Numerical Optimization of the Nozzle Air Inlet Structure in H 2 -CH 4 Micromix Combustor

A medida que el mundo busca alejarse de los combustibles fósiles, se le pide a las turbinas de gas que hagan algo para lo que nunca fueron diseñadas: quemar hidrógeno junto con gas natural. El hidrógeno es un combustible limpio que no produce dióxido de carbono cuando se quema, pero también es increíblemente reactivo. Cuando se mezcla con aire, arde con tanta rapidez y ferocidad que puede provocar que la llama retroceda hacia el suministro de combustible o crear puntos calientes intensos y localizados que generen óxidos de nitrógeno nocivos. Para resolver esto, los ingenieros han desarrollado un concepto llamado combustión de micro mezcla (micromix). En lugar de una sola llama grande, este enfoque utiliza cientos de canales diminutos para crear un vasto campo de llamas microscópicas. Al dividir el combustible y el aire en chorros pequeños y separados, la mezcla ocurre casi instantáneamente, evitando la formación de puntos calientes y manteniendo las emisiones bajas. Sin embargo, para que este sistema funcione, el combustible y el aire deben mezclarse con extrema precisión antes de que se ignoren.

Un equipo de investigadores del Grupo Nacional de Energía de China e institutos de investigación se propuso perfeccionar el diseño de la boquilla que suministra esta mezcla. Su objetivo era encontrar la mejor manera de disponer los orificios por donde entra el aire en la boquilla para asegurar que se mezcle perfectamente con el combustible de hidrógeno y metano. No construyeron un prototipo físico para probar en un laboratorio; en su lugar, utilizaron potentes simulaciones por computadora para modelar el flujo de los gases. Estas simulaciones les permitieron observar cómo interactúan el aire y el combustible dentro de la boquilla, rastreando cómo los gases se arremolinan, colisionan y se mezclan bajo diferentes condiciones. Los investigadores se centraron en un tipo específico de boquilla donde el aire entra por las paredes laterales y colisiona con el combustible que viene desde abajo, creando un entorno turbulento que fuerza a los dos gases a unirse.

El equipo comenzó probando cómo el número de orificios de aire afectaba el proceso de mezcla. Compararon un diseño simple con una sola capa de cuatro orificios contra arreglos más complejos con ocho y doce orificios. Descubrieron que añadir más capas de orificios creaba una reacción en cadena de corrientes de aire arremolinadas. Cuando el aire sale disparado desde los lados, bloquea el camino ascendente del combustible, obligando al combustible a girar alrededor y creando un vórtice, o un bolsillo de aire giratorio, cerca del fondo. Con una sola capa de orificios, este movimiento de rotación muere rápidamente. Pero con dos o tres capas, el aire de los orificios superiores atrapa el movimiento de rotación de los inferiores, creando un segundo, tercer e incluso más vórtices a medida que la mezcla asciende. Estas múltiples capas de aire arremolinado estiran y pliegan el combustible y el aire juntos, de forma muy similar al amasar la masa, asegurando que estén completamente mezclados antes de llegar al final de la boquilla. Los investigadores descubrieron que, si bien doce orificios ofrecían una ligera mejora sobre ocho, la complejidad adicional y la dificultad de fabricación no valían la pena por la mínima ganancia en rendimiento. Se decidieron por un diseño de doble capa con ocho orificios como el equilibrio más eficiente.

A continuación, los investigadores analizaron el tamaño de esos orificios. En su diseño inicial, todos los orificios de aire tenían el mismo tamaño, pero notaron que la presión del aire dentro de la boquilla no era uniforme. El aire que entraba por los orificios del fondo enfrentaba más resistencia y se movía con menos fuerza que el aire que entraba por los de arriba. Para solucionar esto, probaron un diseño "graduado" donde los orificios de la parte inferior eran más grandes y los de la parte superior más pequeños. Este simple cambio redistribuyó el impulso del aire. Al hacer los orificios inferiores más grandes, se empujaba más aire a través de ellos con mayor fuerza, fortaleciendo el vórtice de rotación en la parte inferior donde el combustible entra por primera vez. Este giro más fuerte atraía el combustible hacia el aire de manera más efectiva, eliminando los bolsillos de combustible no quemado que habían permanecido cerca del fondo en los diseños uniformes. Las simulaciones mostraron que este enfoque graduado mejoró significamente la calidad de la mezcla, llevando la uniformidad de la mezcla a niveles casi perfectos.

El equipo luego probó si esta boquilla optimizada podía manejar diferentes cantidades de hidrógeno. Simularon condiciones donde el combustible era gas natural puro, una mezcla con un 60% de hidrógeno, e incluso hidrógeno puro. Los resultados mostraron que el nuevo diseño funcionaba excepcionalmente bien para mezclas que contenían hasta un 60% de hidrógeno. En estos escenarios, la mezcla se mantenía uniforme y estable. Sin embargo, cuando llevaron el contenido de hidrógeno al 100%, el sistema comenzó a tener dificultades. El hidrógeno puro requiere un caudal mucho mayor para entregar la misma cantidad de energía, lo que significa que el combustible sale disparado de la boquilla a una velocidad mucho mayor. Este chorro de combustible de alta velocidad se volvió demasiado potente, atravesando directamente las corrientes de aire en lugar de ser atrapado y arremolinado por ellas. El delicado sistema de vórtices que mantenía unida la mezcla colapsó, y la calidad de la mezcla disminuyó. Este hallazgo sugiere que, si bien la boquilla es altamente efectiva para el período de transición de la adición de hidrógeno al gas, puede necesitar ajustes adicionales para manejar el hidrógeno puro.

Finalmente, los investigadores se dieron cuenta de que la boquilla no necesitaba ser tan larga como la que habían construido originalmente en sus modelos. Las simulaciones mostraron que la mezcla ocurría muy rápidamente; para cuando los gases viajaban 60 milímetros hacia arriba por la boquilla, ya estaban mezclados en un 97%. Los 40 milímetros de longitud restantes añadían muy poco a la calidad final de la mezcla. Este conocimiento significa que los ingenieros podrían construir una boquilla mucho más corta y compacta que ahorre espacio y reduzca los costos de fabricación sin sacrificar el rendimiento. El estudio concluye que, mediante la disposición cuidadosa del número y el tamaño de los orificios de aire, es posible crear una boquilla que mezcle hidrógeno y gas natural de manera eficiente y segura, proporcionando un paso práctico hacia una energía más limpia para las turbinas de gas.