Estimación de temperatura, radiación local y global de diferentes flujos másicos de llama utilizando el método de recuperación espectral Maloney-Wandell.

Abstract

Actualmente, se buscan nuevas técnicas de control y censado de combustión de llama para aumentar la eficiencia de este proceso y disminuir las emisiones contaminantes. Una de las técnicas que está siendo ampliamente utilizada en estos procesos, es la espectroscopia de llama, esta se usa ampliamente en el análisis de procesos de combustión industrial. Una llama emite energía sobre una amplia región espectral y sus espectros asociados contienen componentes continuos y discontinuos. En la literatura hay modelos, basados en la ley de Planck o de Wien, para representar el comportamiento espectral de la llama bajo diferentes parámetros de combustión; sin embargo, la naturaleza no lineal de estos modelos, sumada a la alta dimensión de los datos espectrales y la superposición entre las emisiones espectrales continuas y discontinuas, complican el análisis teórico de los procesos de combustión y hacen que sea necesarios métodos más complejos para obtener valiosa información para el control y la optimización de la llama. En esta tesis se analiza la emisión espectral de la llama emitida por el Gas licuado del petróleo (LPG) bajo distintos puntos de operación respecto de la relación aire/combustible de un mechero Bunsen. Para analizar la emisión espectral de la llama, utilizamos en primer lugar el método de recuperación espectral de Maloney-Wandell en imágenes de llama. De esta manera, obteniendo los espectros recuperados píxel por píxel, se procede a estimar distintos parámetros como la temperatura de llama (en K), radianza local (en µW/cm2 , localizada espacialmente) y radianza global (en µW/cm2 ). Para desarrollar el algoritmo de recuperación espectral de Maloney-Wandell fue necesaria la medición previa de la emisión espectral de la llama con el espectrofotómetro Thorlabs CCS200. La implementación del algoritmo se hizo con distintas cámaras tricromáticas (Basler acA 1920-50gc, Basler scA1390-17gc y Basler acA 1920-150uc), realizando estas mediciones en el rango visible (400 a 700 [nm]). Posteriormente se realizó el análisis de datos obtenidos a partir i de los instrumentos, realizando diversos métodos de procesamiento de señales e imágenes para la eliminación de ruido, donde se introdujo un umbral a partir de la métrica de recuperación espectral (Goodness of Fit Coefficient (GFC)) como método para la validación de píxel y finalmente se procedió a realizar la recuperación espectral de Maloney-Wandell, obteniendo un cubo hiperespectral de espectros recuperados. A partir de este cubo, se estimó la temperatura por el método de dos longitudes de onda, realizando su respectiva validación en base a la temperatura obtenida a partir de los espectros de un espectrofotómetro calibrado, obteniendo un error del 4 %. También a partir del cubo se calculó la radiación local y un ´índice de radiación global. A partir de estos ´índices, se construyó distintos mapas, píxel a píxel, de temperatura de la llama y de radiación de la llama. Se analizaron 100 imágenes de llama, donde se obtuvieron cubos hiperespectrales y a partir de estos cubos se calculó la temperatura media y los ´índices de radiación global para distintos flujos másicos en distintos puntos operacionales. Los resultados muestran que el enfoque de este estudio puede desempeñar un papel esencial en la detección de llamas, proporcionando así una herramienta importante para el seguimiento o control de los procesos de combustión, que nos permita evitar una mala combustión y por lo tanto una disminución de los contaminantes atmosféricos.