DESENVOLVIMENTO DE UM QUEIMADOR POROSO RADIANTE PARA TESTES DE INFLAMABILIDADE SUPERFICIAL DE MATERIAIS

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1 Proceedings of the th Brzilin Congress of Therml Sciences nd Engineering -- ENCIT 006 Brz. Soc. of Mechnicl Sciences nd Engineering -- ABCM, Curiti, Brzil, Dec. 5-8, 006 Pper CIT DESENVOLVIMENTO DE UM QUEIMADOR POROSO RADIANTE PARA TESTES DE INFLAMABILIDADE SUPERFICIAL DE MATERIAIS Rfel Hfemnn Moser Deprtmento de Engenhri Mecânic Universidde Federl de Snt Ctrin Guilherme Brisot Deprtmento de Engenhri Mecânic Universidde Federl de Snt Ctrin Rfel de Cmrgo Ctpn Deprtmento de Engenhri Mecânic Universidde Federl de Snt Ctrin Fernndo Mrcelo Pereir Deprtmento de Engenhri Mecânic Universidde Federl de Snt Ctrin Amir Antonio Mrtins Oliveir Deprtmento de Engenhri Mecânic Universidde Federl de Snt Ctrin Resumo. O trlho qui presentdo trt do desenvolvimento de um queimdor poroso rdinte de grnde rzão entre áre superficil e espessur cpz de operr com temperturs superficiis entre 600º C e 900º C. O queimdor poroso desenvolvido foi feito com cmds de esponjs cerâmics de creto de silício de 0 ppi, totlizndo um áre rdinte de 0,5 m. Os testes de operção form relizdos com r e gás nturl pré-misturdos em rzões de equivlênci entre 0,4 e 0,80. Pr estilizr chm dentro do queimdor foi utilizd um plc perfurd pr distriuição do fluxo de mistur n mtriz poros. Oteve-se um queimdor poroso rdinte com o homogeneidde n tempertur superficil, que oper com potêncis de té 35 kw e com té 49% de eficiênci de rdição. A dição do mecnismo fluidodinâmico de estilizção, promovido pel plc distriuidor de fluxo,revelou-se um form eficz de controle d estilidde de chm e d tempertur superficil em queimdores porosos rdintes. Plvrs chve: pinel rdinte, teste de inflmilidde superficil, queimdor poroso rdinte.. Introdução Queimdores porosos rdintes são equipmentos usdos como fonte de clor rdinte prtir d queim de comustíveis gsosos. A reção de comustão ocorre no interior d estrutur tridimensionl de cviddes interconectds que form mtriz poros, lterndo s crcterístics d chm. A mtriz sólid promove o préquecimento d mistur de regentes trvés d trnsferênci de clor por condução e rdição térmic. Este préquecimento trz como conseqüênci elevção d tempertur n zon de reção, o umento n eficiênci de conversão do comustível em produtos sturdos d comustão (mior eficiênci de queim e ix emissão de poluentes), o umento d velocidde de chm (elevds potêncis), lém de possiilitr queim de misturs pores em comustível (Howell et l., 996). A elevd tempertur d mtriz poros confere estes queimdores um grnde potencil de troc de clor direcionl por rdição prtir do meio sólido, podendo lcnçr eficiêncis de rdição de té 50% (Ctpn, et. l, 005).

