Emulsor estático de flujo laminar
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Emulsor estático de flujo laminar. Un nuevo método, elaborado a partir de un trabajo de investigación y desarrollo, consiste en lograr la emulsión de los combustibles en régimen de corriente laminar, lo que permite mayor uniformidad de los diámetros de las gotículas y cercano al valor medio. Esto garantiza la estabilidad y calidad de la emulsión.
Sumario
Descripción del método.
La emulsión de los combustibles líquidos es una solución que se utiliza en el mundo para ahorrar combustible y disminuir la contaminación ambiental. El método más empleado es el de régimen de corriente turbulenta, pero el costo de las instalaciones es muy elevado, lo que no favorece el desarrollo de esta tecnología. Este método se logró a través del emulsor estático de flujo laminar y constituye una innovación tecnológica; es sencillo, compacto, pequeño y barato. Tanto el método como la tecnología son cubanos, del autor de este artículo. Se ha aplicado en Cuba con éxito, ya que se han obtenido valores de ahorro de combustible de 10%, con la disminución de gases contaminantes, como CO, NOX y el SO2, y se mejora la combustión. Con la emulsión de combustible se obtiene ahorro, mejor eficiencia y gestión energética. El diseño de este dispositivo permite la emulsión de cualquier fluido líquido con agua, u otra sustancia. El objetivo principal de la invención es suministrar agua a un emulsor de combustible líquido que no posee parte móvil, ni consume energía eléctrica adicional. El logro de la emulsión se realiza bajo el principio novedoso de régimen de corriente de flujo laminar. Otro objetivo fue lograr un tipo de emulsor capaz de obtener gotas de agua de tamaños muy pequeños y más uniformes. Las ventajas de suministrar gotas de agua pequeñas y uniformes en cada glóbulo de combustible, es que se puede realizar una atomización secundaria en la combustión, la cual es responsable de que se reduzca grandemente la producción de hollín, se aproveche totalmente el combustible, aumente la transferencia de calor entre los gases de la combustión y el agua de alimentar, mejorando sensiblemente la eficiencia de la caldera y como consecuencia de una buena combustión; además, disminuye la contaminación de los gases a la atmósfera. La emulsión no sólo ayuda al ahorro de energía, sino que también directa y visiblemente recompensa al sistema de calentamiento con una reducción sustancial de los costos anuales del combustible; también posibilita que se produzcan largos intervalos entre los períodos de limpieza. Como la producción de hollín se redujo, es posible utilizar un combustible más barato y seguir manteniendo las normas ambientales para las emisiones de partículas a partir de la combustión del horno.
Hipótesis según criterio
Para el diseño del emulsor estático de flujo laminar fue importante elegir un criterio de corriente de flujo, en este caso el de corriente de flujo laminar. El método empleado para facilitar la emulsión es un aparato sencillo, sin parte móvil.
- Para obtener una excelente emulsión hay que lograr en el flujo del fluido empleado un régimen laminar en la zona de diámetro reducido de la cámara central, para lo que Re < 600.
- La presión del fluido empleado y la presión del agua a la entrada del emulsor deberán ser iguales, aunque se puede admitir una presión del agua ligeramente superior.
- El área total de todos los orificios por donde se inyecta el agua es de 0,11-0,16 veces el área total del cuello de la cámara del emulsor.
- El flujo del agua para la emulsión será el flujo del fluido multiplicado por 0,05; 0,08; 0,10; 0,15; 0,20; 0,25; etc. En caso del combustible fuel oil, el óptimo es 0,08; para las mezclas diésel-fuel oil, es 0,10; para calderas y hornos la mezcla diésel-fuel y diésel-fuel para motores de transporte, es 0,25.
- La cámara central debe tener 8; 18 ó 36 orificios de inyección del ágata para la emulsión, según consuma el tipo de combustible.
- La velocidad del combustible es mayor a la del agua inyectada.
- La viscosidad del fluido que se va a utilizar, así como el consumo por hora, definen el diámetro de la zona reducida de la cámara.
Una desventaja del flujo de combustible «turbulento» es que dicho flujo en algunas ocasiones, sólo por un instante, puede desarrollar una velocidad muy baja o llega a cero en la pared por donde penetra el flujo de agua en el cuello de la cámara central; por lo tanto, un pequeño porcentaje de gotas de agua serán mayores y no mantendrán el tamaño estándar que deben tener. Esto indica que es de más utilidad tener gotas de agua con un tamaño más uniforme, para así obtener un resultado óptimo. El término «flujo laminar» significa que sus velocidades están «libres de fluctuaciones microscópicas», es decir, que el flujo está sustancialmente libre de turbulencias, caracterizado por el contraflujo, a excepción de la microturbu-lencia, que ocurre en los conductos de inyección de agua vecinos y de la turbulencia inducida del agua en las burbujas vecinas, o en los sedimentos o flujos de agua. En el emulsor estático de flujo laminar el proceso de emulsión se realiza por succión o arrastre, y por el corte de las gotículas de agua que se han formado y organizado en el interior de los orificios o canales al pasar el flujo de combustible en la zona de diámetro reducido de la cámara central. El flujo de combustible al chocar a su paso con el dispositivo direccional se introduce por las ranuras que están próximas a la pared del cono de la cámara central, organizándose en forma de película en la pared del cono y el cuello de dicha cámara. Al ser igual la presión del agua a la presión del combustible en la zona del cuello, ello permite la entrada de la gotícula en forma de elipsoide achatada con diámetro menor al diámetro del orificio. Al salir la gotícula de agua de sus canales es cortada por la película de combustible que viene por la pared del cono y del cuello (gotícula que se originó dentro de sus respectivos canales y que tiene diámetros menores a este). Al ser cortadas las gotículas de agua por la película de combustible, éstas se dividen en varias gotículas de diámetros más pequeños. Posteriormente estas gotícu-las son llevadas al centro del cuello de la cámara, donde existe una región de microtur-bulencia, y son nuevamente cortadas por las moléculas de combustible que se mueven con mayor velocidad. Por último, saliendo del emulsor al pasar el flujo de combustible emulsionado hacia la bomba y dentro de ella, es que las gotículas de agua alcanzan los menores valores de diámetros.
