Numerical modeling of chemical reaction processes describing methane combustion in gas cooking burners

Abstract

RESUMEN: El control de las emisiones de monóxido de carbono es esencial en el proceso de diseño de una cocina de gas. Además, las normativas imponen unos requisitos mínimos de eficiencia y estabilidad de la llama. Esta tesis se centra en el proceso de combustión del metano; inicialmente, se analiza la cinética química de este combustible, determinando los mecanismos de reacción óptimos para la descripción numérica del proceso. A continuación, se detalla el diseño experimental y posterior validación de una configuración sencilla de interacción llama-pared, evaluando distintos parámetros y cómo afectan a la formación de monóxido de carbono. Finalmente, el análisis de los fenómenos de interacción llama-pared muestra una estrecha relación entre la estructura interna de la llama, la producción de monóxido de carbono y la eficiencia térmica del quemador. Esta tesis contribuye en la generación de directrices para el diseño óptimo de un quemador doméstico de gas, identificando pautas alcanzables relacionadas con el rendimiento y con los límites de emisión de contaminantes.

ABSTRACT: Controlling carbon monoxide emissions is essential in the design process of a domestic gas cooktop. In addition, regulations impose minimum requirements for efficiency and flame stability. This thesis focuses on the methane combustion process; first, the chemical kinetics of this fuel is analyzed, determining the optimal reaction mechanisms for the numerical description of the process. Next, the experimental design and subsequent validation of a flame-wall interaction configuration is detailed, evaluating different parameters and how they affect the formation of carbon monoxide. Finally, the analysis of the flame-wall interaction phenomena shows a strong relationship between the internal structure of the flame, carbon monoxide production and the thermal efficiency of the burner. This thesis contributes in giving rigorous guidelines for the optimal design of a domestic gas cooking burner, identifying reachable principles in both performance and pollutants emission thresholds.