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Proyecto Fin de Carrera INGENIERO TÉCNICO INDUSTRIAL Evaluación de una boquilla de atomización Escuela de Ingeniería Técnica Proyecto Fin de Carrera INGENIERO TÉCNICO INDUSTRIAL Especialidad Mecánica Evaluación de una boquilla de atomización de doble fluido Autor José Antonio Martínez Mestre Directores Jorge A. Barroso Estébanez Félix M. Barreras Toledo Antonio Lozano Fantoba Escuela de Ingeniería Técnica Indu strial, Universidad de Zaragoza Marzo, 2013 Proyecto Fin de Carrera INGENIERO TÉCNICO INDUSTRIAL Evaluación de una boquilla de atomización strial, Universidad de Zaragoza Índice 1. Introducción 3 1.1. Contenido del proyecto 4 2. Estado de arte 5 2.1. Definición del proceso de atomización 5 2.2. Historia de la atomización 5 2.3. Atomización en combustión 6 2.4. Boquillas para la atomización de combustibles líquidos 7 3. Instalación experimental de atomización 10 3.1. Sistema de aire 11 3.2. Sistema de agua 12 3.3. Sistema de sujeción y desplazamiento del atomizador 14 3.4. Sistema de drenaje 14 3.5. Atomizador 16 3.6. Procedimiento de operación 25 4. Descripción y resultados de los experimentos 30 4.1. Pruebas para corregir las presiones de aire bajas 30 4.2. Pruebas para corregir el caudal de aire medido con el rotámetro 31 4.3. Pruebas para determinar la presión en la cámara de mezcla 33 4.4. Pruebas para evaluar el funcionamiento de la boquilla 38 5. Conclusiones 46 6. Bibliografía 47 7. Anexos 49 Evaluación de una boquilla de atomización de doble fluido - 3 - 1. Introducción La atomización por doble fluido (o por fluido auxiliar) es un proceso en el que se fragmenta una masa de líquido en pequeñas gotas debido al efecto desestabilizador inducido por el fluido auxiliar en su interacción con el fluido atomizado. El proceso es complejo y ha sido objeto de numerosos estudios, aunque todavía se requiere mucho trabajo de investigación para comprender en profundidad sus detalles y mejorar el control sobre el mismo. En el Laboratorio de Investigación en Fluidodinámica y Tecnologías de la Combustión (LIFTEC) se han realizado numerosas investigaciones sobre esta temática. Este proyecto se presenta como un estudio experimental de un modelo a escala real de un atomizador de doble fluido, diseñado para atomizar líquidos de gran viscosidad, empleando vapor de agua como fluido auxiliar. El modelo del atomizador se evalúa en un banco de laboratorio utilizando agua como fluido a atomizar y aire en sustitución del vapor de agua para un rango de números de Reynolds que garantiza la semejanza con el prototipo real. La boquilla objeto de estudio está formada por dos piezas independientes que al montarse conforman un conjunto único (el atomizador) con una cámara de mezcla entre las dos piezas. Es en esta cámara donde confluyen varios canales de agua que llegan por la periferia y el aire que entra por un orificio central. La fuerte interacción de ambos fluidos dentro de la cámara favorece la formación de una mezcla bifásica homogénea, la cual sale del atomizador por varios orificios practicados en la pieza externa. En este PFC se pretende analizar la influencia de diferentes parámetros de trabajo sobre la razón entre el flujo de aire y agua que se establece en el atomizador, elaborando un procedimiento para determinar las condiciones de bloqueo de la tobera de aire. En el estudio se incluye un análisis del caudal de aire volumétrico medido por el Dr. Germán Ferreira en su tesis doctoral “Study of the Flow Inside a Twin Fluid Atomizer with Internal Mixing Chamber and its Influence on the Spray Quality” (2010) porque, según la corrección usada, en ocasiones el valor del flujo másico calculado a través de la medida experimental superaba al máximo que teóricamente puede salir por un orificio en condiciones isoentrópicas. Evaluación de una boquilla de atomización de doble fluido - 4 - 1.1. Contenido del proyecto El proyecto se estructura de la siguiente manera: En este Capítulo 1 se realiza una breve introducción del problema, los objetivos y el contenido de este proyecto. En el Capítulo 2 se presenta un resumen de las características de los atomizadores de doble fluido o de fluido auxiliar, y también se comentan las aplicaciones de estos dispositivos. El Capítulo 3 describe y explica las diferentes partes y sistemas de la instalación experimental. En el Capítulo 4 se realiza un análisis de los experimentos realizados. El Capítulo 5 se dedica al procesamiento de las medidas experimentales. En el Capítulo 6 se presentan las conclusiones sobre los resultados de los estudios realizados. En el Capítulo 7 se citan las bibliografías empleadas. En los Anexos se ubican las tablas de mediciones y de resultados de los cálculos realizados. Evaluación de una boquilla de atomización de doble fluido - 5 - 2. Estado del Arte 2.1. Definición del proceso de atomización La atomización es el proceso por el cual una masa de líquido se disgrega y pasa a formar ligamentos y gotas de dimensiones