EXPERIÊNCIA Nº 3 DETERMINAÇÃO DA VELOCIDADE DE CHAMA

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1 EXPERIÊNCIA Nº 3 DETERMINAÇÃO DA VELOCIDADE DE CHAMA 1. OBJETIVO Medir a velocidade de chama de uma mistura ar-combustível. 2. TEORIA 2.1 Combustíveis gasosos Os combustíveis gasosos tem aumentado sua aplicabilidade na indústria nacional, respondendo a demanda por fontes de energia mais limpas e eficientes. A limitação de seu crescimento está na disponibilidade e distância dos centros consumidores pela sua maior dificuldade de transportes. Gás liquefeito de petróleo (GLP) é importante combustível, tanto de aplicação industrial como doméstica. Gás natural (GN) tem sido explorado mais recentemente, porém, deve ser transportado por gasodutos, o que dificulta sua maior utilização, dada a necessidade de investimento em infraestrutura. Outros gases, tais como os gases manufaturados de nafta, são produzidos e distribuídos localmente por rede de tubulações, além de gases residuais de refinaria, que tem aproveitamento restrito as proximidades desta Propriedade de combustíveis gasosos Algumas propriedades importantes necessitam ser conhecidas para os combustíveis gasosos. A composição química pode ser facilmente determinada através da análise laboratorial, em cromatógrafos. O poder calorífico inferior (PCI) é normalmente expresso em termos de J/kg ou J/Nm 3 (normal metro cúbico). Neste último caso, a condição normal de temperatura e pressão é utilizada (T = 273 K e P = Pa). (a) Densidade relativa ( r ): É a densidade do gás relativa ao ar nas mesmas condições de temperatura e pressão. ( ) (b) Índice de Wobbe (WI): É uma relação entre poder calorífico e densidade relativa dada por: A importância do número de Wobbe está ligada a intercambiabilidade de gases para uma mesma aplicação ou para um mesmo queimador. A relação entre o poder calorífico e a raiz quadrada da densidade relativa está relacionada com a quantidade de energia (por volume) que é possível passar por determinado orifício. A vazão volumétrica de gás ( ) que atravessa o orifício do queimador com área transversal efetiva A ef está associada à queda de pressão provocada pelo orifício ( P), ou seja: 1

2 O índice de Wobbe é proporcional, com razoável precisão, ao calor transferido por um queimador operando com combustível gasoso, a uma determinada pressão. Logo, gases com o mesmo WI vão apresentar o mesmo desempenho energético, conferindo a mesma taxa de transferência de calor ou potência energética (Chigier, 1981). (c) Velocidade de chama: É a velocidade de uma frente de chama de uma mistura ar/combustível sob determinadas condições. O conhecimento de parâmetros de velocidade de chama é útil também para a intercambiabilidade dos gases, no sentido de se garantir a estabilidade de combustão em queimadores. Dois fenômenos podem ocorrer em queimadores de gás: - O descolamento da chama, quando a velocidade da mistura não queimada é maior que a velocidade de chama, e - O retorno de chama, quando a velocidade de chama é maior que a velocidade da mistura ar/combustível. Ambos podem trazer consequências desastrosas aos equipamentos e um queimador de gás deve ser projetado para determinadas faixas de velocidades de chama para se garantir a estabilidade. Diversos métodos existem para a medição de velocidade de chama, porém nenhum destes reproduz com exatidão uma situação operacional. A velocidade de chama varia com a temperatura da mistura, a relação ar/combustível e com o padrão de fluxo, se laminar ou turbulento. As medidas de velocidade de chama em laboratório são feitas quase sempre nos regimes laminares, mas a maioria dos equipamentos industriais opera com combustão turbulenta. De qualquer maneira, o conhecimento da velocidade de chama em laboratório fornece informações sobre a qualidade da combustão de um dado combustível ao passar por um queimador. O índice de Weaver (S) expressa a velocidade de chama de um gás como uma fração da velocidade da chama do hidrogênio no ar. O índice de Weaver é definido como (Priestley, 1973): A velocidade de chama de uma mistura estequiométrica de hidrogênio ( 25 C e 1 bar é de 2,66 m/s. ) e ar, a Uma mistura de gases tem seu índice de Weaver calculado da seguinte forma (Priestley, 1973): 2