2 Estruturs poross cerâmics e metálics são comumente usds como mtriz sólid e com freqüênci empregmse mteriis de estruturs diferentes em um mesmo queimdor, uscndo tirr vntgem ds interfces em que ocorre um rupt vrição de proprieddes (Khnn et l. 994). O projeto idel de um queimdor poroso rdinte é definido pel tempertur e form d crg que se desej quecer, pel potênci requerid e fix de estilidde necessári, pel intermitênci ou continuidde do processo em questão, pel tempertur máxim de operção d mtriz poros, pel resistênci mecânic dos mteriis empregdos, entre outros. Vários setores industriis utilizm o quecimento por rdição térmic em seus processos de produção. Os queimdores porosos rdintes presentm grndes perspectivs de emprego nestes setores, trzendo vntgens econômics e opercionis em relção o quecimento elétrico e os queimdores convencionis (Pereir et l., 004). Atulmente, queimdores porosos rdintes já podem ser encontrdos em processos como secgem de ppel, cur de plásticos e revestimentos, cocção de limentos e quecimento de mientes. Este trlho descreve o desenvolvimento de um queimdor poroso rdinte pr ser utilizdo como fonte de rdição térmic em testes de inflmilidde superficil de mteriis. Foi construíd um ncd pr relizção de testes de cordo com norm mericn ANSI/ASTM E 6 79 Stndrd Test Method for Surfce Flmmility of Mterils Using Rdint Het Energy Source (979), constituíd sicmente pel fonte rdinte e por um seção de testes onde inflmilidde superficil ds mostrs de mteriis de construção é vlid. Pr desenvolver um queimdor cpz de tender às especificções d norm form relizdos experimentos fim de encontrr melhor configurção pr o pinel. Oteve-se um queimdor de grnde rzão entre áre superficil e espessur com eficiênci de rdição de 49%. Um mpl fix de estilidde de chm foi lcnçd com distriuição de regentes em pens lguns pontos do queimdor trvés de um plc distriuidor de fluxo (mecnismo fluidodinâmico de estilizção).. Descrição Gerl d Bncd A ncd construíd pr relizção do procedimento de testes de inflmilidde superficil de mteriis segue s especificções d norm ANSI/ASTM E A Fig. present o projeto em 3D d ncd e fotos do protótipo finl. O método pr medição de inflmilidde superficil de mteriis consiste primeirmente em promover ignição d mostr n su extremidde superior, trvés de um chm piloto, e então, sumetê-l um cmpo de rdição equivlente um corpo negro 670ºC. O deslocmento d frente de chm n superfície d mostr e tempertur dos gses gerdos (medidos por termopres n chminé superior) são usdos no cálculo do índice de inflmilidde superficil pdronizdo pel norm. O pinel rdinte (Fig. -) está montdo em um suporte de ço n posição verticl. O r necessário pr limentr o pinel rdinte provém de um ventildor rdil monofásico (Fig. -) de ¾ de HP. A medição d vzão de r é feit trvés de um rotâmetro(fig. d-) mrc OMEL, modelo 4T705x, com fix de operção de 0 à 45 Nm 3 /h (5ºC e pressão de ATM). O pinel foi testdo com gás nturl e metno, podendo ser usdo com outros comustíveis desde que se defin experimentlmente nov fix de estilidde. A medição d vzão de gás é controld por meio de um rotâmetro (Fig. d-) mrc OMEL, modelo R-3 BL, com fix de operção de 0 à 4,0 Nm 3 /h (5ºC e pressão de ATM). O controle d vzão de r e gás é mnul, feit trvés de válvuls (Fig. d-3) instlds imeditmente ntes dos rotâmetros. Os regentes chegm o pinel já pré-misturdos. O gás comustível é injetdo n corrente de r restndo um comprimento de mistur de proximdmente 0,5 m, o que mostrou-se suficiente pr otenção de um mistur homogêne. O cendimento do pinel rdinte é feito trvés de um chm piloto (Fig. -) posiciond n prte inferior. A ncd possui ind outr chm piloto (Fig. c-) com função de promover ignição do mteril ser testdo. A chm piloto deve tingir superfície d mostr horizontlmente, com um inclinção de proximdmente 5º (como mostr Fig. d). N prte superior d ncd existe um chminé (Fig. c-) posiciond cim do pinel rdinte com função de confinr prte dos gses lierdos n queim do mteril testdo. No seu interior estão fixdos oito termopres tipo K conectdos um sistem de quisição de ddos. Durnte o procedimento de teste mostr do mteril deve permnecer em frente o pinel com um inclinção de 30º em relção verticl, de form que su extremidde superior fique próxim do queimdor. No suporte (Fig. - 3) são feits mrcções cd 76 mm que servem de referênci pr quntificr propgção d chm. 3. Desenvolvimento do pinel O queimdor é constituído por 30 esponjs poross de creto de silício com tempertur máxim de operção de 500 ºC e dimensão de 0x0xcm. A Fig. 3 mostr como ests cerâmics são montds no queimdor. As lteris do pinel são isolds por um mnt de fir de Alumin (3 Fig. 3) resistente temperturs de té 00ºC. O queimdor poroso rdinte desenvolvido pr ncd construíd tem como crcterístic um grnde rzão entre áre superficil e espessur. A áre rdinte totl é de 0,5 m (0,3m x 0,5m) e espessur do pinel é de 0,0 m.