menores que la masa inicial. La rotura ocurre cuando las fuerzas cohesivas (interacción molecular y tensión superficial) que tienden a mantener la masa líquida unida, son superadas por fuerzas que tienden a su rotura (centrífugas, aerodinámicas, de presión, etc.). La atomización puede producirse por la propia energía cinética del fluido; aunque puede verse favorecida por la aplicación externa de energía mecánica a través de una rotación, un mecanismo vibrante o un impacto, o también mediante la exposición de la masa líquida a una corriente de gas con velocidad relativamente alta. Este último método constituye la denominada atomización asistida por gas, o de doble fluido, y permite obtener gotas de tamaño reducido con presiones de trabajo moderadas. 2.2. Historia de la atomización La atomización de líquidos es un tema de una gran importancia científica y tecnológica. Por un lado plantea una serie de problemas básicos de gran complejidad puesto que integra dinámica de fluidos multifásicos, fenómenos de transporte, evaporación, coalescencia, turbulencia, y en muchos casos, acoplamiento con reacciones químicas. Por otro lado, los procesos de atomización son determinantes en una amplia variedad de aplicaciones industriales: combustión en centrales térmicas, turbinas, motores de automoción, pintura, secado, recubrimiento y tratamiento de materiales, extinción de incendios, riegos por aspersión, aplicación de insecticidas y herbicidas, suministro de medicamentos y terapias de inhalación, etc. Todo ello ha llevado a que el estudio de la generación de aerosoles a partir de un volumen de líquido sea un tema al que se han dedicado innumerables esfuerzos de científicos e ingenieros desde los primeros estudios sistemáticos iniciados por Rayleigh a finales del siglo XIX (Rayleigh, 1878). Sin embargo, no es hasta la década de los años 30 del siglo pasado cuando este problema recibe un fuerte impulso, básicamente por los trabajos realizados por investigadores alemanes y norteamericanos entre los que hay que mencionar a Evaluación de una boquilla de atomización de doble fluido - 6 - Weber (1931), Ohnesorge (1936) y Taylor (1959). Cada uno de ellos, de alguna manera, ayudó a completar los incipientes resultados obtenidos por Rayleigh. Desde mediados del siglo pasado, los informes de estudios tanto teóricos de estabilidad lineal (Weber, 1932; Squire, 1953; etc.) como experimentales (Haenlein, 1932; Dombrowski y col., 1960; etc.), sobre la atomización de líquidos aparecidos en la literatura científica se han multiplicado. Un compendio sobre el conocimiento actual en este campo puede consultarse en el libro Atomization and Sprays de A. Lefevbre (1989), así como en las referencias citadas en éste. Sin embargo, dado el enorme volumen de trabajos sobre el tema de atomización, un resumen global sería excesivamente extenso. Por ello, esta revisión se va a limitar a un área específica, la combustión, y dentro de ella, a las boquillas atomizadoras de combustibles líquidos para plantas de generación de electricidad, comúnmente denominadas centrales térmicas. 2.3. Atomización en combustión Dentro de la gran variedad de aplicaciones de la atomización, quizá una de las de mayor importancia económica y social es la combustión. En el mundo actual la mayor parte de la electricidad se genera en centrales térmicas, donde la energía química de los combustibles fósiles (generalmente petróleos o carbón) se utiliza en producir vapor de agua en grandes calderas industriales. El vapor es llevado hasta una turbina la cual está acoplada a un generador eléctrico. Sin embargo, estos procesos generan CO 2 y otros productos contaminantes, cuyas emisiones deben minimizarse todo lo posible para alcanzar el mayor grado posible de sostenibilidad y cumplir con las cada vez más estrictas normativas medioambientales. Es bien conocido que una combustión rápida y eficiente de sustancias líquidas o sólidas exige su atomización o pulverización previa, de modo que se aumente la relación de superficie/volumen y se acelere la mezcla con el oxidante, y los procesos de evaporación o devolatilización. A su vez, dentro de los procesos de combustión de líquidos, un caso de especial relevancia es aquel en que los combustibles son fluidos de muy alta viscosidad, como es el caso de fuelóleos o petróleos crudos sin refinar. Esta situación se presenta, por ejemplo, en algunas centrales térmicas, en las que, debido a la creciente escasez de petróleo, se están quemando combustibles de calidad decreciente según sus propiedades físico-químicas. Hoy en día, es cada vez más común el uso de petróleos pesados (muy viscosos) y con alto contenido de azufre, vanadio y asfaltenos Evaluación de una boquilla de atomización de doble fluido - 7 - en las calderas de las centrales térmicas. La combustión limpia y eficiente de los petróleos pesados presenta dificultades adicionales respecto a los combustibles más ligeros. En primer lugar, lograr una calidad de atomización adecuada, definida por el diámetro medio de las gotas y la distribución de tamaños de éstas, resulta difícil debido a su alta viscosidad; mientras que la elevada concentración de compuestos pesados en su composición química hace que el tiempo característico del proceso de evaporación de los mismos sea muy grande. Ambas características contribuyen a una emisión apreciable de fracciones de combustible no quemado y partículas que se convierten en hollines ácidos. Por ello, resulta imprescindible aumentar la eficiencia del proceso de atomización, reduciendo el tamaño de las gotas producidas. De esta forma se garantiza un mejor encendido y control de las calderas, así como una disminución de la formación y emisión de NOx, hollín y otros agentes contaminantes. 