3 Onde, F i é o coeficiente de velocidade chama para os vários constituintes i do gás. a,b,...i são as frações molares dos constituintes do gás. A é a relação ar/combustível estequiométrica da mistura (em volume) z é a fração molar dos inertes no gás combustível (Ex: CO 2 e N 2 no gás) Q é a fração molar do oxigênio no gás combustível A tabela 1 apresenta o coeficiente para alguns gases: Tabela 1. Coeficiente de velocidade de chama (F) para alguns gases (Priestley, 1973) Gás F H 2 3,38 CO 0,61 CH 4 1,48 C 2 H 6 3,01 C 3 H 8 3,98 C 4 H 10 5,13 C 2 H 4 4,54 C 8 H 6 6, Queimadores A função do queimador é o de fazer com que o combustível e o oxidante fiquem em contato o tempo suficiente e à temperatura conveniente para ocorrer a reação de combustão. Uma vez que a maioria das reações de combustão acontece na fase gasosa, o contato eficiente depende de: tempo, temperatura e intensidade turbulenta. Em geral os queimadores não podem ser considerados isolados do forno, pois os arredores obviamente vão ter um efeito sobre a quantidade de calor perdida pela chama, consequentemente sobre a sua temperatura, sobre o tempo em que os gases da chama são mantidos na zona de combustão e sobre a recirculação do gás. Considere as paredes de uma câmara de combustão fechada e fria. Neste caso, a chama vai perder calor rapidamente e sua temperatura pode ser tão reduzida que a queima cessa antes que se complete. Isto pode acontecer, por exemplo, quando um forno é ligado frio. Outro resultado de uma câmara de combustão fria será o alongamento da chama por causa das reações químicas mais lentas em temperatura reduzida. Do mesmo modo, paredes refratárias quentes vão irradiar o calor de volta para a chama, aumentando sua temperatura e a intensidade de combustão, causando uma chama menor e mais intensa. De maneira semelhante, se o calor é irradiado para a base da chama ele vai reduzir a zona de pré-aquecimento, novamente aumentando a intensidade da combustão. Enquanto que o nível de turbulência pode ser induzido pelo queimador, seu desenvolvimento pode ser alterado pela proximidade das paredes da câmara. Além de 3

4 fazer uma boa mistura do combustível e do oxidante, a turbulência tem o efeito de fazer com que os gases quentes e os intermediários da combustão retornem para a zona de ignição, com a consequente redução no tempo de ignição. A maneira de introdução do ar secundário também pode afetar a forma, intensidade e estabilidade da chama. Se o ar secundário for adicionado com elevada intensidade turbulenta, isto ocasionará uma chama de menor comprimento e mais intensa, tornando a ignição mais estável. Se o ar secundário for adicionado com velocidades médias muito elevadas a uma chama que queima devagar, ele pode ter um efeito de resfriamento brusco. Portanto, o ar secundário é normalmente adicionado em etapas. Do mesmo modo, o ar secundário em excesso pode ter um efeito de esfriamento em qualquer chama. Este efeito pode ser reduzido se usarmos ar secundário quente Queimadores de gases Os gases podem ser classificados em termos de velocidade da chama e do índice de Wobbe para propósitos de projeto do queimador. A Fig. 1 mostra o esquema de um queimador mostrando o equilíbrio entre a velocidade de chama e a velocidade da mistura ar/gás combustível. Figura 1. Esquema de um queimador mostrando o equilíbrio entre a velocidade de chama e a velocidade da mistura ar/gás combustível. O índice de Wobbe é uma medida de energia do gás que passa através de um determinado orifício com uma determinada queda de pressão. Os gases combustíveis são frequentemente divididos em três grupos, conforme Tab. 2. 4