3 Queimdores porosos com tl crcterístic geométric podem presentr dificulddes de estilizção, principlmente devido à tridimensionlidde d chm. Pr umentr fix de estilidde do queimdor foi diciond um plc perfurd (Fig 3-) que restringe injeção dos gses lguns pontos d mtriz poros. Em cd orifício ocorre um umento n velocidde dos gses, dificultndo o retorno de chm. Além de representr um mecnismo fluidodinâmico de estilizção, plc constituíd de fir de lumin tmém tu como isolmento térmico. A Fig. 3 present um desenho esquemático d plc perfurd. 3 3 c d Figur. Bncd de teste de inflmilidde superficil de mteriis (norm ANSI/ASTM E 6 79): ) Projeto 3D, ) foto frontl, c) foto lterl e d) rotâmetros.

4 c d Figur. ) Chm piloto de cendimento do pinel, ) início do cendimento do pinel c) chm piloto de ignição d mostr, d) início d ignição d mostr. 3 Figur 3. ) Esquem d vist lterl em corte do pinel rdinte, ) Desenho esquemático d plc perfurd. A plc distriuidor de fluxo possui o longo de tod su superfície vários orifícios com diâmetro de 8mm (Fig. 3-). N prte centrl, em rzão d posição do duto de limentção de regentes, diminuiu-se quntidde de orifícios, promovendo um distriuição mis homogêne do fluxo dos gses.

5 A pequen dimensão ds cerâmics disponíveis fez necessário dição de um tel de ço inox e um trvess pr mnter s cerâmics em su posição. A tel tem tmém função de proteger o operdor em cso de retorno de chm. 4. Resultdos A Fig. 4 mostr foto do queimdor poroso em funcionmento e Fig. 4 correspondente imgem em infrvermelho. Picos de tempertur de té 880ºC form oservdos, soretudo ns extremiddes superior e inferior do pinel. Mesmo ssim, oteve-se um rzoável homogeneidde de tempertur superficil sendo que o vlor médio foi de proximdmente 670 ºC. Figur 4. Pinel rdinte em operção: ) foto convencionl e ) foto infrvermelh. Sore Fig. 4 form trçds dus linhs, um verticl () e um horizontl (). A Fig. 5 permite visulizr s vrições de tempertur n superfície do pinel em cd ponto o longo do comprimento ds linhs e T (ºC) Linh Linh Figur 5. Perfil de tempertur do pinel sore s linhs e.

6 Oserv-se que médi se situ em torno de 670ºC com um vrição de tempertur de ±80ºC. O ponto centrl indicndo um tempertur de 450ºC corresponde à posição d trvess de suporte ds plcs cerâmics como mostrdo n Fig.4. A T. mostr lguns resultdos de medições dos pontos de prtid e de operção do pinel, onde V GN é vzão de gás nturl, V r é vzão de r, Φ é rzão de equivlênci, u ch é velocidde de chm (definid como vzão totl dividid pel áre do queimdor), T s é tempertur superficil médi otid pel câmer IV Flir, modelo ThermCm SC500, S r é potênci totl do queimdor e η rd é eficiênci de rdição(definid como rzão entre rdição emitid pelo queimdor e energi totl lierd pel chm). Oserv-se que elevds eficiêncis de rdição são otids com o pinel desenvolvido, o que implic em um ixo consumo de comustível pr gerr rdição de um corpo negro 670ºC. Tel. Ddos do ponto de prtid e do ponto de operção do pinel rdinte. V GN [Nm 3 /h] V r [Nm 3 /h] Φ u ch [cm/s] T s [ºC] S r [kw] Ponto de prtid 3, 38 0,80 8, Ponto de operção, 7 0,4 5, O ponto de operção destc-se por se encontrr ixo do limite de inferior inflmilidde pr misturs de metno e r (Φ = 0,5). As plcs cerâmics de creto de Silício (SiC) utilizds (mrc FOSECO) mostrrm o resistênci à fdig térmic impost pel intermitêncis dos testes, não tendo sido oservd sever degrdção ou frturs. A seqüênci de imgens d Fig. 6 mostr relizção de um teste preliminr com o ojetivo de vlir o funcionmento d ncd. Neste teste foi utilizd um plc de mdeir de pinus com 0 mm de espessur e áre de 50 por 450 mm. O cmpo de rdição gerdo pelo queimdor propici s condições necessáris pr propgção d chm trvés d superfície d mostr. Testes pdronizdos pr medição d inflmilidde de superficil de mteriis típicos de construção estão em fse de preprção. η rd [%]