2.4. Boquillas para la atomización de combustibles líquidos Como se ha indicado, la combustión eficiente de combustibles sólidos requiere la atomización previa en gotas del menor tamaño posible, con una distribución preferentemente homogénea. Para esta aplicación, un tamaño medio óptimo se situaría en torno a las 20 micras. Para lograr este tamaño, se requiere un precalentamiento adecuado del líquido. Debido a la elevada viscosidad de muchos de los combustibles utilizados en centrales térmicas, y a los altos caudales de operación, las boquillas adecuadas son siempre de doble fluido, en las que la atomización se ve asistida por un flujo de gas a alta velocidad. Por lo general el gas auxiliar utilizado es vapor de agua que se produce en el propio generador de vapor de la central, de forma que su calor también es transferido al combustible evitando que se enfríe. Sin embargo, esto incrementa los gastos de combustible y la cantidad de agua en los gases de combustión con todos los inconvenientes que ocasiona. Si el flujo de vapor requerido para la atomización es elevado se produce un enfriamiento excesivo de la zona de reacción por la adición de agua, contribuyendo a las inestabilidades de la llama o incluso a su extinción. Las llamas inestables que generan mucho hollín pueden llegar incluso a tocar las paredes de la caldera y esta situación produce la emisión de grandes cantidades de gases contaminantes y partículas sólidas. Por otra parte, el incremento del flujo de vapor de atomización ocasiona un incremento de la fracción de agua en los productos gaseosos de la combustión con el consiguiente Evaluación de una boquilla de atomización de doble fluido - 8 - aumento de los problemas corrosivos de estos gases en todas las superficies de intercambio de calor. Minimizar la adición de vapor de agua aumenta la eficiencia de la combustión, siempre y cuando esto no conlleve un aumento del diámetro de las gotas de combustible. El modelo más común de boquilla industrial para la atomización de fuelóleos pesados es el denominado de tipo “Y”. Recibe este nombre porque el líquido y el gas circulan por conductos separados que confluyen en el conducto de salida. Como el diámetro de las gotas normalmente se relaciona con el tamaño del orificio de salida, una única estructura en “Y” no tendría suficiente capacidad para atomizar los elevados caudales requeridos en una central térmica. Por ello, casi todas las boquillas comerciales suelen tener múltiples orificios de salida, cada uno de ellos conectado a una “Y”. Estas boquillas funcionan bien para aceites ligeros. Sin embargo, como se ha mencionado, muchas centrales los están sustituyendo por petróleo crudo, y el valor de los parámetros de trabajo con mayor influencia en los procesos de atomizacióncombustión de estos nuevos combustibles supera a menudo ampliamente los límites recomendados por los fabricantes de las boquillas comerciales, lo que da lugar a obstrucciones de difícil limpieza. Esta situación combinada con el impacto de los productos de la combustión de hidrocarburos sobre el calentamiento global ha motivado el desarrollo de diferentes estudios para obtener nuevos diseños de atomizadores, con el fin de conseguir un mejor rendimiento de la combustión, especialmente al quemar combustibles de peor calidad. Estas variaciones están sujetas a una serie de restricciones, y en particular deben mantenerse los caudales y presiones requeridos en las centrales térmicas. El proceso de diseño requiere un estudio detallado en modelos a escala, que simplifican y facilitan los ensayos y las medidas, pero exige como paso final, la fabricación y caracterización de boquillas de escala industrial, de modo que se asegure su funcionamiento en las condiciones de trabajo, es decir, con caudales elevados (toneladas por hora) y a las presiones reales de trabajo (en torno a los 10 bar). Este tipo de estudios excede normalmente las capacidades de la mayoría de las instalaciones experimentales que normalmente se califican como “de laboratorio”. Sin embargo, las medidas realizadas en las centrales en las condiciones reales de trabajo suelen ser poco precisas, y generalmente insuficientes para permitir un proceso de optimización de diseños. Evaluación de una boquilla de