5 Grupo Índice de Wobbe (MJ/Nm 3 ) Tabela 2. Grupos de Índice de Wobbe Velocidade de chama A/C (em volume) Exemplo 1 24,4-28,8 Alta (>1 m/s) 3~4 gás de gaseificação 2 48,2-53,2 Baixa (~0,6 m/s) 7~8,5 gás natural 3 72,6-87,6 Baixa (~0,8 m/s) ~25 GLP Por causa da grande disponibilidade de gás natural, há uma tendência mundial em deslocar a utilização dos gases do grupo 1 para os do grupo 2. Como exemplo, o gás de rua distribuído em São Paulo deixou de ser gás de gaseificação de nafta e passou a ser gás natural. Devido aos altos índices de Wobbe, a capacidade de um sistema de distribuição, em unidades de calor, é aumentada através da mudança de gases do grupo 1 para o grupo 2. Onde o gás natural não é disponível há tendência de produzir gases baseados em metano, extraídos do carvão, da nafta ou do óleo, porém contendo monóxido de carbono. Além desses gases distribuídos (gás de gaseificação de nafta, gás natural e GLP), existem os gases de baixo poder calorífico (gás de gasogênio) que são produzidos e queimados no mesmo local. Estes podem ser produzidos para utilização num processo perto do local de produção, ou serem produtos secundários de outros processos como, por exemplo, o gás de alto forno ou gás de forno de coque. Os gases de baixo poder calorífico tem uma relação de volume/energia grande demais para serem economicamente distribuídos. O gás de gasogênio caiu em desuso na década de 50 e nas últimas décadas voltou com um papel maior em alguns países, incluindo o Brasil. O metano tem uma razão ar de combustão/volume combustível cerca de duas vezes a do gás de carvão. Assim, o gás vai precisar de uma velocidade maior para arrastar seu ar de combustão do que aquela exigida pelo gás de carvão. No caso de GLP a velocidade de chama é semelhante à do metano, mas o poder calorífico por volume e a razão ar/combustível por volume serão maiores. O tipo básico do queimador com pré-mistura é representado pelo queimador tipo Bunsen (Fig. 2), e este é apropriado somente para uso em pequeno tamanho por causa da possibilidade de retorno de chama dentro do tubo em queimadores maiores. 5

6 Figura 2. Queimador tipo Bunsen A pressão do gás através de um orifício arrasta o ar para o tubo de mistura. Com a pressão do gás encanado (ou GLP na pressão reduzida), apenas 50% do ar de combustão é arrastado. O restante precisa ser fornecido como ar secundário. A velocidade da chama de um gás (velocidade de chama é a velocidade com que uma frente de chama percorre uma mistura ar/gás, ver esquema da figura 1) tem considerável efeito sobre o projeto do queimador. Com um gás de chama de alta velocidade é fácil produzir-se uma chama estável, mas o retorno de chama pode ser um problema e em alguns queimadores maiores podem levar a detonações perigosas. Em geral os gases com chama de alta velocidade vão conter alta porcentagem de hidrogênio, por exemplo, gás de rua, de carvão ou de nafta. Gráficos de estabilidade de chama (diagrama Fuidge) são discutidos em Priestley (1973) e estão representados na Fig. 3. Figura 3. Diagrama Fuidge 6

7 Com o gás cuja chama é de baixa velocidade, o retorno da chama já não é um problema sério, mas o escape da chama se torna um problema importante. Um gráfico de predição da velocidade de chama é mostrado na Fig. 4. Figura 4.Diagrama de velocidade de chama adiabática horizontal pré misturada de diversos gases, nas condições normais de P e T. Logo, o conhecimento dos limites de estabilidade e velocidade de chama são muito úteis no dimensionamento de sistemas de combustão tais como: queimadores para caldeiras e aquecedores; câmaras de combustão para motores; para caldeiras e aquecedores; câmaras de combustão para motores e turbinas a gás; fornalhas, etc. Uma mistura gás combustível-ar queima segundo uma frente de onda cuja velocidade depende do grau de reação da mistura. Em outras palavras, depende da temperatura e das concentrações ar-combustível. Normalmente a velocidade da chama é máxima para uma mistura levemente enriquecida, maior do que para a estequiométrica. O retorno da chama no tubo queimador ocorre quando, em algum lugar da base da chama, a velocidade da chama torna-se maior que a velocidade do gás. A onda de combustão irá entrar no tubo queimador. O retorno da chama é mais sério quando se usa hidrogênio como gás combustível, do que metano ou GLP os quais tem baixas velocidades de chama. O escape da chama ocorre quando a velocidade do gás é muito maior que a velocidade da chama e, portanto, há o afastamento da chama do bico queimador levando ao apagamento da chama. Escape e retorno de chama podem ser causados por variações na velocidade da mistura no tubo queimador, ou por variações na composição da mistura, o que causa variações na velocidade da chama. 3. SISTEMA EXPERIMENTAL O equipamento usado é a Unidade da Estabilidade de chama Hilton. Consiste de um bloco queimador para misturar ar-combustível, o qual é adaptável a vários tubos 7

