Ingeniero Civil en Biotecnología / Este trabajo de título se enmarcó en el diseño de un calentador sumergido para en el calentamiento de soluciones con miras a evaluar su utilización para el riego de pilas de biolixiviación. El primer objetivo de este trabajo fue diseñar, construir y poner en marcha un calentador de petróleo Diesel que trabaja en base a una llama sumergida. El segundo objetivo tiene relación con la caracterización del equipo, con el fin de encontrar la ecuación de diseño de éste, en particular, el coeficiente de transferencia de calor en las burbujas (hla). El tercer objetivo tiene relación con la determinación del efecto de los desechos de combustión y el intenso calor que el quemador irradia sobre la solución, sobre la proliferación y actividad de las bacterias que están presentes en las soluciones de biolixiviación. El equipo consistió en un contendedor de agua de 60[cm] de diámetro y 60[cm] de alto, en cuyo centro se encontraba el tubo de llama de 20[cm] de diámetro, sumergido 8[cm] en la solución acuosa. El quemador se ubica en la parte superior de este tubo. Para la evacuación del agua desde el tubo, se utilizó un compresor de aire que se fijó en 3[L/seg]. El equipo, por su parte, tiene la capacidad de de operar con un flujo continuo de agua, además incorpora cinco termocuplas que miden la temperatura de los gases dentro del tubo de llama, en el borde de éste, en la chimenea, en el agua de entrada y de salida. Para realizar pruebas, el equipo se operó con tres flujos continuos de agua 0,5; 1; 1,5 [L/min] donde se registró la temperatura en cada minuto por un periodo de 30 minutos. Se determinó el valor de hla para los tres flujos estudiados, obteniéndose valores similares en cada caso con un valor promedio de [kW/(m3*ºC)]. Se registró una eficiencia máxima del calentador de un 74% y una mínima del 64% en contraste con una caldera que alcanza una eficiencia de 82,5%. No obstante, se demostró que se puede aumentar la eficiencia del quemador sumergido por sobre la de una caldera, a un 90%, si el tubo del quemador se sumerge hasta 12,1[cm]. Por otra parte, se determinó que el uso del quemador sumergido para calentar soluciones conteniendo bacterias lixiviantes resulta en un serio daño de su actividad. El calentamiento directo de una solución conteniendo 4,8 x 105redujo la población a 2,1 x 104bacterias/ml. El efecto más nocivo está relacionado con la incorporación de orgánicos residuales productos de la combustión del Diesel, que se refleja en un aumento del contenido de carbono orgánico de 1,25 a 17[mg/l]. Esta contaminación resultó en una completa inhibición de la actividad oxidativa bacteriana sobre el ión ferroso. Los resultados de este estudio indican que el uso de un quemador sumergido de Diesel para el calentamiento de soluciones de biolixiviación, es atractivo por su buena eficiencia energética, pero se recomienda efectuar el calentamiento indirectamente a través de la generación de vapor de agua, de modo de minimizar la incorporación de orgánicos contaminantes en la solución lixiviante.

Este trabajo de título está enmarcado en el reacondicionamiento y puesta en marcha de una planta piloto para la producción de clinker de Idiem. El primer objetivo de este trabajo fue diseñar, construir, y realizar las pruebas de un quemador de gas para el horno piloto debido al estado de deterioro y antigüedad del quemador original. El segundo objetivo fue realizar un estudio de diseño de una torre precalcinadora para un horno rotatorio de planta piloto de producción de clinker. El diseño del quemador consiste en una salida de gas licuado de petróleo (combustible), aire radial y aire axial (comburente) todas independientes entre sí. El área de salida del gas es de 19.63 [mm2 ], el área de salida del aire axial es de 663.5 [mm2 ] y el área de salida del aire radial es de 162 [mm2 ]. El quemador fue construido en su totalidad en acero especial 304 y fue recubierto con una capa de concreto refractario de 10 [mm] de espesor. El largo total del quemador es de 1550 [mm]. Se concluyó que el efecto del aire axial es de estirar la llama. Para un flujo de 19 [L/min] de gas y 30 [L/min] de aire radial la llama fue de 53 [cm], 53% más larga respecto a una llama en presencia del mismo flujo de aire axial y de gas. Cuando el flujo de aire radial es 19 [L/min] el ancho de la llama es de 21.4 [cm], más ancha en un 35% respecto a la misma llama en presencia de aire axial en las mismas condiciones. Para un flujo de 19 [L/min] de gas la potencia del quemador es de 480 [Kcal/min], lo cual es suficiente para producir 20 [Kg clinker/hr], que es la capacidad máxima del horno rotatorio. La temperatura de llama es de 900 [ºC]. Junto con el trabajo descrito anteriormente, se realizó un estudio de diseño de una torre precalcinadora en donde se describen las características de los equipos asociados y se dan las bases para entender el funcionamiento de la torre y poder así iniciar un posterior diseño de ésta.