atomización de doble fluido - 9 - En cuanto a los diseños de las boquillas en sí, han de tenerse en cuenta aspectos no sólo científicos, sino también tecnológicos y económicos. Su fabricación no debe resultar excesivamente difícil ni tampoco cara. Un dispositivo demasiado complejo aumenta la posibilidad de desajustes y fallos y, en general, dificulta el mantenimiento y las posibles reparaciones. Por otro lado, puesto que va a utilizarse con fluidos muy viscosos, hay que procurar que no se obture, y que de hacerlo, la misma pueda desmontarse y limpiarse con facilidad. La mezcla de combustible y gas auxiliar es determinante para el funcionamiento de la boquilla, aunque los detalles del flujo en el interior de estos dispositivos se han estudiado poco y son, por tanto, poco conocidos. Como muestra de este tipo de atomizadores, pueden consultarse las patentes de Hayne y McDonald. (1922), Mitchel, y Cunningham. (1965), Reich, (1981), la más reciente de Strupp y Chung I-P. (2001), y los trabajos de Jicha y colaboradores (2003). En los últimos años el grupo de investigadores del Laboratorio de Investigación en Fluidodinámica y Tecnologías de la Combustión (LIFTEC) ha trabajado en el desarrollo de boquillas para la atomización de líquidos muy viscosos (Barreras y col. 2006, Ferreira y col. 2009a, 2009b), con orientación preferente a su uso en centrales térmicas en las que se quemen de manera eficaz hidrocarburos pesados de baja calidad, aunque podrían aplicarse a usos alternativos, como la atomización de pinturas, betunes, etc. Como se ha adelantado ya, y se describirá en detalle posteriormente, estas boquillas presentan un diseño novedoso en el que dos piezas separadas se acoplan para formar un atomizador con una cámara de mezcla interna que posibilita la mezcla intensiva del gas y el líquido antes de la descarga. Esta novedad, además de mejorar las facilidades para el mantenimiento de las boquillas, posee la ventaja de reducir la cantidad de fluido auxiliar necesario para lograr la misma calidad de atomización en comparación con los modelos de tipo “Y”. Se han probado ya varios prototipos en una amplia gama de condiciones de funcionamiento, obteniéndose muy buenas calidades de atomización. Al ser boquillas de doble fluido, su funcionamiento depende de las condiciones de operación y en particular de los flujos y las presiones del líquido y el gas. Por ello es de interés obtener relaciones adimensionales que incluyan estos parámetros y permitan predecir los resultados que van a obtenerse cuando se produzcan variaciones de los mismos. Evaluación de una boquilla de atomización de doble fluido - 16 - De forma adicional se dispone de un selector de chorro como se aprecia en la Figura 3.10, que sirve para seleccionar solamente una de las salidas del atomizador, sin afectar al resto. En este PFC este dispositivo se ha utilizado para evitar que las gotas del spray salpiquen los instrumentos de medición que rodean el banco experimental. También se emplean unas cortinas de plástico, tal como se ve en la Figura 3.10, como prevención adicional, ya la instalación está rodeada de aparatos bastantes delicados como un láser, un difractómetro Malvern, ordenadores, etc. Figura 3.10: Selector de chorro y cortinas de plástico. 3.5. Atomizador El conjunto del atomizador está formado por una pieza interior y otra exterior, tal y como se muestra en la Figura 3.11. De la misma forma, en la Figura 3.12 se pueden ver diferentes imágenes donde se observan las diferentes piezas y cómo queda montado el selector de orificios. Figura 3.11: Conjunto de las piezas interior y exterior del atomizador. Evaluación de una boquilla de atomización de doble fluido - 21 - Figura 3.12: Imágenes del atomizador La pieza interior (Figura 3.13) tiene una forma de cono truncado con 6 ranuras exteriores de sección rectangular que introducen el agua en la cámara de mezcla creando una estructura vortical en forma de toroide (ver imagen derecha de la Fig. 3.11). Esta pieza también posee un orificio central por donde se suministra el aire al interior de la cámara de mezcla. Figura 3.13: Croquis de la pieza interior Un esquema con diferentes vistas de la pieza exterior con sus principales medidas se muestra en la Figura 3.14. Corte longitudinal Vista desde la zona de salida Figura 3.14: Croquis de la pieza exterior Evaluación de una boquilla de atomización de doble fluido - 22 - Para realizar algunos experimentos fue necesario cortar un de las piezas exteriores de forma que parte de la pieza interior quedase al descubierto. Un esquema se muestra en el Figura 3.15). Figura 3.15: Pieza exterior recortada Para la realización de los experimentos, se emplean varios tipos de boquillas (piezas interiores) con medidas diferentes. En las Tablas 3.1 a 3.4 se muestran las medidas de las diferentes boquillas ensayadas. Tabla 3.1: Medidas para la pieza I (Pieza gris normal) LETRA MEDIDA A 20.60 mm B 14.00 mm C 22º D 18º E 45º F 4 mm G 17.25 mm H 3.50 mm I 16.30 mm J 8.00 mm Evaluación