8 queimadores. O ar e o gás são medidos por rotâmetros. Assim a estabilidade da chama pode ser comparada para vários queimadores. Para a medida direta da velocidade da chama os tubos queimadores podem ser substituídos por um tubo longo transparente com telas anti-chama próximas da extremidade livre do tubo. Se o tubo estiver cheio, com uma mistura de composição conhecida, a ignição pode ser dada, e uma onda de combustão caminha em direção ao bloco queimador podendo ser medido o tempo de percurso da mesma. A fotografia do sistema experimental é mostrada na Fig. 5 e esquemas da montagem são mostrados nas Figs. 6 e 7. Figura 5. Fotografia do sistema experimental 8

9 Figura 6. Esquemas da montagem Figura 7. Esquema do painel de controle e dos bicos queimadores. 9

10 4. PROCEDIMENTO Dois operadores são necessários para este experimento. 1. Ligar o ventilador. 2. Abrir a válvula de gás junto ao redutor. 3. Abrir o gás até atingir no rotâmetro uma marca entre 0,8 e 1,5 conjuntamente com o ar, que deve ficar numa marca entre 10 e 15 e acender o gás na saída do queimador. 4. Ajuste o controle de ar e gás até atingir a vazão ar/combustível desejada (Note que há um certo tempo de resposta na chama quando se atua nos controles. Esperar pelo menos 5 segundos após cada ajuste dos controles). 5. Quando a chama estiver estável por 10 segundos na razão ar/combustível desejada, fechar a válvula de da entrada de ar e combustível no tubo de vidro. O outro operador deve aguardar a chama se apagar e dar a ignição. Ele deve anotar o tempo que a chama levará para ir de um ponto de referência a outro. 6. Medir o diâmetro do bico queimador para calcular sua área transversal interna (área de saída da mistura de gás). OBS.: Deve-se iniciar com uma mistura A/C tal que o cone azul esteja bem definido. Em seguida, outras relações A/C deverão ser escolhidas em torno deste valor. 5. APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS 1. Plotar a velocidade de chama em função da razão ar/combustível (A/C). 2. Comparar os resultados experimentais obtidos para a velocidade de chama na condição estequiométrica com o valor teórico obtido através da equação fornecida para S (utilize dados da Tab. 1 considerando o GLP como uma mistura com volumes iguais de propano e butano). 3. Traçar o diagrama Fuidge, i.e., as curvas de mudança de luminosa para não luminosa (amarela para azul), tendo como ordenadas as razões A/C e como abscissa a relação ( c.pci)/área tubo. As curvas de calibração dos rotâmetros estão na Fig

11 Figura 8. Curvas de calibração dos rotâmetros REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Borman, G. L.; Ragland, K. W., Combustion Engineering, McGraw-Hill, Beer; J. M.; Chigier, N. A., Combustion Aerodynamics, Fuel and energy science series, Krieger Pub., Chigier, N., Energy, combustion and Environment, McGraw-Hill series, Francis, W., Fuels and Fuel Technology, Pergamon Press, Vol. 1 e 2, Glassman, I.; Yetter, R. A., Combustion, Elsevier, 4 th Ed., Lewis; B.; Von Elbe, G., Combustion Flames and Exposions of gases, Academic Press, Liberman, M. A., Introduction to Physics and Chemistry of Combustion: Explosion, Flame, Detonation, Springer, Priestley, J., Industrial Gas Heating (Design & Application), Ernest Benn Limited,