Metodología experimental para la estimación de los flujos de calor local y de la quema Tarifas en Steady laminar límite de una capa de difusión de las llamas

El objetivo general de este experimento consiste en describir el uso de termopares microscópicos para estimar gradientes de temperatura locales en superficies de combustible condensado en llamas de difusión de capa límite laminar estacionarias. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de la ciencia del fuego, como explorar la relación dinámica entre una superficie de combustible condensado inflamable y las llamas en fase gaseosa en capas límite laminares y turbulentas. La principal ventaja de esta técnica es que puede utilizarse para medir con precisión tasas locales de pérdida de masa por combustión en llamas de difusión de capa límite laminar estacionarias.

Colin Miller y Wei Tang demostrarán este procedimiento. Ambos son estudiantes de doctorado en ingeniería mecánica. Para experimentos con combustible líquido, prepare una mecha de combustible a partir de un material poroso no inflamable, como lana de silicato de tierras alcalinas.

Coloque la mecha en horneado durante aproximadamente 20 minutos utilizando una llama de difusión de un soplete de propano. Esto quemará todos los aglutinantes orgánicos dentro de la mecha. A continuación, aplique un adhesivo de alta temperatura sobre una lámina de aluminio y fije la lámina de aluminio a la mecha.

La parte superior debe permanecer limpia. Para experimentos con combustible sólido, prepare una lámina de combustible sólido con las mismas dimensiones que la mecha. Para montar el combustible sólido, corte una ranura larga en una lámina de tablero aislante de fibra cerámica, o utilice un material poroso no combustible sellado con pintura mate negra resistente a altas temperaturas.

Para experimentos de convección libre o flujo forzado, coloque una cámara fotográfica digital réflex de lentes intercambiables (SLR) de manera que pueda observar el eje central del combustible y un lado completo de la llama. Para las llamas de convección forzada, observe el centro de la muestra de combustible en un área de 16 por ocho centímetros, de modo que se pueda calcular la distancia de separación de la llama en la zona de pirólisis. A continuación, coloque el mecanismo de desplazamiento por encima de la muestra de combustible.

Luego, sujete cuidadosamente un termopar de alambre de 50 micrones a su eje horizontal. A continuación, encienda el controlador programable del motor paso a paso y, para experimentos de flujo forzado, conecte el soplador centrífugo del túnel de viento. A continuación, ajuste el controlador PWM según la velocidad del soplador.

Utilice un anemómetro de hilo caliente para verificar la velocidad en la salida del túnel de viento. A continuación, póngase el equipo de protección y realice los preparativos finales para llevar a cabo la prueba. Sature la mecha con combustible líquido.

Luego, coloque cuidadosamente la mecha empapada en combustible o la placa de combustible sólido en el soporte de mecha. Ahora, verifique minuciosamente la planicidad de la superficie de la mecha mediante un medidor de ángulos. A continuación, compruebe la balanza de masa y anote su lectura antes de la prueba.

Antes de encender el combustible, verifique la ventilación del cuarto. La campana debe funcionar, pero debe ajustarse para perturbar mínimamente el flujo de aire alrededor del experimento. Antes de encender una muestra, calibre la cámara digital utilizando una regla en el lugar donde se colocará la muestra.

Además, inicie la adquisición de datos desde el software de la balanza. Ahora, coloque la muestra y luego encienda el combustible con una antorcha de propano. Para las mechas, toque momentáneamente la superficie de la punta con la llama.

Para combustibles sólidos, pase la llama uniformemente sobre la superficie durante 50 a 60 segundos. Después del período de combustión, apague la llama soplándola. En el caso de combustibles sólidos, deje que la combustión continúe durante un tiempo establecido.

Luego, repita el proceso de combustión varias veces utilizando el mismo intervalo de tiempo. Una vez que se hayan recopilado todos los datos de combustión, apague el soplador ajustando el controlador PWM a cero y desconectando el soplador. Por último, apague el controlador del motor paso a paso.

Tras varias combustiones, se puede medir la regresión incremental de un combustible sólido para verificar otras métricas. Después de cada período de combustión, corte el combustible sólido quemado a lo largo de la línea central. Luego, documente la regresión de la combustión con una fotografía de vista lateral.

