INFLUÊNCIA DA TAXA DE ESTIRAMENTO NAS EMISSÕES DE QUIMILUMINESCÊNCIA EM CHAMAS LAMINARES DE PRÉ-MISTURA

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1 INFLUÊNCIA DA TAXA DE ESTIRAMENTO NAS EMISSÕES DE QUIMILUMINESCÊNCIA EM CHAMAS LAMINARES DE PRÉ-MISTURA Tiago Bruno Leite Marques Couto Salvado Dissertação para obtenção do grau de Mestre em: Engenharia Mecânica Júri Presidente: Orientador: Vogais: Prof. Ramiro Neves Prof. Edgar Fernandes Prof. Mário Nina Setembro de 2008

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3 Agradecimentos O trabalho apresentado resulta da investigação levada a cabo no âmbito do projecto de investigação: FCT PTDC/EME-MFE/68830/2006 Desenvolvimento da Técnica de Quimiluminescência para Detecção Directa da Composição de Misturas de Combustiveis em Chamas Laminares. Indepentemente do carácter individual da sua realização, o presente trabalho beneficiou de diversos apoios que contribuíram para o resultado final, alguns dos quais não poderia deixar de referir e agradecer: Ao meu orientador, Professor Edgar Fernandes, pela sua permanente disponibilidade, entusiasmo transmitido, apoio e sugestões, pois sem a sua amizade e incentivo tudo teria sido impossível; Aos meus pais, Joaquim e Maria do Rosário, por tudo; Aos meus colegas de laboratório, pela sua compreensão, partilha e ajuda nos trabalhos realizados; Aos meus amigos e colegas de curso com os quais passei alguns momentos de descontracção, necessários para enfrentar cada etapa; Por último, uma referência muito especial à minha esposa Filipa, cujo imenso incentivo e liberdade concedida ao longo do curso foram indispensáveis à concretização de um sonho, aceitando a minha crescente ausência motivada pela dedicação necessária à conclusão do trabalho.

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5 Resumo No presente estudo foram efectuadas medições de emissão de quimiluminescência das espécies C 2 * e CH*, com resolução espacial, em frente de chamas laminares de propano/ar de Bunsen. Compressão de chama e intensidade de quimiluminescência foram determinadas em condições atmosféricas para razões de equivalência de 0,9; 1,0; 1,1; com número de Reynolds constante de Medições locais de quimiluminescência foram obtidas a partir de registos fotográficos, com uma câmara CCD, combinados com a aplicação de um algoritmo algébrico de reconstrução tomográfica. O cálculo da taxa de estiramento foi baseado na localização das emissões de intensidade máxima de C 2 * e variou entre -40 s -1 e infinito, quando o raio da chama te para zero, to sido registadas pequenas diferenças entre as razões de equivalência estudadas. Emissões de C 2 * e CH* apresentaram-se não constantes ao longo da frente de chama devido a fenómenos de difusão de calor, massa, espécies e também de compressão de chama. Foi também determinado que a compressão diminui as intensidades máximas do sinal de CH*, não to, no entanto, grande influência nas emissões de C 2 *. Os resultados obtidos indicaram, também, que a razão de intensidades de emissão local de C 2 */CH* variam ao longo da zona de reacção e o seu valor aumenta com o aumento de compressão. Palavras-Chave: Chamas Laminares, Chamas de Bunsen, Quimiluminescência, Tomografia, Taxa de Estiramento iii

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7 Abstract The spatially resolved chemiluminescence emission of C 2 * and CH* at the flame front of laminar Bunsen premixed propane/air flames was measured in this study. The flame compression and chemiluminescence intensity were studied in open air conditions for different equivalence ratios: 0,9; 1,0; 1,1; with a constant Reynolds number of Local measurements of chemiluminescence were obtained using photographic recording, by a CCD camera, combined with the use of the algebraic reconstruction tomography technique. Stretch rate calculation was based on the location of C 2 * maximum intensity emission varying from -40 s -1 to infinite, when the radius ts to zero, with small differences registered between the studied equivalence ratios. Chemiluminescence emission of C 2 * and CH* was found not to be constant in the flame front due to heat, mass and species diffusion and flame compression. It was also found that flame compression decreases CH* signal maximum intensities, however the results obtained for C 2 * showed that it does not dep of compression, as much as CH*. The results indicated that the local intensities emission rate of C 2 */CH* are not constant along the flame front and its value increases with flame compression. Keywords: Laminar Flames, Bunsen Flames, Chemiluminescence, Tomography, Stretch Rate v

