Emisiones En Un Aerorreactor

Emisiones en un aerorreactor

Ferran Roig Tió

Trabajo de Combustión

25/06/2012

Sumario

Introducción

Objetivos

Principales emisiones contaminantes en un aerorreactor

Soluciones para el control de las emisiones en un aerorreactor

Normativas internacionales

Conclusiones

Bibliografía

Introducción

Las emisiones contaminantes de los aerorreactores son uno de sus inconvenientes más célebres, como es sabido.

Bien por un compromiso con el medio ambiente y la salud pública, bien instada por las exigentes normativas al respecto, la comunidad científica internacional lleva lustros centrada en reducir los niveles de productos tóxicos fruto de la combustión que constituye su principio de funcionamiento.

Por otro lado, la búsqueda incansable de ciertos investigadores para dar con alternativas reales a los aerorreactores permanece infructuosa. Existen, ciertamente, sistemas propulsivos menos agresivos y hasta completamente respetuosos con la naturaleza, pero ninguno de ellos posee el potencial que contiene en sí la energía química de los combustibles.

Así, pues, todo parece indicar que el camino reservado a ingenieros y científicos de la combustión sigue siendo el de la mejora cada vez más increíble de la amigabilidad medioambiental de los aerorreactores, si se me permite tomar prestado un término gráfico del léxico inglés.

Objetivos

El presente trabajo aborda el estudio genérico de la cuestión mencionada recientemente. A través de un acercamiento científico al fenómeno, pretendo enunciar y defender los mecanismos tecnológicos operativos en la actualidad para lograr resultados francamente abrumadores en el control de las emisiones de los aerorreactores.

Con el fin de contextualizar correctamente el trabajo de los ingenieros en dicho campo, también incluyo un resumen somero de la normativa internacional que regula los requerimientos medioambientales de los aerorreactores.

Principales emisiones contaminantes en un aerorreactor

La reacción general de la combustión de un hidrocarburo es la siguiente:

C_p H_q O_r+(O_2+x_(N_2 )/x_(O_2 ) N_2 )↔C+HC+CO+〖CO〗_2+H+H_2+OH+H_2 O+O+N+〖NO〗_x

Los principales productos contaminantes son las partículas de carbono o hidrocarburos sin quemar (C y HC), el monóxido de carbono (CO) y los óxidos de nitrógeno (NOx). Otras sustancias como el hidrógeno molecular (H2), el hidrógeno atómico (H), el radical OH o el oxígeno y nitrógeno atómicos (O y N, respectivamente) son igualmente indeseables, pero no por motivos de nocividad sino porque indican un desperdicio de potencia.

El dióxido de carbono (CO2) es el producto natural de la combustión de un hidrocarburo. No puede ser clasificado como contaminante porque no es tóxico en absoluto. Su mala fama procede de la importante implicación que tiene en el fenómeno conocido como efecto invernadero. Sin embargo, baste para este estudio mencionar que reducir las emisiones de dióxido de carbono implica reducir en la misma proporción la potencia útil de los aerorreactores.

Mecanismos de formación y destrucción

El monóxido de carbono, las partículas de carbono y los hidrocarburos sin quemar son productos intermedios de la combustión del combustible, cuya oxidación completa da lugar al dióxido de carbono. Las reacciones de oxidación dependen de la presión y temperatura locales, de la concentración también local de la mezcla y del tiempo de permanencia en la cámara de combustión.

La influencia de las condiciones termodinámicas sobre los niveles de monóxido de carbono e hidrocarburos no quemados se puede evaluar, por ejemplo, a partir del parámetro de carga aerodinámica (Ω), el cual permite observar la influencia de la presión y temperatura de entrada (pe y Te, respectivamente), del gasto másico de aire (Gaire) y del volumen de la cámara de combustión (V).

Ω=G_aire/(V〖p_e〗^1,8 e^(T_e⁄300) )

A partir de las curvas siguientes se pueden predecir los niveles de contaminación debidos a los inquemados emitidos por el motor en cualquier régimen de funcionamiento. Se observa que dichos contaminantes se producen sobre todo en ralentí.

No se tienen en cuenta en el parámetro de carga aerodinámica las características de la carburación, el reparto de aire en la camisa interior ni fenómenos tales como el enfriamiento por el aire de refrigeración de las paredes o por el aire de dilución (aire terciario), que influyen en la producción de inquemados.

Por otro lado, los óxidos de nitrógeno se forman esencialmente en las zonas de alta temperatura. En las condiciones de funcionamiento de un aerorreactor, las reacciones de oxidación son más lentas que las de combustión, por lo que las concentraciones resultantes están lejos del equilibrio químico, siendo prácticamente proporcionales al tiempo de permanencia.

Para predecir la influencia de las condiciones termodinámicas sobre los niveles de dichos óxidos, se utiliza un parámetro (σ) que se obtiene a partir de resultados experimentales y que permite deducir la influencia de la presión y la temperatura de entrada y el gasto másico de aire.

σ=(G_aire √(T_e ))/(V〖p_e〗^1,45 e^(T_e⁄230) )

Se observa que los óxidos de nitrógeno se producen sobre todo en condiciones de gran carga. En las fases de vuelo de despegue y ascenso se emiten aproximadamente tres cuartas partes de la masa total de óxidos de nitrógeno. La concentración de funcionamiento en la cámara de combustión es otro parámetro del que dependen las emisiones contaminantes. Teniendo eso en cuenta, la riqueza y la temperatura locales de la mezcla que se realiza en la zona primaria son las magnitudes que controlan el proceso químico de formación de contaminantes. Si se mejora la mezcla o se hace una premezcla, se puede reducir considerablemente el nivel de óxidos de nitrógeno emitidos.

Soluciones para el control de las emisiones en un aerorreactor

Procedo ahora a describir los mecanismos que se han propuesto a lo largo de la historia, con mayor o menor aceptación, para controlar las emisiones de los aerorreactores. Muchos de ellos son operativos en turbinas de gas de aplicación industrial. En cambio, sólo algunos se utilizan en los motores de aviación, debido a sus exigentes requisitos de peso, fiabilidad, autonomía, etcétera.

Uno de los mecanismos clásicos es la inyección de agua o de vapor. El nivel de óxidos de nitrógeno se reduce al disminuir la temperatura local de la llama, y eso puede lograrse inyectando agua o vapor

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