Analice las fotos de vista lateral en ImageJ. Ábralas mediante Seleccionar archivo y Abrir imagen. Luego abra la imagen de la regla utilizando la opción Abrir imagen de calibración.

A continuación, superponga la imagen de calibración sobre la imagen del combustible sólido. Ahora, establezca la escala de medición dibujando una línea entre dos puntos con una distancia conocida en la regla. Luego, elija Establecer escala en el menú Analizar.

En la ventana Establecer escala, introduzca la Distancia conocida de la línea y haga clic en Aceptar. Repita este proceso con una nueva línea para confirmar que la escala de medición es correcta. Ahora, mida las distancias en la fotografía de la muestra dibujando una línea y observe luego el ángulo y la distancia en la barra de estado. Al presionar Control M, los datos se guardan en la ventana de datos.

La regresión de la combustión se calcula como el espesor de la muestra restado de su espesor inicial. Es importante anotar el intervalo de tiempo durante el cual la superficie del combustible permanece aproximadamente plana. Utilice la regresión de la combustión de este período para compararla con la cartografía de temperatura o para ajustar las posiciones de los termopares realizadas con el fin de compensar la regresión de la superficie.

Para configurar la cartografía de temperatura, alinee cuidadosamente un termopar microscópico con la superficie del combustible utilizando un deslizador X-Y. Colóquelo en el centro de la mecha de una muestra sólida. Para una mecha de combustible, utilice el deslizador X-Y para posicionar cuidadosamente el termopar microscópico a lo largo del borde delantero.

Es fundamental que un termopar esté posicionado perfectamente sobre la superficie de la muestra. Si no lo está, todas las mediciones tendrán un margen de error. Debe estar lo más cerca posible de la superficie del combustible para obtener mediciones precisas.

En el script de Velmex, establezca el intervalo de mapeo de temperatura durante las combustiones estables en 150 segundos para PMMA sólido o en 400 segundos para mechas impregnadas con líquido. Establezca el tamaño de paso, medido en la superficie de la muestra, para recopilar datos cada cuarto de milímetro. Establezca la frecuencia de muestreo entre 100 y 500 hercios.

Si la superficie se deforma dentro de los errores del experimento durante el mapeo, entonces los resultados ya no son válidos, por lo que es fundamental establecer correctamente el período de medición y el espaciado. Ahora, al realizar el experimento de combustión, ejecute el programa de adquisición de datos para que lea el algoritmo de escaneo de cuadrícula desde una carpeta en el escritorio. Con el programa en funcionamiento, los datos se registrarán automáticamente cuando sean activados por el módulo de adquisición de datos en LabVIEW.

Se midieron las tasas de pérdida de masa y los perfiles de temperatura en una llama de difusión de capa límite con convección forzada para muestras de PMMA. Los resultados muestran que es posible capturar temperaturas precisas cercanas a la superficie del combustible con errores pequeños, gracias a microtermopares y al método de corrección de radiación de dos termopares. Se midieron los gradientes de temperatura adimensionales a lo largo de la superficie del combustible de una llama de difusión de capa límite de PMMA a dos velocidades de corriente de aire.

También se midieron variaciones de las velocidades locales de combustión en diferentes condiciones de la corriente libre. Las velocidades locales de combustión obtenidas mediante gradientes adimensionales de temperatura se compararon asimismo con los datos experimentales obtenidos a partir de la regresión de la superficie de PMMA. Ambos coincidieron muy bien.

Los componentes de los flujos de calor de la llama se examinaron con mayor detalle a un flujo forzado de 2,06 metros por segundo. El detalle de las mediciones de temperatura cerca de la superficie permitió extraer los flujos de calor convectivo, los cuales, al combinarse con las tasas de pérdida de masa en la superficie, proporcionaron todos los componentes de la combustión para un análisis local. Una vez dominada, esta técnica puede realizarse en pocos minutos por muestra de combustible.

Tras seguir este procedimiento, se puede realizar un análisis de las tasas locales de combustión y de la transferencia de calor con el fin de comprender mejor el comportamiento de combustión de los materiales y validar códigos numéricos. No olvide que trabajar con estas llamas puede ser extremadamente peligroso, y siempre se deben tomar precauciones como usar protección ocular, trabajar en condiciones bien ventiladas y asegurarse de que los materiales que arden no sean tóxicos mientras se realiza este procedimiento.