de una boquilla de atomización de doble fluido - 23 - Tabla 3.2: Medidas para la pieza II (pieza marrón larga) LETRA MEDIDA A 20.60 mm B 13.70 mm C 22º D 18º E 45º F 4 mm G 21.00 mm H 2.90 mm I 11.25 mm J 3.85 mm Tabla 3.3: Medidas para la pieza III (pieza marrón media) LETRA MEDIDA A 20.60 mm B 13.95 mm C 22º D 18º E 45º F 9 mm G 26.50 mm H 3.50 mm I 7.50 mm J 3.50 mm Evaluación de una boquilla de atomización de doble fluido - 24 - Tabla 3.4: Medidas para la pieza IV (pieza marrón corta) LETRA MEDIDA A 20.60 mm B 13.85 mm C 22º D 18º E 45º F 9 mm G 26.70 mm H 3.50 mm I 5.40 mm J 1.50 mm Para calcular el área de la ranura de la boquilla se utilizan las dimensiones que se muestran en la Figura 3.16 y en las Tablas 3.5 a 3.7. Figura 3.16: Medidas para el cálculo del área de flujo. El área de la sección transversal se determina por la siguiente ecuación: Área total = Área del rectángulo + Área del triángulo )] 2 * ()*[( hb baA T += Evaluación de una boquilla de atomización de doble fluido - 25 - Tabla 3.5: Dimensiones de las ranuras de agua para la pieza II LETRA MEDIDA A 1.9 mm B 2.1 mm C 3.5 mm Tabla 3.6: Dimensiones de las ranuras de agua para la pieza III LETRA MEDIDA A 3.5 mm B 4 mm C 3.5 mm Tabla 3.7: Dimensiones de las ranuras de agua para la pieza IV LETRA MEDIDA A 3 mm B 4 mm C 3.5 mm 3.6. Procedimiento de operación Para poder realizar los experimentos en esta instalación se deben cumplir un procedimiento sistemático de encendido y apagado que posee una serie de pasos de obligado cumplimiento. Sistema de encendido Para el uso correcto de la instalación es necesario cumplir con el procedimiento de puesta en marcha que se describe a continuación: 1. Extender el tubo flexible de 45 metros de longitud con diámetro interior de 25 mm y conectarlo mediante una abrazadera a la toma de aire comprimido, como se muestra en la Figura 3.17 Figura 3.17: Tubo flexible. Abrazadera y toma de aire comprimido 2. Encender el caudalímetro másico en el panel situado en la sala de control que se muestra en la Figura 3.18 Evaluación de una boquilla de atomización de doble fluido - 26 - Figura 3.18: Caudalímetro másico situado en la sala de control 3. Conectar las dos fuentes de alimentación en el panel de control. (ver Fig. 3.19) Figura 3.19: Botones de las dos fuentes de alimentación del panel de control 4. Cambiar a la posición activada el botón “AIRE 3o 5. Poner la consigna del caudalímetro de aire en el 50 % del rango de la escala. Ver Figura 3.20 Figura 3.21: Caudal aire 6. Abrir la válvula de aire en la toma donde se conecta el tubo flexible para permitir la entrada de aire a la instalación de atomización (ver Figura 3.21) Evaluación de una boquilla de atomización de doble fluido - 27 - Figura 3.21: Apertura de la válvula de aire 7. Conectar y encender el termopar de la línea de aire comprimido (Figura 3.22) Figura 3.22: Termómetro electrónico 8. Encender el panel electrónico del banco de ensayos de atomizadores que se muestra en la Figura 3.23 Figura 3.23: Panel electrónico Evaluación de una boquilla de atomización de doble fluido - 28 - 9. Comprobar que la válvula de recirculación del agua está completamente abierta 10. Conectar la bomba de agua 11. Conectar el extractor de aire (ventilador de extracción) 12. Abrir al máximo la válvula del caudalímetro de agua de mayor rango ubicada a la derecha 13. Regular el caudal con la válvula de agua de la izquierda hasta fijar el valor de medida correspondiente (ver Figura 3.24) Figura 3.24: Válvula roja de la izquierda 14. Abrir al máximo la válvula roja 15. Fijar el caudal de aire con la válvula negra (Figura 3.25). Figura 3.25: Válvula negra a la izquierda Evaluación de una boquilla de atomización de doble fluido - 29 - Sistema de apagado Al finalizar las mediciones es necesario seguir el siguiente procedimiento para apagar la instalación: 1. Abrir completamente la válvula de recirculación del agua 2. Cerrar la válvula del rotámetro del agua 3. Apagar el botón de la bomba 4. Apagar el botón del extractor 5. Apagar la fuente de alimentación del panel eléctrico 6. Desconectar el termómetro electrónico 7. Poner a 0 % el caudalímetro de aire en la sala de control 8. Esperar a que la presión en la línea baje a cero 9. Cerrar la válvula 10. Ir a la sala de control para apagar el caudalímetro másico de aire pulsando el botón “AIRE 3o” y desconectando las dos fuentes de alimentación 11. Cerrar la válvula de aire de la manguera conectada 12. Desconectar y recoger la manguera. Evaluación de una boquilla de atomización de doble fluido - 36 - N [\]  23.1744393818X18.5381934121e X12.9469761803Aj 1 D X3.33566599428 (4.8) En la Figura 4.4 se muestra el ajuste realizado. Figura 4.4: Mejor ajuste para el coeficiente de pérdidas en el distribuidor Incluso con este modelo que tiene mejor coeficiente de correlación, los resultados no son adecuados al restar el valor obtenido a la pérdida total para obtener la pérdida solo en la boquilla (en muchos casos se obtienen valores negativos de