Combustão Industrial

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1 Combustão Industrial JOSÉ EDUARDO MAUTONE BARROS Professor Adjunto da Universidade Federal de Minas Gerais Coordenador do Laboratório de Combustíveis e Combustão Doutor em Engenharia Mecânica - Térmica (UFMG) Doutor em Engenharia Aeronáutica - Energia (ITA) Engenheiro Químico (UFMG) mautone@demec.ufmg.br 1

2 SUMÁRIO INTRODUÇÃO A COMBUSTÃO DEFINIÇÕES BÁSICAS COMBUSTÍVEIS CLASSIFICAÇÃO DE CHAMAS REGIMES DE COMBUSTÃO QUEIMADORES INDUSTRIAIS EMISSÕES 2

3 Combustão Laminar X Turbulenta A medida que a velocidade do escoamento aumenta a chama deixa de se plana e estável para se tornar plissada e oscilante. Parâmetros: 3 No. de Reynolds Re U D 0 0 No. de Froude 2 U0 Fr gd 0

4 Combustão Laminar X Turbulenta Vela Chama de Difusão Laminar Queimador de Óleo Combustível Chama de Difusão Turbulenta 4 Queimador de Gás Natural Chama de Difusão Turbulenta

5 5 Combustão Laminar X Turbulenta L F D F Características: O Comprimento de Chama (L f ) é o comprimento ao longo do eixo, a partir do boca do queimador, após o qual não é mais encontrada a presença de combustível. O Diâmetro da chama (D f ) é o diâmetro transversal ao eixo da chama, após o qual não é mais encontrada a presença de combustível. A Velocidade de Chama (U L ou T ) é a velocidade de propagação da frente de chama em relação ao escoamento da mistura oxidante/combustível. f (Re, Fr,swirl ) f (Re, Fr,swirl ) U U L T f f P,T,,Combustível P,T,,Combustível,Da

6 Combustão Laminar Velocidade de Chama Laminar (U L ) 6 A velocidade de chama laminar é a velocidade de propagação da frente de chama num escoamento em regime laminar da mistura oxidante combustível. Ela é determinada experimentalmente para cada combustível em função da razão de equivalentes. A condições padrões de determinação da velocidade de chama laminar são: T 0 = 298,15 K e P 0 = Pa

7 Velocidade Padrão de Chama (m/s) REGIMES DE COMBUSTÃO Combustão Laminar Velocidade de Chama Laminar (U L ) Medida experimentais são feitas em queimadores planares, câmara de volume constante e tubos de chama P = Pa T = K 7 Gasolina A 0.05 Para outras pressões e Isooctano temperaturas deve-se corrigir a 0.00 α β velocidade padrão T P U U,0 T 0 P Metanol Gasolina C Razão de Equivalentes Combustível/Ar

8 Combustão Laminar Velocidade Padrão de Chama Laminar (U L,0 ) Em Heywood, 1988, é apresentada uma correlação empírica para os dados de velocidade padrão de chama laminar. U,0 B max B φ 1 λ 1 λ max 2 Constantes para cálculo da velocidade de queima laminar em condições padrões para vários combustíveis (Heywood, 1988) Combustível B max (m/s) B f (m/s) (1/l) max Isooctano 0,2630-0,8470 1,1300 Metanol 0,3690-1,4050 1,1100 Gasolina A 0,3050-0,5490 1,2100 Gasolina C* 0,3387-0,7546 1, * média ponderada pela concentração volumétrica gasolina/álcool (gasolina A/metanol)

9 Combustão Laminar Exemplo Calcular a velocidade padrão de queima laminar do metanol para uma razão de equivalentes de 1,0. Bmax (m/s) Bf (m/s) (1/lambda)max Metanol 0,369-1,405 1,11 phi 1,00 lambda 1,00 Velocidade Laminar 0,3520 m/s 9 Exercício Calcular a velocidade de queima laminar do metanol para uma razão de equivalentes de 1,0 e uma pressão de 10 bar e uma temperatura de 35 o C. Os coeficientes de dependência da temperatura e da pressão são 2,0 e -0,1, respectivamente.

