La Combustión Bajo Presión – Revelada Una Nueva Comprensión

La Combustión Bajo Presión – Revelada Una Nueva Comprensión

Por :Enrique J. Sirvent

La mayor parte de lo que se conoce acerca de los procesos de combustión de interna de motores de explosión viene de experimentos producidos a 1 atm. Cuando la presión aumenta, también lo la dificultad de llevar a cabo experimentos controlados.

Escrito por el staff de Microgravity News en la Universidad de Hampton para el periódico de Primavera de 2001

Los automóviles, los aviones, e incluso los cohetes todos tienen en común una cosa: están impulsados por motores de explosión manejados bajo altas presiones, en el rango de atmósferas de 5-100 (atm). (en contraste, la presión atmosférica normal que experimentamos a nivel del mar es sólo 1 atm.) La combustión bajo altas presiones es termodinámicamente más eficiente; esto es, gran cantidad de la energía calórica producida por las reacciones de combustión es convertida en energía mecánica. Además, a causa de la intensidad de la quema, también posibilita que la reacción tenga lugar bajo condiciones más parcas en combustible, por lo que hay más oxígeno de lo necesario químicamente para consumir el combustible. Estos atributos únicos mejoran la eficiencia del combustible, las emisiones reducidas de contaminantes generados en combustión, y la producción reducida de dióxido de carbono, que es el contribuyente principal en el calentamiento global.

Sin embargo, la mayor parte de lo que se conoce acerca de los procesos de combustión de interna de motores de explosión viene de experimentos producidos a 1 atm, dónde las llamas son relativamente fáciles de controlar y observar. Cuando la presión aumenta, como el Principal Investigador en microgravedad Chung Law, de Princeton University, explica, también lo hace el grado de dificultad en llevar a cabo experimentos controlados y consecuentemente obtener datos científicos útiles.



Una Misión Imposible

¿Pueden decir los investigadores qué le ocurrirá a una llama de alta presión en experimentos conducidos bajo las condiciones normales de presión atmosférica? Según Law, tales extrapolaciones tienen altamente poca probabilidad de ir en la dirección correcta. 'La base para la extrapolación, a saber datos obtenidos alrededor de 1 atm, es justamente demasiada limitada para cualquier predicción fidedigna de qué pudo ocurrir con una llama a las 50 o incluso 100 veces la presión normal'. Simplemente no hay substitutos para conducir experimentos bajo condiciones de alta presión.

Pero a fin de conducir experimentos controlados, de alta temperatura y de alta presión en el pasado, los investigadores a menudo tuvieron que sacrificar la habilidad para observar los procesos de combustión. 'Los experimentos de alta presión han estado hechos frecuentemente en las llamadas ' bombas ' - sistemas sin ventanas completamente encerrados,” dice Law. Después de encender una mezcla de combustible dentro de tal cámara de combustión, los investigadores tomarían las medidas del incremento de presión causado por la quema del combustible. A partir de eso,' Law explica, 'usted especularía qué ha ocurrido dentro de la bomba basada en algunos supuestos procesos de combustión'. Mientras algunos datos valiosos, como la tasa de consumo de combustible, han sido obtenidos mediante el guiado de estas clases de experimentos, la falta de observación visual podría dar estudios en su mayor parte cualitativos y muy insatisfactorios.

De importancia crítica, además, es en realidad observar la llama durante el proceso de combustión. Pero las cámaras de combustión que permiten a la llama ser visualmente observable a través de ventanas ópticas especiales son vulnerables a la acumulación de temperatura y presión dentro de la cámara. Después de la ignición, una llama continuará creciendo hasta que ocupa toda la cámara de combustión. Al final de la combustión, los productos de combustión no sólo tienen una temperatura muy alta, frecuentemente superan los 2,000º Kelvin (1726ºC), sino que la presión de la cámara es también varias veces la presión de puesta en marcha, lo cuál es ya muy alto. El vidrio óptico lo suficientemente delgado como para permitir que la llama sea observada sin distorsión no puede resistir esta acumulación enorme de presión y de temperatura. Sin embargo, engrosar el vidrio comprometería su calidad óptica.