pérdidas en boquilla). Es posible que la explicación de este hecho esté en que el distribuidor se comporta de forma diferente (en cuanto a pérdidas de carga) cuando está solo que cuando se combina con la pieza interior de la boquilla. Para solucionar este problema se ha decidido determinar el modelo de pérdidas del distribuidor y pieza interna en conjunto. En estas nuevas condiciones la ecuación de la energía mecánica queda,  GR .ST. UV W H XY Z  N  *. UV W H XN OP . UW W H . UW W H (4.9) Así, se evaluó la pérdida de carga para tres longitudes diferentes de la pieza interna, la normal (pieza interna II), la denominada larga con una longitud de 11.25 mm y un área de flujo de 44.1 mm 2 , y las otras dos recortadas, la primera denominada media (pieza interna III) con una longitud de 7.5 mm y un área de flujo de 69.68 mm 2 y la segunda (pieza interna IV) con longitud de 5.4 mm y un área de flujo de 84 mm 2 . La razón de área de flujo entre la salida y la entrada es A 2 /A 1 = 0.2773 para la pieza interna larga, 0.4381 para la pieza interna media y 0.5282 para la pieza interna corta, donde A 1 es el área de flujo del distribuidor. En la Figura 4.5 se muestran los valores de pérdidas obtenidos para los tres tipos de boquilla. S = 2.22482215 r = 0.97183226 X Axis (units) Y Axis (units) 0.7 1.5 2.3 3.0 3.8 4.6 5.4 3.73 7.28 10.82 14.37 17.91 21.46 25.00 Evaluación de una boquilla de atomización de doble fluido - 37 - Figura 4.5: Comportamiento del coeficiente de pérdidas de carga en la boquilla con la velocidad Tratando de encontrar el mejor coeficiente de regresión se ha ajustado el modelo en función del número de Reynolds y del parámetro adimensional de forma  ZW k * con el software STATGRAPHIC, obteniéndose una correlación de 96.6%. N OP  V.lWmn odW pqr.WssV6tfu V.WWmVv (4.10) Lo que es lo mismo que, N OP  JwLLJK.434G4LLGG odW pqr.WssV6tfu V.WWmVv (4.11) Si se utiliza solamente el número de Reynolds en el ajuste, el coeficiente de correlación disminuye hasta el 91.8% y el modelo resulta N OP  w53L3JH.K3L M6tfuQ 1.41917 (4.12) Con el buscador de curvas del CurvExpert se obtiene que N OP  H3IIGHL.4H M6tfuQ X1.35 (4.13) Con un coeficiente de correlación de 0.98. En la Figura 4.6 se muestra la calidad de este ajuste. y = 51.441x -1.379 R² = 0.9236 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0123456 Kboq VaBoq Larga Media Corta Todas Evaluación de una boquilla de atomización de doble fluido - 38 - Figura 4.6: Mejor ajuste para el coeficiente de pérdidas en la boquilla A pesar de la calidad del ajuste estadístico, la ec. (4.13) subestima demasiado el coeficiente de pérdidas N OP para números de Reynolds elevados y los resultados de bloqueo no coinciden con lo observado en los experimentos. Con la ecuación del coeficiente de pérdidas para la boquilla y distribuidor en conjunto, considerando el Reynolds y el parámetro de forma (ec. 4.11), se puede determinar la presión en la cámara de mezcla por la siguiente ecuación:    G .ST1XY Z  XN  *. UV W H XMN OP 1Q. Utfu W H (4.14) Una vez determinada la presión en la cámara de mezcla, se puede comprobar el bloqueo de la tobera de aire de la boquilla a través de la relación    5 x   5 0.528281788 y tobera bloqueada 4.4. Prueba para evaluar el funcionamiento de la boquilla A esta prueba se le denomina Prueba 3 y cuenta con dos tipos de experimentos identificados como Experimento 1 (medidas para la pieza interior I, de longitud normal, ver Figura 3.13 y Tabla 3.1) y Experimento 2 (medidas para la pieza interior II, de longitud larga, ver Figura 3.13 y Tabla 3.2). Esta prueba consiste en medir los parámetros de operación de la boquilla para las dos variantes geométricas variando los caudales de agua y diferentes razones de flujo de aire con respecto al flujo de agua (ALR). S = 5.17253007 r = 0.97975369 X Axis (units) Y Axis (units) 400 2400 4400 6400 8400 10400 12400 14400 16400 0 20 40 60 80 100 120 Evaluación de una boquilla de atomización de doble fluido - 39 - Experimento 1 El experimento 1 consiste en realizar 10 mediciones para diferentes caudales de aire con el mismo caudal de agua. El primer caudal de agua es 200 l/h y el caudal del aire en el rotámetro se va subiendo paulatinamente desde 8 Nm 3 /h hasta 46 Nm 3 /h. Para cada una de las medidas se anotan los valores de las presiones del agua y del aire y la temperatura del aire, que se ha mantenido prácticamente constante a lo largo de los experimentos. Una vez realizadas las diez mediciones se incrementa el caudal del agua y se repiten las medidas para los diez puntos de caudal de aire. Los caudales de agua se incrementan de 100 en 100 l/h hasta llegar a un valor final de 900 l/h. En la Tabla 7.6 del Anexo se muestran los valores para el Experimento 1 de la prueba 3. En la Figura 4.7 se muestran de forma gráfica los resultados obtenidos en este experimento. Figura 4.7: Influencia del flujo de aire en la presión del agua. Experimento 1 de la Prueba 3 En la Figura 4.7 se puede apreciar como para caudal de agua constante, la presión del agua debe ir aumentando en la medida que se incrementa el flujo de aire y también la presión del aire, como también se muestra en la Figura 4.8. 