10 Combustão Turbulenta Regimes de Combustão Turbulenta São definidos usando o número de Damköhler e a energia cinética turbulenta (k ½ ) relativa a velocidade de chama laminar (U L ). O número de Damköhler é a razão entre o tempo característico da turbulência (t t ) e o tempo característico da combustão (t c ). Da τ τ t c δ c 1 2 k U 10 l é diâmetro dos grandes vórtices turbulentos no escoamento e d L é a espessura da chama laminar.

11 Combustão Turbulenta Regimes de Combustão Turbulenta Combustão distribuída: Região Ia e Ib Flameless Alta turbulência Combustion Vórtices pequenos (rel. a chama) 11 Baixo NO x

12 Combustão Turbulenta Regimes de Combustão Turbulenta Combustão de chama plissada: Região IIb e IIc Baixa turbulência Vórtices grandes (rel. a chama) 12

13 Combustão Turbulenta Regimes de Combustão Turbulenta Combustão de flameletes: Região IIa Média turbulência Vórtices grandes (rel. a chama) 13

14 Combustão Turbulenta Típicos Regimes de Combustão Turbulenta nos Equipamentos Queimadores Industriais 14

15 Combustão Turbulenta 15 Velocidade de Chama Turbulenta (U T ) Um Fator de Turbulência (f t ) é aplicado a velocidade de chama laminar para calcular a velocidade turbulenta de chama. O fator de turbulência é função do inverso do número de Damköhler. A velocidade de chama é aumentada pela turbulência em torno de 10 a 20 vezes a velocidade laminar de chama. A mistura turbulenta favorece o contato do oxidante e do combustível. A turbulência também favorece a transferência de calor da frente de chama para a mistura combustível. A área de queima também é aumentada pela turbulência. U f T T f T C1 Da U L

16 BIBLIOGRAFIA ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5484: Motores alternativos de combustão interna de ignição por compressão (Diesel) ou ignição por centelha (Otto) de velocidade angular variável Ensaio Método de ensaio. Rio de Janeiro, BARROS, J. E. M. Estudo de Motores de Combustão Interna Aplicando Análise Orientada a Objetos. Belo Horizonte: Tese de Doutorado, Engenharia Mecânica, UFMG,

17 BIBLIOGRAFIA 17 BAUKAL Jr., C. E. Air-oxy/Fuel Burners. In: Industrial Burners Handbook, BAUKAL Jr., C. E. (ed.). Boca Raton: CRC Press, COSTA, M. Combustão sem Chama Visível (Flameless Combustion). Palestra, II Escola de Combustão. São José dos Campos: RNC, de Junho de ESCOLA DE COMBUSTÃO em ustao/, jan/2011.

18 BIBLIOGRAFIA 18 GARCIA, R. Combustíveis e Combustão Industrial. Rio de Janeiro: Interciência, GLASSMAN, I. Combustion. New York: Academic Press, KUO K. K. Principles of Combustion. New York: John Willey & Sons, LEFEBVRE, A. Gas Turbine Combustion. Philadelphia: Taylor&Francis, LEVENSPIEL, O. Engenharia das Reações Químicas. São Paulo: Edgar Blucher, vol. 2, 1974.

19 BIBLIOGRAFIA REDE NACIONAL DE COMBUSTÃO (RNC) em jan/2011. SHARMA, S. P. et MOHAN, C. Fuels and Combustion. New Delhi: Tata McGraw-Hill, SMITH, J. M. e VAN NESS, H. C. Introdução a Termodinâmica da Engenharia Química. Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 3ª Ed.,1980. STREHLOW, R. A. Combustion Fundamentals. New York: McGraw-Hill,

20 BIBLIOGRAFIA TURNS, S. R. An Introduction to Combustion: Concepts and Applications. Boston: McGraw-Hill, WILLIAMS, F. A. Combustion Theory. New York: Benjamin Cumings Pub.,