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9 Índice Página Agradecimentos... i Resumo... iii Abstract... v 1 Introdução Motivação Revisão Bibliográfica Quimiluminescência Sistemas de Aquisição Estudos e Aplicações da Quimiluminescência Taxa de Estiramento Objectivos Configuração Experimental Procedimento Experimental Sistema de Queima Sistema de Aquisição de Imagem Técnica de Diagnóstico Tomografia Algoritmos de Tomografia Processamento Tomográfico Cálculo da Taxa de Estiramento Análise de Erros e Incertezas Resultados e Discussão Diagrama de Estabilidade Análise de Resultados Conclusões Referências Anexos Anexo A...39 Anexo B...41 Anexo C...45 vii

10 Índice de Figuras Página Figura 1.1: Espectro da luz emitida por uma chama de metano....4 Figura 1.2: Espectro da luz emitida por uma chama de propano...4 Figura 1.3: Exemplos de sistemas utilizados para colecção de luz: i) resolução temporal; ii) resolução espacial; iii) resolução espectral....6 Figura 1.4: Correlação entre a intensidade de quimiluminescência e razão de equivalência, para chamas laminares de pré-mistura de propano/ar (Ikeda et al., 2000)....8 Figura 1.5: Emissões de CH* e OH* divididas pelo caudal mássico, normalizadas pelo valor máximo, como função da razão de equivalência e pressão (Higgins et al., 2001)...9 Figura 1.6: Evolução teórica da taxa de estiramento ao longo de uma chama de metano/ar Bunsen...12 Figura 1.7: Razão de intensidade quimiluminescente OH*/CH* em função de: (a) razão de equivalência; (b) taxa de estiramento (Hardalupas & Orain, 2004) Figura 1.8: Razão de intensidade dos sinais C 2 */CH* em função de: (a) razão de equivalência; (b) taxa de estiramento (Hardalupas & Orain, 2004) Figura 2.1: Sistema de queima usado para estabilizar chamas de Bunsen...15 Figura 2.2: Diagrama esquemático da aplicação da transformada de Abel a tomografia de geometrias axissimétricas (Tourin, 1966)...18 Figura 2.3: Esquema do método tomográfico de reconstrução algébrica aplicado a uma chama de Bunsen: a) discretização da projecção em elementos de imagem; b) Cálculo dos coeficientes de radiação radial Figura 2.4: Chama Bunsen de pré-mistura de propano/ar, φ =1,0 Re = 1500, e respectiva reconstrução tomográfica: a) Imagem colectada pela câmara CCD; b) Perfil de intensidade de luz vs imagem original em escala de cinzentos...20 Figura 2.5: Localização dos pixeis onde ocorreram as emissões de intensidade máxima de C 2 *, lado direito, comparados com a tomografia da chama, lado esquerdo Figura 2.6: Cálculo do erro imposto pelo ruído ambiente. Os valores na escala de cinzentos do interior do quadrado em teoria seriam zero, porém devido à presença de ruído ambiente apresenta os valores à esquerda Figura 3.1: Diagrama de estabilidade do sistema de queima de Bunsen Figura 3.2: Modos típicos de chamas de Bunsen observados para diferentes condições de razão de equivalência e número de Re. (Configurações do equipamento de aquisição de imagem presentes na Tabela 2.1)...24 Figura 3.3: Emissões de quimiluminescência de C 2 * e CH* em chamas de Bunsen: a) Imagem espacialmente integrada; b) Reconstruções tomográficas vs. Chama original em escala de cinzentos. (Configurações do equipamento de aquisição de imagem presentes na Tabela 2.2) Figura 3.4:Taxa de Estiramento experimental e teórica em chamas Bunsen: a) φ = 0,9; b) φ = 1,0; c) φ = 1,1.26 Figura 3.5: Taxa de estiramento teórica de chamas de Bunsen com razões de equivalência de 0,9 1,0 e 1,1e número de Re = Figura 3.6: Emissões de intensidade máxima de C 2 *: a) φ = 0,9; b) φ = 1,0; c) φ = 1, viii