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 pagua, bar Flujo de aire, kg/h Pieza interna I 900 800 700 600 500 400 300 200 Qagua, kg/h Evaluación de una boquilla de atomización de doble fluido - 40 - Figura 4.8: Influencia de la presión del aire en la del agua. Experimento 1 de la Prueba 3 En la Figura 4.9 se muestra el comportamiento de la razón aire/líquido con respecto a la presión del aire para diferentes caudales de agua. Figura 4.9: Influencia de la presión del aire en ALR. Experimento 1 de la Prueba 3 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 pagua, bar paire, bar Pieza interna I 900 800 700 600 500 400 300 200 Qagua, kg/h 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 ALR paire, bar Pieza interna I 200 300 400 500 600 700 800 900 Qagua, kg/h Evaluación de una boquilla de atomización de doble fluido - 41 - Como es lógico, para un caudal de agua constante la razón aire/líquido aumenta con la presión del aire y también con la del agua (ver Figura 4.10), ya que ambas presiones están acopladas en la cámara de mezcla. Figura 4.10: Influencia de la presión del agua en ALR. Experimento 1 de la Prueba 3 Experimento 2 El experimento 2 (pieza interior II, ver Figura 3.13 y Tabla 3.2) consiste en realizar 9 mediciones para diferentes caudales de aire con el mismo caudal de agua. El primer caudal de agua es 200 l/h y el caudal del aire en el rotámetro se va subiendo paulatinamente desde 8 Nm 3 /h hasta 46 Nm 3 /h. Como los flujos de agua y aire interactúan de forma violenta en la cámara de mezcla, para cada valor impuesto del flujo de aire es necesario corregir ligeramente el caudal de agua al valor deseado. En cada una de las medidas se anotan los valores de las presiones del agua y del aire y la temperatura del aire que se ha mantenido prácticamente constante a lo largo de los experimentos. Una vez realizadas las diez mediciones, hay que incrementar el caudal del agua y repetir los diez puntos de caudal de aire. Los caudales de agua se incrementan de 100 en 100 l/h hasta llegar a un valor final de 800 l/h. 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 ALR pagua, bar Pieza interna I 200 300 400 500 600 700 800 900 Qagua, kg/h Evaluación de una boquilla de atomización de doble fluido - 42 - En la Tabla 7.1 de los Anexos se muestran los valores medidos para el experimento 2. En la Figura 4.11 se muestran de forma gráfica los resultados obtenidos. Figura 4.11: Influencia del flujo de aire en la presión del agua. Experimento 2 de la Prueba 3 Al igual que en el experimento 1, en la Figura 4.11 se aprecia que para caudal de agua constante, la presión del agua aumenta con el flujo de aire y con la presión del aire (ver Figura 4.12). Figura 4.12: Influencia de la presión del aire en la presión del agua. Experimento 2 de la Prueba 3 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 pagua, bar Flujo de aire, kg/h Pieza interna II 800 700 600 500 400 300 200 Qagua, kg/h 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 pagua, bar paire, bar Pieza interna II 800 700 600 500 400 300 200 Qagua, kg/h Evaluación de una boquilla de atomización de doble fluido - 43 - También la relación aire/líquido se comporta de manera similar a los resultados obtenidos en el experimento 1 (ver Figuras 4.13 y 4.14). Figura 4.13: Influencia de la presión del aire en ALR. Experimento 2 de la Prueba 3 Figura 4.14: Influencia de la presión del agua en ALR. Experimento 2 de la Prueba 3 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 ALR paire, bar Pieza interna II 200 300 400 500 600 700 800 Qagua, kg/h 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 ALR pagua, bar Pieza interna II 200 300 400 500 600 700 800 Qagua, kg/h Evaluación de una boquilla de atomización de doble fluido - 44 - A pesar de que las dos piezas interiores poseen el mismo diámetro del orificio de entrada de aire a la cámara (4 mm), la pieza interior I (de longitud normal) es más corta que la pieza interior II (denominada larga), por lo que la razón aire/líquido es mayor en la pieza interior normal que en la larga para una misma presión del aire (ver Figura 4.15). Figura 4.15: Comparación de ALR para ambas boquillas con respecto a la presión del aire En esta Figura también se observa que al aumentar el caudal de agua se reducen las diferencias del parámetro ALR entre ambas boquillas (pieza interior normal y larga, respectivamente) para la misma presión del aire, es decir, la diferencia de la razón aire/líquido entre las dos boquillas estudiadas se reduce al aumentar el caudal de agua. El mismo resultado se observa al analizar el parámetro ALR en las dos boquillas con respecto a la presión del agua, es decir la razón aire/líquido es mayor en la pieza interior normal que en la larga para una misma presión del agua (ver Figura 4.16). Pero a diferencia del experimento anterior, las diferencias en ALR entre ambas boquillas para la misma presión de agua se reducen al disminuir el caudal de agua. 