- Población, uniformidad y distribución de la gotícula de agua en la emulsión. Caso a: correcto; caso b: incorrecto.
Es importante reconocer que el mérito que tiene el régimen de corriente de flujo laminar es que al cortar las gotícu-las de agua, lo hace de forma tal que la fragmentación de estas permite que cada una de ellas tenga el diámetro lo más uniforme una con otra; esto ocurre en el primer corte de las gotículas de agua, lo que asegura que el diámetro mayor que puedan tener algunas gotículas esté cercano al valor medio entre ellas. Cuando las gotas se aceleran, o se retardan, la resistencia al movimiento cambia aparentemente en una cantidad que se describe en términos de «masa transportada», variando desde una mitad hasta dos veces la masa del fluido desplazada. Por último, la emulsión se ha realizado satisfactoriamente si está «bien dividida», si es «razonablemente uniforme» y si más de 95% de sus gotas tienen un diámetro de 2 a 5 ìm.
Descripción del emulsor
El emulsor estático de flujo laminar está compuesto por un cuerpo de forma cilíndrica y con una hendidura longitudinal; su función es proteger el emul-sor de golpes. Además, lo hace compacto y evita salideros. La cámara central va dentro del cuerpo a tope y está formada por dos conos, que presenta una zona de diámetro reducido o cuello en su centro. En él existen perforaciones para permitir la entrada del agua en forma de gota hacia el interior. El dispositivo direccional es el encargado de distribuir el fluido a la entrada del emulsor por las paredes del cono de la cámara central hacia la zona de diámetro reducido, para lograr la emulsión. Unos tapones emplatilla-dos garantizan la entrada y salida del fluido antes y después de la emulsión y ayudan a compactar y hermetizar el emulsor. En el cuerpo se suelda el regulador de agua que tiene un diámetro definido, para lograr la entrada de agua óptima para la emulsión.
Principio de funcionamiento
El proceso de emulsión se realiza por succión o arrastre y corte de las goticulas de agua que se han formado en el interior de los orificios, al pasar el flujo de combustible en la zona de diámetro reducido de la cámara central. El flujo de combustible al chocar a su paso con el dispositivo direccional, se introduce por las ranuras que están próximas a la pared del cono de la cámara central, organizándose en forma de película en el cuello de dicha cámara. En el centro del cono de la cámara central posterior al dispositivo se produce un vacío.
- Despiece del emulsor estático de flujo laminar.
La presión del agua es ligeramente superior a la del combustible en la zona del cuello, permitiendo la entrada de la gotícula en forma de elipsoide achatada con diámetro menor al del orificio. El combustible en esta zona reducida aumenta su velocidad, creando una succión o arrastre de la gotícu-la de agua, la que es cortada por la película del combustible formada en la pared del cono. Al ser cortada la gotícula, se divide en varias de tamaños más pequeñas. Posteriormente son llevadas al centro del cuello de la cámara central donde existe una región de microturbulencia y son nuevamente cortadas por las moléculas de combustible que se mueven con mayor velocidad, pues a medida que las moléculas se alejan de la pared aumentan su velocidad.
Tabla 1. Valores promedios en una caldera mediana con pared de tubos de agua.
Leyenda:
- VN: Valor normativo (concebido por el fabricante).
- VR: Valor real.
- VRE: Valor real de la emulsión.
- Tg: Temperatura de los gases de salida de la caldera.
- Tll: Temperatura de la llama del quemador de la caldera.
Tabla 2. Valores promedios en caldera pequeña de tubo de fuego.
Estudio de caso.
Se realizaron pruebas en cuatro calderas medianas, de paredes de tubos de agua, y en más de veinte calderas pequeñas, de tubos de fuego. En las tabla 1 y 2 se exponen los valores promedios de los parámetros medidos en una caldera mediana y en una caldera pequeña. Como se puede apreciar en las tablas 1 y 2, los valores de CO, SO2 y SO3 disminuyen, así como la temperatura de la llama, por lo que también disminuye el valor de NOX. Los valores totales de los gases contaminantes que disminuyen con la aplicación del combustible emulsionado fueron de 2,29% con respecto al valor normativo, y de 3,89% con respecto al valor real, como valor promedio, según mediciones realizadas durante las pruebas.
Fuente.
- Guzmán Chinea, Dr. Jesús M. Revista Científico-Popular de Cubasolar, Enero-Marzo 2010, no.49. ISSN:1028-9925.