[ES] El proceso de combustión en llamas de difusión de combustible atomizado es un fenómeno multifásico altamente complejo que a día de hoy no se comprende en su totalidad, ya que involucra varios eventos simultáneos, como atomización, vaporización y cinética química. A lo largo de los años, los investigadores han estudiado a fondo la combustión en llamas de combustibles líquidos, con el fin de comprender los procesos fundamentales como clave para reducir las emisiones contaminantes y mejorar la eficiencia de la propulsión de las aeronaves. En los últimos años, la evolución tanto en la tecnología de inyección como en la de combustión ha permitido mejorar el proceso de mezcla por aspersión y la eficiencia del motor y, por tanto, reducir las emisiones contaminantes. Por lo que, diferentes configuraciones de tipo de inyector y distribución de aire dentro de la cámara de combustión han demostrado ser capaces de reducir el consumo de combustible, así como las emisiones de óxidos de nitrógeno y hollín sin afectar el rendimiento del motor. Esta tesis proporciona una metodología experimental para estudiar los efectos de las condiciones de co-flujo, el caudal másico de combustible, el tipo de combustible y el diámetro de salida del quemador sobre la atomización y la combustión de la llama producida en un quemador anular bajo condiciones de operación pobres. La caracterización del chorro sin combustión se realizó mediante dos técnicas ópticas diferentes. Por un lado, se utilizó velocimetría de imagen de partículas para medir los campos de velocidad del espray. Por otro lado, retroiluminación microscópica difusa (MDBI) para medir el tamaño y la velocidad de las gotas. Los resultados mostraron que ambos están controladas principalmente por el tipo de combustible y el caudal másico del mismo. Sin embargo, la variación de la velocidad de co-flujo no mostró un efecto significativo en las características de las gotas (tamaño y velocidad), lo que probablemente se deba a que el campo de visión de la técnica MBDI estaba muy cerca de la punta del inyector. Adicionalmente, al incrementar la temperatura de co-flujo se observó que el diámetro promedio de gota disminuía, lo cual es causado por la evaporación del combustible. Finalmente, las variaciones en los perfiles de tamaño y velocidad de las gotas al variar el diámetro de salida de aire se relacionaron con la variación de la velocidad del co-flow, lo que afectaba la evaporación y el arrastre de las gotas. Para el estudio de la llama en condiciones reactivas, se probó en condiciones de operación que permitan llama estabilizadas, utilizando tres técnicas ópticas diferentes, las cuales se activaron simultáneamente. La extinción de luz difusa se utilizó para determinar el espesor óptico del hollín. Además, se emplearon las técnicas de quimioluminiscencia OH* y MDBI para medir la altura de despegue de la llama y las características de las gotas, respectivamente. Los resultados mostraron que la velocidad y temperatura del co-flujo, y el tipo de combustible influyen fuertemente en la altura de despegue de la llama. Mientras que en la formación hollín los parámetros más influyentes fueron la velocidad del co-flujo y el tipo de combustible. Con respecto a los resultados de la evaporación de las gotas, se observó que el tamaño inicial y las propiedades del combustible controlan su evaporación. El combustible n-Dodecano es el menos volátil y tiene un tamaño de gota inicial más grande y, por lo tanto, las gotas tardaron más en evaporarse, lo que resultó en una mayor longitud de despegue de la llama y una mayor formación de hollín debido a su mayor tendencia a formar hollín. Por el contrario, las gotas de n-Heptano se evaporaron más rápido, lo que resultó en una altura de despegue de la llama más corta y también en una menor formación de hollín. Finalmente, el combustible n-Decano mostró resultados intermedios para la evaporación de gotas, la altura de despegue de la llama y la formación de hollín. / [CA] El procés de combustió en flames de difusió de combustible atomitzat és un fenomen multifásico altament complex que a hores d'ara no es comprén en la seua totalitat, ja que involucra diversos esdeveniments simultanis, com a atomització, vaporització i cinètica química. Al llarg dels anys, els investi- gadors han estudiat a fons la combustió en flames de combustibles líquids, a fi de comprendre els processos fonamentals com a clau per a reduir les emissions contaminants i millorar l'eficiència de la propulsió de les aeronaus. En els últims anys, l'evolució tant en la tecnologia d'injecció com en la de combustió ha permés millorar el procés de mescla per aspersió i l'eficiència del motor i, per tant, reduir les emissions contaminants. Pel que, diferents configuracions de tipus d'injector i distribució d'aire dins de la cambra de combustió, han demostrat ser capaços de reduir el consum de combustible, així com les emissions d'òxids de nitrogen i sutja sense afectar el rendiment del motor. Aquesta tesi proporciona una metodologia experimental per a estudiar els efectes de les condicions de co-flux, el cabal màssic de combustible, el tipus de combustible i el diàmetre d'eixida del cremador sobre l'atomització i la combustió de la flama produïda en un cremador anul·lar sota condicions d'operació pobres. La caracterització del doll sense combustió es va realitzar mitjançant dues tècniques òptiques diferents. D'una banda, es va utilitzar velocimetría d'imatge de partícules per a mesurar els camps de velocitat de l'esprai. D'altra banda, retroil·luminació microscòpica difusa (MDBI) per a mesurar la grandària i la velocitat de les gotes. Els resultats van mostrar que tots dos estan controlades principalment per la mena de combustible i el cabal màssic d'aquest. No obstant això, la variació de la velocitat de co-flux no va mostrar un efecte significatiu en les característiques de les gotes (grandària i velocitat), la qual cosa probablement es deu al fet que el