Introducción

Durante el proceso de combustión, las numerosas reacciones que ocurren en el frente de la llama crean una región de alta liberación de calor local. Por tanto, gran parte de la investigación sobre combustión se centra en esta región de la llama. Dado que tal vez no sea posible monitorizar el frente de llamas, las investigaciones experimentales de esta región han tenido como objetivo estudiar alguna otra propiedad estrechamente relacionada. Una especie intermedia importante en la oxidación de combustibles de hidrocarburos es el radical OH. Debido a que se forma en el frente de la llama, el OH es un marcador comúnmente utilizado para esta región.

Dos técnicas de medición diferentes: LIF y quimioluminiscencia

La obtención de imágenes de OH mediante LIF (fluorescencia inducida por láser) es una técnica ampliamente empleada para estudios de frente de llama en flujos reactivos. Esta técnica cubre áreas de aplicación desde quemadores de laboratorio hasta motores de combustión interna del tamaño de un camión y cámaras de combustión de turbinas de gas.

La fluorescencia se produce mediante la excitación de OH en la llama mediante un láser de colorante pulsado Nd:YAG. A diferencia del LIF, la obtención de imágenes por quimioluminiscencia es una técnica más sencilla que utiliza excitación química en lugar de luz láser. La cámara registra la luz emitida por el OH químicamente excitado, denominado OH*.

El presente estudio es una comparación entre estas dos técnicas aplicadas en una llama atmosférica pequeña y ligeramente turbulenta.

Configuración experimental

Para este estudio se utilizó el sistema LIF de Dantec Dynamics para diagnóstico de combustión. La siguiente figura muestra una descripción general de las partes de excitación y generación de imágenes del láser.

La excitación de OH se logró en la transición Q1 (8) utilizando la salida de frecuencia duplicada del láser de colorante pulsado Nd:YAG sintonizado a aproximadamente 283 nm.

La fluorescencia desplazada en longitud de onda a aproximadamente 309 nm se detectó a través de un filtro espectral delante del sistema detector. Mediante un intensificador de imagen colocado delante de la cámara CCD, se lograron tiempos de compuerta cortos de 200 ns para detectar el pulso de fluorescencia corto y suprimir la luz de la llama.

Para el experimento de imágenes de quimioluminiscencia correspondiente, se utilizó la misma configuración pero sin el uso del láser. Se utilizaron tiempos de entrada más largos en el intensificador de imágenes para aumentar la cantidad de luz suficiente para la detección. Al igual que en las imágenes LIF de OH, se colocó un filtro óptico estrecho frente a la lente de la cámara para que el sistema de detección solo registrara luz alrededor de 309 nm.

Resultados

La imagen LIF muestra una instantánea de una fina porción de la llama, mientras que las imágenes de quimioluminiscencia muestran información de la línea de visión a través de toda la llama.

Además, la técnica de quimioluminiscencia requiere tiempos de exposición mucho más largos para captar suficiente luz; por lo tanto, las estructuras de flujo turbulento cambian durante la adquisición de la imagen. Este cambio se captura muy claramente en la secuencia de imágenes de quimioluminiscencia, donde el tiempo de exposición se incrementa para cada imagen. Incluso en la imagen con el tiempo de exposición más corto de 100 µs, las estructuras se ven ligeramente borrosas debido al movimiento durante la exposición.

Imagen de OH LIF seguida de imágenes de quimioluminiscencia de la llama a unos 309 nm con tiempos de compuerta de 100 µs, 1 ms y 10 ms respectivamente.

Al comparar la sección transversal horizontal a través de la llama, queda claro que ambas técnicas logran detectar el frente de la llama como un pico de OH a cada lado del flujo de gas del quemador. Sin embargo, la imagen de OH LIF también muestra una meseta inferior de OH fuera de los picos principales. Esto representa el OH presente en los gases posteriores a la llama. El OH no se excita químicamente en esta región y, por lo tanto, no se ve en la medición de hemiluminiscencia. La quimioluminiscencia no disminuye a una intensidad muy baja en el centro de la llama, como lo hace la medición de LIF. Esto se debe al hecho de que la imagen de quimioluminiscencia es una técnica de línea de visión y, por lo tanto, la luz se recoge desde delante y detrás del plano focal de la lente de la cámara.

Al comparar los resultados experimentales de las técnicas de LIF y hemiluminiscencia, se puede concluir que la LIF proporciona información más detallada debido a la mayor resolución espacial y temporal. Esto hace que la LIF sea ideal para estudios detallados de llamas, como investigaciones de eventos de extinción de llamas locales. Sin embargo, la obtención de imágenes por quimioluminiscencia puede ser útil en situaciones en las que es técnicamente difícil o demasiado costoso aplicar la LIF. Un ejemplo de ello es el diagnóstico de motores ópticos, donde a veces se prefiere adquirir datos de imágenes con tasas de repetición muy altas para seguir eventos de un solo ciclo.

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