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 ALR paire, bar Pieza interna I y II 200N 200 300N 300 400N 400 500N 500 600N 600 700N 700 800N 800 900N Qagua, kg/hQagua, kg/hQagua, kg/hQagua, kg/hQagua, kg/hQagua, kg/hQagua, kg/hQagua, kg/hQagua, kg/hQagua, kg/hQagua, kg/h Evaluación de una boquilla de atomización de doble fluido - 45 - Figura 4.16: Comparación de ALR para ambas boquillas con respecto a la presión del agua 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 ALR pagua, bar Pieza interna I y II 200N 200 300N 300 400N 400 500N 500 600N 600 700N 700 800N 800 900N Qagua, kg/hQagua, kg/hQagua, kg/hQagua, kg/h Evaluación de una boquilla de atomización de doble fluido - 52 - Tabla 7.4: Resultados de la Prueba 2 con la pieza interior III Qagua (l/h) Pagua man (bar) 1 200 0.45 2 300 0.5 3 400 0.7 4 500 1.0 5 600 1.2 6 700 1.55 7 800 1.9 8 900 2.3 Tabla 7.5: Resultados de la Prueba 2 sin pieza interior Qagua (l/h) Pagua man (bar) 1 200 0.25 2 300 0.55 3 400 0.7 4 500 1.1 5 600 1.25 6 700 1.5 7 800 1.95 8 900 2.3 Evaluación de una boquilla de atomización de doble fluido - 53 - Tabla 7.6: Resultados de la prueba 3 experimento 1 (pieza interior I) Qagua pagua man paire man paire man 0-4 Qaire rotam Qaire correg Qaire sala Difer maire l/h bar kg/cm 2 kg/cm 2 Nm 3 /h Nm 3 /h Nm 3 /h kg/s 200 0.4 0 0 10 5.1 4.1 1.0 0.00147202 200 0.45 0 0.05 20 10.4 10.4 0.0 0.00373391 200 0.5 0.5 0.29 24 13.8 13.8 0.0 0.00495462 200 0.5 0.8 0.68 28 18.4 17.9 0.5 0.00642664 200 0.55 1 0.91 30 21.0 20.3 0.7 0.00728831 200 0.65 1.5 1.48 34 27.0 26.3 0.7 0.00944249 200 0.75 2.2 2.19 38 34.2 33.7 0.5 0.01209932 200 0.9 2.7 2.64 40 38.4 38.4 0.0 0.01378676 200 1 3.1 3.01 42 42.3 42.3 0.0 0.01518698 200 1.2 3.9 3.83 46 50.9 50.9 0.0 0.01827464 300 0.55 0 0 10 5.1 4.1 1.0 0.00147202 300 0.6 0.2 0.1 20 10.7 10.7 0.0 0.00384162 300 0.65 0.6 0.35 24 14.1 14.1 0.0 0.00506233 300 0.75 0.9 0.75 28 18.8 18.7 0.1 0.00671387 300 0.8 1.1 1.01 30 21.5 21.4 0.1 0.00768325 300 0.9 1.6 1.55 34 27.4 27 0.4 0.00969382 300 1 2.3 2.26 38 34.5 34.4 0.1 0.01235064 300 1.1 2.7 2.67 40 38.5 38.7 -0.2 0.01389447 300 1.2 3 3.05 42 42.6 42.7 -0.1 0.01533059 300 1.4 3.9 3.76 46 50.5 50.2 0.3 0.01802332 400 0.8 0 0 10 5.1 4 1.1 0.00143612 400 0.85 0.2 0.13 20 10.8 10.8 0.0 0.00387753 400 0.9 0.6 0.35 24 14.1 14.1 0.0 0.00506233 400 1 0.9 0.76 28 18.8 18.7 0.1 0.00671387 400 1 1.1 0.99 30 21.3 21.1 0.2 0.00757554 400 1.1 1.6 1.53 34 27.3 26.8 0.5 0.00962201 400 1.3 2.2 2.18 38 34.1 33.6 0.5 0.01206342 400 1.4 2.7 2.67 40 38.5 38.7 -0.2 0.01389447 400 1.5 3.1 3.02 42 42.3 42.3 0.0 0.01518698 400 1.7 3.9 3.83 46 50.8 50.8 0.0 0.01823874 500 1.1 0 0 10 5.1 4.2 0.9 0.00150793 500 1.2 0.4 0.13 20 10.8 10.8 0.0 0.00387753 500 1.3 0.6 0.4 24 14.4 14.4 0.0 0.00517004 500 1.4 1 0.75 28 18.7 18.6 0.1 0.00667796 500 1.45 1.2 1.01 30 21.4 21.3 0.1 0.00764734 500 1.5 1.7 1.58 34 27.5 27.3 0.2 0.00980153 500 1.7 2.3 2.22 38 34.3 34 0.3 0.01220703 500 1.8 2.6 2.72 40 38.8 39.2 -0.4 0.01407398 500 1.85 3.1 3.12 42 42.8 43.3 -0.5 0.01554601 500 2.1 3.9 3.82 46 50.7 50.7 0.0 0.01820283 600 1.4 0 0 10 5.1 4.6 0.5 0.00165154 600 1.5 0.4 0.21 20 11.2 11.2 0.0 0.00402114 600 1.55 0.7 0.45 24 14.6 14.6 0.0 0.00524184 600 1.7 1 0.80 28 19.0 19.1 -0.1 0.00685748 600 1.75 1.3 1.05 30 21.6 21.7 -0.1 0.00779096 600 1.85 1.7 1.61 34 27.7 27.6 0.1 0.00990923 600 2 2.3 2.24 38 34.4 34.2 0.2 0.01227883 600 2.1 2.7 2.70 40 38.7 39 -0.3 0.01400218 600 2.2 3.1 3.05 42 42.5 42.6 -0.1 0.01529469 600 2.45 3.9 3.91 46 51.2 51.6 -0.4 0.01852596 700 1.7 0 0 10 5.1 4.3 0.8 0.00154383 700 1.85 0.5 0.26 20 11.4 11.4 0.0 0.00409294 700 1.9 0.75 0.48 24 14.8 14.8 0.0 0.00531365 700 2 1.1 0.84 28 19.2 19.5 -0.3 0.00700109 700 2.1 1.3 1.09 30 21.9 22.2 -0.3 0.00797047 700 2.25 1.8 1.65 34 27.9 28 -0.1 0.01005285 700 2.4 2.4 2.26 38 34.5 34.4 0.1 0.01235064 700 2.55 2.8 2.75 40 39.0 39.5 -0.5 0.01418169 700 2.65 3.1 3.06 42 42.5 42.7 -0.2 0.01533059 700 2.85 3.9 3.87 46 51.0 51.2 -0.2 0.01838235 800 2.1 0 0 10 5.1 4.6 0.5 0.00165154 800 2.3 0.5 0.38 20 12.0 12 0.0 0.00430836 800 2.4 0.8 0.68 24 15.9 15.9 0.0 0.00570858 800 2.5 1.2 0.94 28 19.9 20.8 -0.9 0.00746783 800 2.6 1.4 1.19 30 22.6 23.4 -0.8 0.00840131 800 2.7 1.8 1.71 34 28.5 28.9 -0.4 0.01037597 800 2.8 2.4 2.37 38 35.5 35.9 -0.4 0.01288919 800 3 2.8 2.82 40 39.7 40.6 -0.9 0.01457663 800 3.1 3.2 3.24 42 43.9 45 -1.1 0.01615636 800 3.4 3.9 3.94 46 51.9 52.4 -0.5 0.01881318 900 2.6 0 0 10 5.1 4.4 0.7 0.00157973 900 2.7 0.6 0.42 20 12.2 12.2 0.0 0.00438017 900 2.8 0.9 0.68 24 15.9 15.9 0.0 0.00570858 900 2.9 1.2 0.91 28 19.7 20.4 -0.7 0.00732422 900 3 1.5 1.17 30 22.5 23.2 -0.7 0.00832950 900 3.1 1.9 1.74 34 28.6 29.2 -0.6 0.01048368 900 3.3 2.5 2.37 38 35.4 35.8 -0.4 0.01285328 900 3.4 2.9 2.84 40 39.7 40.7 -1.0 0.01461253 900 3.6 3.3 3.21 42 43.7 44.6 -0.9 0.01601275 900 3.8 3.9 3.89 46 51.5 51.8 -0.3 0.01859777