camp de visió de la tècnica MBDI estava molt prop de la punta de l'injector. Addicionalment, en incrementar la temperatura de co-flux es va observar que el diàmetre mitjà de gota disminuïa, la qual cosa és causat per l'evaporació del combustible. Finalment, les variacions en els perfils de grandària i velocitat de les gotes en variar el diàmetre d'eixida d'aire es van relacionar amb la variació de la velocitat del co-flux, la qual cosa afectava l'evaporació i l'arrossegament de les gotes. Per a l'estudi de la flama en condicions reactives, es va provar en condicions d'operació que permeten flama estabilitzades, utilitzant tres tècniques òptiques diferents, les quals es van activar simultàniament. L'extinció de llum difusa es va utilitzar per a determinar la grossària òptica del sutge. A més, es van emprar les tècniques de quimioluminescència OH* i MDBI per a mesurar l'altura d'enlairament de la flama i les característiques de les gotes, respectivament. Els resultats van mostrar que la velocitat i temperatura del co-flux, i el tipus de combustible influeixen fortament en l'altura d'enlairament de la flama. Mentre que en la formació sutge els paràmetres més influents van ser la velocitat del co-flux i el tipus de combustible. Respecte als resultats de l'evaporació de les gotes, es va observar que la grandària inicial i les propietats del combustible controlen la seua evaporació. El combustible n-Dodecano és el menys volàtil i té una grandària de gota inicial més gran i, per tant, les gotes van tardar més a evaporar-se, la qual cosa va resultar en una major longitud d'enlairament de la flama i una major formació de sutge degut a la seua major tendència a formar sutge. Al contrari, les gotes de n-Heptano es van evaporar més ràpid, la qual cosa va resultar en una altura d'envol de la flama més curta i també en una menor formació de sutja. Finalment, el combustible n-Decano va mostrar resultats intermedis per a l’evaporació de gotes, l’altura d’envol de la flama i la formació de sutja / [EN] The combustion process in spray flames is a highly complex multi-phase phenomenon that is still not completely understood since it involves several simultaneous events, such as atomization, vaporization, and chemical kinetics. Over the years, researchers have studied the combustion in spray flames thoroughly, in order to understand the fundamental processes as key to re- duce pollutant emissions and improve the efficiency of aircraft propulsion. In recent years, the evolution in both injection and combustion technology has allowed to improve the spray mixing process and engine efficiency and hence, reducing pollutant emissions. Therefore, different configurations of injector type and air distribution inside the combustion chamber have proved capable of reducing fuel consumption, as well as emissions of nitrogen oxides and soot without affecting the engine performance. This thesis provides an experimental methodology to study the effects of co-flow conditions, fuel mass flow rate, fuel type and air outlet diameter at the burner exit on the atomization and combustion behavior of the spray flame produced on an annular spray burner under lean conditions. The characterization of the liquid spray without combustion was carried out using two different optical techniques. On the one hand, particle image velocimetry was used to characterize the global velocity fields of the spray. On the other hand, Microscopic diffused back-illumination (MDBI) to measure the size and droplet velocity at a field of view close to the injector tip. The results exhibited that both droplet size and droplet velocity are mainly controlled by the fuel type and fuel mass flow rate. Nevertheless, the variation of the co-flow velocity did not show a significant effect on droplet characteristics (size and velocity), which is likely due to the fact that the field of view of the MDBI technique was located very close to the injector tip. Additionally, by increasing the co-flow temperature, it was observed that the mean droplet size decreased, which is caused by the fuel evaporation process. Finally, the variations in the droplet size and velocity profiles when varying the air outlet diameter were related to the velocity variation when modifying the cross-sectional area at the burner outlet, which affects the evaporation and drag of the drops. On the spray development in reactive conditions, it was investigated in the operating conditions that promote stabilized flames, using three different optical techniques, all of which were triggered simultaneously. The light extinction was used to determine the optical thickness through the soot cloud. In addition, OH* chemiluminescence and the MDBI techniques were employed to measure the flame lift-off height and droplet characteristics, respectively. The results exhibited that the co-flow velocity, co-flow temperature and fuel type strongly influence the flame lift-off height. While in the soot formation the most influential parameters were the co-flow velocity and the type of fuel. Regarding the results of the droplet evaporation, it was observed that the initial droplet sizes and the fuel properties control the droplet evaporation process. n-Dodecane fuel is the least volatile and also exhibited a larger initial droplet size and thus, the droplets took more time to evaporate than the other two fuels, resulting in a longer flame lift-off height and likewise higher soot formation by its greater tendency to form soot. Contrary, n-Heptane droplets evaporated faster, resulting in a shorter flame lift-off height and also less soot formation. Finally, n-Decane showed intermediate results for droplet evaporation, flame lift-off height, and soot formation. / Cardona Vargas, S. (2021). Development of a test rig for the study of the atomization and combustion of a spray flame in an atmospheric annular spray burner at lean conditions [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/179994 / TESIS