11 Figura 3.7: Emissões de intensidade máxima de CH*: a) φ = 0,9; b) φ = 1,0; c) φ = 1, Figura 3.8: Intensidade de C 2 * em função do valor absoluto da taxa de estiramento, em chamas de Bunsen Figura 3.9: Intensidade de CH* em função do valor absoluto da taxa de estiramento, em chamas de Bunsen..30 Figura 3.10: Razão de intensidades de sinal de C 2 */CH* na frente de uma chama Bunsen Figura 3.11: Razão de intensidades de sinal de C 2 */CH* em função da taxa de estiramento em chamas de Bunsen Índice de Tabelas Página Tabela 1.1: Características dos radicais excitados (Gaydon, 1974)....3 Tabela 1.2: Mecanismos de reacção para as espécies excitadas OH*, CH* e C2* (Kojima et al., 2005)...5 Tabela 1.3: Exemplos de aplicações práticas da Quimiluminescência...10 Tabela 2.1: Configurações do equipamento fotográfico utilizadas na reportagem da Figura Tabela 2.2: Configurações do equipamento fotográfico utilizadas na aquisição de imagem das emissões de C2* e CH*, Figura Tabela 2.3: Diferença relativa entre os valores médios e RMS de α no cálculo da taxa de estiramento de chamas de Bunsen...22 ix

12 Constantes Físicas Símbolo Unidades Valor Descrição h J.s 6, Constante de Planck R u J.kmol -1.K ,510 Constante universal de gases Lista de Símbolos Símbolo Unidades Definição Descrição A m 2 Área elementar da superfície de chama d m Diâmetro de saída do queimador D m m 2.s -1 Coeficiente de difusividade mássica D T m 2.s -1 Coeficiente de difusividade térmica E a J.kmol -1 Energia de activação F/A Adimensional m & ar m& comb Razão combustível/ar H m Metade de distância entre os convergentes I Unidades arbitrárias Coeficiente de emissão de radiação J Unidades arbitrárias Sinal integrado de radiação colectada pela sonda k m 3.kmol -1.s -1 Constante de reacção K s -1 Taxa de estiramento L m Altura de Chama Le Adimensional D D T m Número de Lewis m& kg.s -1 Caudal mássico M Kg.kmol -1 Massa molar n kmol Número de mol de uma espécie p Pa Pressão Q J Energia libertada pela chama Re Adimensional ρ V d µ Número de Reynolds R f m Raio de uma chama de Bunsen S L cm.s -1 Velocidade laminar de propagação de chama t s Tempo T K Temperatura absoluta V m.s -1 Velocidade do escoamento V & m 3.s -1 Caudal volumétrico x

13 Símbolos Gregos Símbolo Unidades Definição Descrição α rad Ângulo de uma chama de Bunsen λ nm Comprimento de onda µ N.s.m -2 Viscosidade dinâmica ρ kg.m -3 Densidade φ Adimensional F A F A st Razão de equivalência Subscritos e Sobrescritos Símbolo Descrição ( ) Amplitude de flutuação ( ) 0 Condições à saída do queimador ( ) ar Ar ( ) comb Combustível ( ) st Estequiométrica ( ) λ Monocromático xi