Una Foto Vale Más Que Mil Palabras

Desafiados por la necesidad para sin estudiar sin ambigüedades los efectos de presión en la propagación de la llama, Law y sus socios de investigación, Stephen Tse y Delin Zhu, idearon un aparato que les permitiría obtener imágenes de cómo la llama se propaga, al mantener la presión de la cámara constante en su valor inicial, lo cual puede ser un valor de 60 atm. El aparato comprende dos cámaras, uno en el interior del otro, con ventanas ópticas alineadas. Una manga conectando las dos cámaras puede ser abierta y cerrada. Después de evacuar ambas cámaras, y con la manga cerrada, los investigadores bombean el gas combustible bajo el estudio en la cámara interior y un gas inerte a la cámara exterior. Después de que las presiones dentro de las dos cámaras son igualadas, la manga es abierta. El gas inerte y el gas combustible entran en contacto, con una pequeña cantidad mezclándose.

El gas combustible es entonces inmediatamente encendido por una chispa centralmente localizada. La llama esférica resultante se propaga hacia afuera hasta que se encuentra el límite del gas inerte y se apaga. Debido a que el volumen de la cámara interior es mucho más pequeño que el de la cámara exterior, hay una acumulación insignificante de presión dentro de ambas cámaras durante la combustión. El proceso entero, de ignición de la llama para la propagación y la extinción, puede grabarse en vídeo de alta velocidad. 'La habilidad para hacer esta clase de experimento propone un paso en pro de entender la combustión de alta presión,' dice Law. Observar las imágenes de como la llama se propaga cambiando de dirección puede ser altamente gratificante. A Law le sorprendió ver que la llama tiene una propensión fuerte para revelar arrugas sobre su superficie durante las presiones altas de la cámara. Esto es mostrado en figura 1 durante las secuencias de propagación de la llama en mezclas de hidrógeno y aire a dos presiones diferentes. A 1 atm, la superficie de la llama permanece alisada como si se propagara hacia afuera en la ignición.

Sin embargo, a incluso una presión moderadamente alta de 5 atm, las arrugas se desarrollan sobre la superficie de la llama. El hecho que la superficie de la llama puede convertirse en inestable y puede revelar arrugas no es sorprendente. Ciertamente, ya en los 1940s, el físico ruso Lev Landau predijo que la superficie de la llama es siempre inestable. Sin embargo, las llamas suaves como esas en una cocina de gas son la clase que se observa rutinariamente, y la posible aparición de llamas arrugadas ha sido tratada más como algo excepcional a la regla. Lo que es sorprendente de la observación experimental de Law es el predominio y alta propensión de llamas arrugadas a presiones superiores. En la retrospectiva, Law explica, esto es razonable porque las reacciones químicas progresan más rápido a presiones superiores, produciendo llamas que arden más rápido pero que son más inestables. El reconocimiento de que las llamas prefieren propagarse en el modo arrugado a presiones altas fundamentalmente altera la comprensión de los procesos de quemado dentro de motores de explosión. Esto es porque la tasa de consumo de combustible aumenta con el área de crecimiento de la llama. Desde que la presencia de arrugas aumenta considerablemente el área de la superficie de la llama, la llama realmente arde mucho más rápidamente de lo que previamente había realizado.

Sin ver la llama, un investigador conduce experimentos de combustión de alta presión en recipientes cerrados y fácilmente se puede desorientar acerca del significado de la tasa rápida de consumo de combustible. Si una llama suave es dada por supuesta, luego medir el incremento de presión dentro de la cámara cerrada podría conducir a alguien a creer que un combustible particular tiene una tasa de quema muy rápida y en conclusión que la química del proceso de combustión también debe ser muy rápida. “no es tanto la química como la morfología de la superficie de la llama –lo rugoso de la llama – lo que causa la tasa más rápida de ardor,' dice Law. “Sin ver la llama, usted atribuiría las presiones aumentadas a la causa equivocada. Si usted quiso mejorar la eficiencia del proceso de combustión alterando solamente la química, entonces usted iría en la dirección equivocada”.

