experimentales no intrusivos, tales como las técnicas láser, o intrusivos como las sondas de muestreo. El empleo de los primeros implica altos costos mientras que el de los segundos deben garantizar que las reacciones de combustión no continúen al interior de la sonda pues de lo contrario se producen errores importantes en la medición. En este trabajo se presenta una comparación de los resultados obtenidos al realizar muestreos al interior de la zona de reacción de una llama de premezcla parcial empleando dos tipos de sondas: una con cuello sónico y enfriamiento convectivo de la muestra y la otra constituida simplemente por un tubo en acero inoxidable; para identificar si existen efectos térmicos y cinético - químicos que generen diferencias en la medición de las especies mayoritarias. Los resultados muestran que al emplear una sonda con un tubo liso se estarían presentando errores en las mediciones de CO2 y CO cercanos al 7,0% y en las de O2 superiores al 14%.

A methodology to design flameless combustion heating equipment is presented. The design of flameless combustion devices requires an appropriate methodology to guarantee the necessary conditions to obtain this combustion mode. Nevertheless, such methodologies are not available in the scientific literature. For this, a combination of dynamic scaling, based on air/gas impulse ratio, and numerical simulation with FLUENT® has been employed to get suitable geometric configurations and dimensions for discharging fuel and comburent air. The proposed methodology has been applied to the design of a 20 kW experimental furnace using natural gas as fuel. The validity of the methodology has been verified with stable flameless combustion operation in the furnace.

Este trabajo presenta el desarrollo de una metodología para el diseño de equipos de calentamiento de combustión sin llama. El diseño de equipos de combustión sin llama requiere de metodologías apropiadas que garanticen las condiciones necesarias para alcanzar este modo de combustión. No obstante, estas metodologías no se encuentran disponibles en la literatura científica. Para esto se ha empleado la combinación del escalamiento dinámico, en función de la relación de impulsos de aire/gas, y el uso de la simulación numérica con el software FLUENT® para obtener configuraciones y dimensiones geométricas adecuadas para la descarga del combustible y comburente. La metodología desarrollada ha sido aplicada en el diseño de un horno experimental de 20 kW que utiliza gas natural, verificándose experimentalmente su validez con la obtención del régimen de combustión sin llama de forma estable.

En este trabajo se simuló numéricamente el proceso de combustión en una cámara de alta velocidad que opera con aire precalentado y metano. Las simulaciones han sido realizadas utilizando el software comercial FLUENT y para generar el mallado se empleó el software GAMBIT. Estos programas se emplearon como herramientas de diseño para investigar sobre el funcionamiento del sistema de combustión al emplear dos quemadores, sin sistema de generación de “swirl”: uno con inyección axial del combustible y el otro con inyección radial, antes de construir y probar el prototipo definitivo. Los modelos utilizados han sido k -e para turbulencia, P1 para la radiación y PDF - Mixture Fraction para la combustión. Los resultados numéricos obtenidos muestran que el sistema de inyección radial de combustible puede traer ventajas respecto a la inyección axial desde el punto de vista de eficiencia de combustión, siendo más completa la combustión radial debido al mejor mezclado entre el gas y el aire.

In this work, it was simulated the combustion process in a high velocity chamber, which uses highly preheated air and methane as fuel. The simulation was carried out with FLUENT and the grid was drawn with GAMBIT. These programs were used as designing tool to predict the performance of the combustion system when two different types of burners are tested, and there is not swirl generation. The first type of burner the fuel is injected axially. In the second one the fuel is injected radially. The models were: k - e for turbulence, P1 for radiation and PDF-Mixture Fraction for combustion processes. The numerical results show that radial injection of fuel presents a better performance than axial injection with regard to combustion efficiency, also it is achieved a more complete combustion due to the better mix between air and fuel

The effect of the equivalence ratio on the partially premixed methane / air laminar flame structure, in a coflow atmospheric burner was simulated. Three equivalence ratios were studied (Φ =1.6, Φ =2.0, Φ =3.5) keeping constant the released energy. The simulation was carried out using FLUENT V 6.2. The radial profiles of temperature and velocity were compared with the experimental data. The influence of the mesh structure in the solution was studied. A criterion to report the height of the flame from the OH profile was also defined. The effect of the equivalence ratio on the flame structure was analyzed from temperature and species contours. The typical structure of a partially premixed flame for the three equivalence ratios was obtained.

: La búsqueda de tecnologías de calentamiento que reduzcan el consumo de combustible, disminuyan las emisiones contaminantes y mejoren la productividad de los procesos y calidad de los productos en procesos de alta temperatura, ha motivado la investigación y desarrollo tecnológico de sistemas térmicos. En este contexto el artículo presenta los resultados del proyecto “Desarrollo y Evaluación de un Sistema de Combustión Autoregenerativo y Radiante para Procesos de Alta Temperatura en Pequeñas y Medianas Empresas PyMES”, presentando la configuración, funcionamiento, caracterización, parámetros de operación y comportamiento de un prototipo desarrollado que opera con 28 kW de potencia térmica con base al poder calorífico inferior, factores de aireación de 1.05 y 1.20 y temperaturas de precalentamiento de aire hasta de 700ºC.

Searching for new heating technologies that reduce fuel consumption, contaminant emissions and to improve the process productivity and products quality of high temperature process, it has motivated the researching and technologic development of the thermal systems. In that context, this article displays the results of the project: “Development and evaluation of an autoregenerative and radiant combustion system for high temperature process in small and medium scale enterprises (SME)” presenting the configuration, operation, characterization, operation parameters and behavior of a developed prototype that operates with 28 kW of thermal power based to the lower heating value, excess air factors of 1.05 and 1.20 and temperatures of air preheating until 700ºC