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15 1 Introdução 1.1 Motivação As civilizações humanas encontram-se, cada vez mais, depentes de um elevado consumo energético para a sua subsistência. Grande parte desta energia é gerada pela combustão de recursos tradicionais como petróleo, carvão mineral e gás natural. No entanto, como é sabido, estas fontes são poluentes e não-renováveis. Os problemas ambientais obrigam-nos assim a melhorar a eficiência da combustão com o objectivo de reduzir o consumo de combustíveis e consequentemente as emissões poluentes. Utilizando sistemas de queima de misturas pobres é, assim, possível, devido às baixas temperaturas atingidas, reduzir a emissão de poluentes, entre os quais o NO x térmico (Turns, 2000). Porém a operação em regime pobre leva a fenómenos de instabilidade termo-acústica, limitando a gama de funcionamento e por outro lado contribuindo para a deficiente estabilidade do sistema. As instabilidades termo-acústicas têm forte sustentação na resposta da chama (libertação de energia), às variações de velocidade, da razão de equivalência, da temperatura e da pressão, na medida em que, havo lugar a flutuações periódicas de energia libertada, esta induzir flutuações de pressão (p ), como referido por Fernandes & Heitor (1996). Estas instabilidades no sistema resultam quase sempre em danos estruturais, extensivos, das câmaras de combustão através: das vibrações causadas pelas oscilações de pressão (podo estas verificarem-se com uma frequência coincidente com a frequência de ressonância do equipamento); do elevado coeficiente de transmissão de calor para as paredes; bem como de um maior tempo de residência do escoamento, permitindo maiores trocas de calor com o equipamento. Surge assim, para efeitos de controlo e garantir que se conseguem condições de queima pobre, a necessidade de monitorizar a libertação de energia. A técnica mais utilizada consiste na análise de luz proveniente da chama, por efeito de quimiluminescência. Por um lado, a existência de variações cíclicas no sinal de luz, obtido por processamento digital, é indicadora de oscilações termo-acústicas, so este sinal vulgarmente utilizado em situações de controlo, para efeito de cancelamento de ruído. Por outro lado, é utilizada como técnica de diagnóstico, to diversos autores (Haber, Vandsburger, Ikeda, Kurahashi, Yoshida, Narisawa) demonstrado a relação que se pode definir entre estes sinais de luz e as características da combustão, tais como: potência, razão de equivalência, temperatura, emissão de poluentes, espessura da frente de chama, etc., sobretudo em chamas laminares de pré-mistura. Porém, a aplicabilidade da técnica a chamas laminares e turbulentas, com grandes taxas de estiramento é limitada, devido ao reduzido conhecimento sobre a influência deste factor nos mecanismos de emissão de luz. 1

16 1.2 Revisão Bibliográfica Quimiluminescência A quimiluminescência é a energia libertada sob a forma de radiação, por moléculas excitadas electronicamente, quando regressam ao seu estado de energia menor. Num escoamento reactivo, são os radicais excitados formados ao longo do processo da cinética química da oxidação do combustível, os responsáveis pelo efeito quimiluminescente de uma chama. A combustão de hidrocarbonetos apresenta, tipicamente, 500 passos, 300 a 400 no caso de metano/ar, de formação de espécies químicas, até à sua extinção. É no decorrer destas reacções intermédias que ocorre a formação de espécies excitadas, so as mais comuns, na combustão de hidrocarbonetos, os radicais: OH*, CH*, C 2 * e CO 2 *. No entanto, informação precisa relativa à cinética química de quimiluminescência é, ainda, difícil de obter. Entre outros, os, actualmente aceites, sistemas de formação de OH*, CH* e C 2 * são respectivamente descritos por (Haber, 2000a) e (Kojima et al., 2005): CH + O2 CO + OH* [1.1] C H + O CO CH * [1.2] C 2 H + O CO + CH * [1.3] CH + + [1.4] 2 C C2 * H 2 Outro aspecto importante, relacionado com a cinética química da quimiluminescência, pre-se com a extinção das espécies electronicamente excitadas. É importante mencionar que nem toda a energia em excesso, contida nestas moléculas, é removida por radiação. Estas podem reagir com outras espécies ou, mais comummente, perder energia em colisões não reactivas, sem emissão de luz, denominadas colisões de quenching, onde a eficiência deste mecanismo varia de molécula para molécula e muito frequentemente, apresenta forte depência da temperatura (Haber, 2000a). A reacção de quenching típica no caso do radical OH*, colidindo com uma molécula genérica M, é dada por (Haber, 2000a): OH * + M OH + M [1.5] A compreensão deste mecanismo, não foi ainda, no entanto, possível de alcançar, com precisão, quando se prete estudar o consumo de CH* (Haber, 2000a), existindo, ainda, uma ausência de informação 2