El descubrimiento de la omnipresencia de arrugas en las presiones altas también promete modificar la comprensión del progreso de reacciones químicas en la combustión de alta presión. En estas instancias, algunas de las velocidades de reacción de les pudo asignar un valor demasiado alto basado en las velocidades de quema más altas medidas. 'Éste es un ejemplo clásico de cómo se podrían propagar los errores en la interpretación de resultados experimentales y consecuentemente se podrían falsear datos fundamentales de físico-química,' Law advierte.

Usted Comienza Con Lo Más Fácil

Law y su equipo en Princeton han empezado su trabajo en la combustión de alta presión con hidrógeno, lo más sencillo en combustibles. 'Todo los otros combustibles - por ejemplo, el metano, el propano, el benceno, y los alcoholes - tienen hidrógeno como componente,' aclara a Law. “Es un bloqueo gratificante. Si usted no puede describir lo que pasa en el caso de hidrógeno, no se puede continuar con el estudio de esos combustibles hidrocarbonados'.

Law ha dirigido una porción grande de su investigación en la gravedad de Tierra, dónde la presencia de flotabilidad puede tener una influencia significativa en la propagación de llamas débiles, como esas asociadas con quema parca en combustible. A causa de la tasa lenta de propagación de la llama, la flotabilidad causa que los productos de combustión calientes puedan alcanzar el ambiente durante la propagación de la llama. Esto deforma la llama de la forma esférica que tendría si la gravedad fuera minimizada. Tal distorsión dificulta mucho más analizar los datos experimentales y extraer la información fundamental. Además, los efectos de la gravedad están agravados bajo presiones altas. A las presiones más altas, el gas es aun más flotable porque la densidad es proporcional a la presión. Mientras más alta la presión, mayor las diferencias de densidad entre los gases calientes y los gases más fríos circundantes a la llama. Todo lo demás, entonces, exige realizar experimentos en microgravedad,' Law concluye.

En el Centro De Investigación 2.2 Second Drop Tower(Torre de Caída) Glenn en Cleveland, Ohio, Law puede conducir sus experimentos en quemado a presión alta sin la influencia perturbadora de la gravedad. Como la cámara de combustión es soltada dentro de la torre de caída y comienza a caer, una bujía del motor dentro de la cámara interior es descargada, encendiendo la llama. La llama es esférica, y su tasa de propagación está bien definida y exactamente medida desde la imagen irradiada en el vídeo. En el futuro, Law tiene intención de introducir láseres para la medida no-intrusiva de la temperatura de la reacción de combustión y determinar la composición de gases que participan del proceso de quemando. Estas medidas permitirían aun más la comprensión de la química de las reacciones de combustión. Mientras la torre de caída provee una plataforma excelente del microgravedad, está limitada en lo que se refiere a mezclas de combustión lenta, débilmente combustibles, que son de relevancia para el estudio de fenómenos de extinción de la llama. Los experimentos en tal quema lenta de las mezclas de combustible precisan mucha veces tiempos de microgravedad más largos para observar el proceso de quemando íntegramente. Eventualmente, estos experimentos es necesario que sean controlados en la Estación Espacial Internacional, la cual provee acceso continuo a lo microgravedad.

A Law está ilusionado con los experimentos que su diseño de la cámara ya hace posible. 'La combustión ha cumplido una etapa muy excitante,' reclama. “Ha evolucionado de una ciencia empírica a una ciencia exacta. Ahora podemos hacer una predicción, podemos hacer un experimento meticuloso, y podemos ensayar si nuestra teoría es correcta”. Sin la habilidad para conducir experimentos bajo condiciones difíciles pero realistas, como esos de presión alta, explica', sus cimientos de información están incompletos. No importa cuán bella es su teoría, usted necesita tener un experimento. Eso hace que los datos que obtenemos sean muy valiosos”. Law está entusiasmado por la ayuda que recibe de la NASA. 'El programa de la NASA financia investigación fundamental con salidas útiles', dice. 'Esa es la mejor clase de investigación'.