7 c d Figur 6. Bncd em procedimento de teste. 5. Conclusão Este trlho presentou o desenvolvimento de um queimdor poroso rdinte de elevd rzão entre áre rdinte e espessur pr ser utilizdo como fonte de rdição térmic em testes de inflmilidde superficil de mteriis. de cordo com norm ANSI/ASTM E 6 79 Stndrd Test Method for Surfce Flmmility of Mterils Using Rdint Het Energy Source (979), chegndo-se às seguintes conclusões: O queimdor poroso desenvolvido presentou um rzoável homogeneidde de temperturs, sendo que tempertur superficil médi de 670ºC, requerid pel norm, foi otid. O mecnismo fluidodinâmico de estilizção promovido pel dição d plc perfurd contriuiu pr otenção de um om desempenho do pinel. A plc de orifícios umentou fix de estilidde do queimdor e promoveu um distriuição stisftóri do fluxo d mistur de regentes. Eficiêncis de rdição de 39 49% form otids pr fix de operção do pinel. Chms pores, ixo do limite de inferior inflmilidde pr misturs de metno e r, form otids (Ф = 0,4). As plcs cerâmics de creto de Silício (SiC) utilizds (mrc FOSECO) mostrrm o resistênci à fdig térmic impost pel intermitêncis dos testes, não tendo sido oservd sever degrdção ou frtur. 6. Referêncis ANSI/ASTM E 6 79 Stndrd Test Method for Surfce Flmmility of Mterils Using Rdint Het Energy Source (979) Ctpn, R.C., Pereir, F.M. nd Oliveir, A.A.M., 005, ''Development of Rdint Porous Burner wiht Comined Therml nd Fluidynmic Mechnism of Flme Stiliztion'', Proceedings of the 8th Congress of Mechnicl Engineering, Ouro Preto. Howell J. R., Hll M. J., Ellzey J. L., 996, Comustion of hydrocron fuels within porous inert medi, Prog. Energy Comustion Science, Vol., pp Khnn, R., Goel, R. nd Ellzey, J. L., 994, Mesurements of emissions nd rdition for methne comustion within porous medium urner, Com. Sci. nd Tech., 99:33-4. Pereir, F. M., Ctpn, R. C., Oliveir, A M., Reltório de Análise Técnico-Econômic de Aplicções pr Queimdores Porosos Rdintes, Tecnicl Report, UFSC, RedeGásEnergi, 004. DEVELOPMENT OF A RADIANT POROUS BURNER FOR SURFACE FLAMMABILITY TEST OF MATERIALS Rfel Hfemnn Moser Deprtment of Mechnicl EngineeringFederl University of Snt Ctrin moser@lcet.ufsc.r Fernndo Mrcelo Pereir Deprtment of Mechnicl Engineering Federl University of Snt Ctrin fernndo@lcet.ufsc.r

8 Rfel de Cmrgo Ctpn Deprtment of Mechnicl Engineering Federl University of Snt Ctrin Guilherme Brisot Deprtment of Mechnicl Engineering Federl University of Snt Ctrin Amir Antonio Mrtins de Oliveir Júnior Deprtment of Mechnicl Engineering Federl University of Snt Ctrin Astrct The development of rdint porous urner pnel with lrge surfce re is reported. The pnel ws designed to operte t men superficil tempertures etween 600º C nd 900º C. The rdint porous urner ws uilt with silicon cride cermic foms of 0 ppi, totlizing 0,5m rdint re. Tests were conducted with premixed ir nd nturl gs for equivlence rtios etween 0,4 nd 0,80. To stilize the flme inside the urner, perforted plte ws used to distriute the mixture flow in the porous mtrix. A rdint porous urner with resonle homogeneous superficil temperture hs een otined. The results showed tht the pnel cn operte t the powers up to 35 kw nd chieve rdint efficiencies up to 49%. Keywords: rdint pnel, porous urner, surfce flmmility test.