17 superior no caso de C 2 *. São, porém, utilizados, em alguns modelos, reacções de quenching baseados em resultados empíricos. A parte observável refere-se à energia perdida por emissão espontânea, envolvo apenas a espécie excitada. A reacção é descrita pelas seguintes equações (Haber, 2000a), (Kojima et al., 2005): h OH* OH + λ [1.6] h CH* CH + λ [1.7] h C 2 * C 2 + λ [1.8] Depo do tipo de transição que ocorre, cada radical emite radiação num comprimento de onda característico e a complexidade do espectro está associada à complexidade da molécula de combustível. Na Tabela 1.1 são apresentados os comprimentos de onda dos fotões de luz emitidos, bem como, o tempo de vida dos radicais excitados mais comuns na combustão de hidrocarbonetos. As Figura 1.1 e Figura 1.2 representam espectros de chamas esteqiométricas de pré-mistura, com ar, de metano e propano, respectivamente, onde, de acordo com a Tabela 1.1, é possível identificar os radicais excitados, cujos comprimentos de onda apresentam maiores intensidades. A extinção de OH*, bem como de CH*, devido a estes reagirem com outras moléculas é considerada insignificante (Haber, 2000a). Kojima et al. (2005) utilizou os mecanismos de reacção descritos na Tabela 1.2 para simular a formação e extinção das espécies CH*, OH* e C 2 *. O valor das constantes A (factor pré-exponencial) e b (expoente da temperatura), assim como a energia de activação são parâmetros empíricos so os valores, utilizados por Kojima et al. (2005), apresentados na Tabela 1.2. Radicais Comprimento de onda [nm] Tempo de vida [s] CH* 431,5 5,6±0, C 2 * 416; 466; 516,5 e 566 1,7±0, OH* 306,4 1, CH 2 O* 395; 423 CO 2 * emissão contínua Tabela 1.1: Características dos radicais excitados (Gaydon, 1974). 3

18 Espectro de Chama de Metano Intensidade [uns. arbitrárias] λ [nm] Figura 1.1: Espectro da luz emitida por uma chama de metano Espectro de Chama de Propano Intensidade [uns. arbitrárias] λ [nm] Figura 1.2: Espectro da luz emitida por uma chama de propano. 4

19 Reacção A [m 3.kmol -1.s -1 ] b E a [J.kmol -1 ] C 2 H + O = CH* + CO 1, C 2 H + O 2 = CH* + CO 2 2, CH* = CH 1, CH* + N 2 = CH + N 2 3, ,4-1, CH* + O 2 = CH + O 2 2, ,14-7, CH* + H 2 O = CH + H 2 O 5, CH* + H 2 =CH + H 2 1, , CH* + CO 2 = CH +CO 2 2, ,3-7, CH* + CO = CH + CO 2, ,5 0 CH* + CH 4 = CH +CH 4 1, , CH + O 2 = OH* + CO 3, OH* = OH 1, OH* + N 2 = OH + N 2 1, ,5-5, OH* + O 2 = OH + O 2 2, ,5-2, OH* + H 2 O = OH + H 2 O 5, ,5-3, OH* + H 2 = OH + H 2 2, ,5-1, OH* + CO 2 = OH + CO 2 2, ,5-4, OH* + CO = OH + CO 3, ,5-3, OH* + CH 4 = OH + CH 4 3, ,5-2, CH 2 + C = C 2 * + H 2 7, C 2 * = C 2 8, Tabela 1.2: Mecanismos de reacção para as espécies excitadas OH*, CH* e C2* (Kojima et al., 2005) Sistemas de Aquisição A quantificação da intensidade de luz, necessária para estudos de fenómenos de quimiluminescência, só é possível devido a sistemas ópticos de medição. O esquema genérico utilizado em colecção de luz é constituído por uma sonda óptica (lente colimadora, óptica de Cassegrain, câmara fotográfica), um selector de comprimentos de onda (filtro de interferência, monocromador, espectrómetro) e um sensor de luz (fotomoultiplicador, CCD). As configurações podem assim assumir as seguintes características: Resolução temporal; Resolução espacial; Resolução espectral. Um dos primeiros sistemas utilizados para este tipo de aplicações (Sankar et al., 1988; Fernandes & Heitor, 1996), Figura 1.3 i), consiste em colectar uma pequena área de luz, integrada ao longo de um 5

20 volume cilíndrico, (recorro a lentes esféricas, espelhos, ópticas de Cassegrain, fibras ópticas ou combinações dos anteriores) no comprimento de onda da emissão do radical a ser analisado, utilizando, para esse fim, filtros de interferência ou monocromadores. O sinal luminoso é, em seguida, injectado num fotomultiplicador, induzindo uma diferença de potencial, V (DC), proporcional à intensidade de luz emitida pela fonte. Este sistema é caracterizado por uma rápida resposta no tempo, elevada resolução temporal, assim como uma elevada resolução espacial, dado que colecta, virtualmente, um ponto de luz. Alternativamente, o dispositivo de captura de imagem pode ser do tipo fotográfico (Shivashankara et al., 1974), ou câmara CCD (Krick et al., 1996), Figura 1.3 ii), disponibilizando uma imagem integrada da zona de reacção (sistema com resolução espacial 2D). A resolução temporal desta configuração é ainda reduzida, so necessário recorrer a câmaras de alta velocidade no sentido de melhorar a resposta no tempo. Porém a utilização deste equipamento requer a utilização de intensificadores de imagem, ampliando o ruído do sistema. A utilização conjunta de imagens integradas numa área, com algoritmos de tomografia permite avaliar localmente uma propriedade escalar da reacção. Diversos foram os autores que utilizaram a combinação destas duas técnicas para estudarem grandezas como: temperatura de chama (Tourin, 1966), estrutura de chama (Beyler & Gouldin, 1981), localização e formação de poluentes (Yoshida et al., 1995) e calor libertado (Lawn, 2000). Figura 1.3: Exemplos de sistemas utilizados para colecção de luz: i) resolução temporal; ii) resolução espacial; iii) resolução espectral. 6

21 As duas configurações apresentadas podem ser algo limitativas, quando se pretem estudar várias espécies químicas em simultâneo, visto a radiação captada ser referente, apenas, a um comprimento de onda. É possível analisar diversos radicais, utilizando apenas um sinal luminoso (sistemas com resolução espectral), Figura 1.3 iii). A luz colectada é decomposta em diversos comprimentos de onda fundamentais, através de um espectrómetro e projectada num sensor CCD, em que, cada pixel corresponde a um comprimento de onda específico (Ikeda et al., 2002; Kitagawa et al., 2003). São notórias as vantagens deste sistema, porém o tempo de resposta associado é bastante elevado, so os resultados apresentados uma integração temporal do sinal captado. A utilização de técnicas, não intrusivas, no diagnóstico do sistema de queima representam uma mais valia, na medida em que, na generalidade dos casos, a resposta ao sinal é bastante rápida, permitindo monitorizar sistemas dinâmicos de uma forma mais precisa, quando comparada a outros sistemas, como tubos de Pitot, termopares, microfones, entre outros. Contudo, torna-se necessário conhecer as relações entre as intensidades das emissões de luz e as propriedades do escoamento, tais como: pressão, razão de equivalência, taxa de estiramento da chama, número de Re, tipo de combustível, chamas de pré-mistura ou difusão, laminares ou turbulentas Estudos e Aplicações da Quimiluminescência A abordagem analítica torna-se complexa devido à não linearidade da cinética química envolvente, potenciando um conjunto de trabalhos experimentais com resultados empíricos, no domínio das chamas laminares. Haber et al. (2000b) verificou uma importante relação entre as emissões de OH* e a formação de HCO, uma espécie intermédia na reacção de oxidação de hidrocarbonetos, boa indicadora de calor libertado. Ikeda et al. (2004) analisou, para a combustão de propano/ar, a localização e estrutura da zona de ancoragem da chama, para uma gama de valores de φ globais compreidas entre 0,9 e 1,5, baseado nos espectros de OH* e CH*. Este, conclui que, quer a localização quer a estrutura da frente de chama, perto da saída do queimador, variam para diferentes valores de φ globais, manto-se, porém, semelhante a estequiometria na zona de ancoragem. Já a razão de equivalência, nesta região, analisada a partir da relação OH*/CH*, manteve-se entre os valores de 0,7 e 0,8 para todas as condições experimentais. A temperatura do ponto de ancoragem foi também estudada, to esta sido determinada a partir da intensidade das emissões de OH*. Os resultados apresentados demonstram que a temperatura de chama, à saída dos queimadores, varia com diferentes valores de φ globais. A luz emitida por uma chama permite também determinar a localização da formação e quantidade de poluentes emitidos. Yoshida et al. (1995) registou, em chamas turbulentas de pré-mistura, emissões de C 2 * e CH*, radicais produzidos numa fase inicial da reacção, no lado da chama relativa aos produtos de combustão onde as temperaturas são bastante elevadas, sugerindo, então, a emissão de hidrocarbonetos 7

22 não queimados. Foi ainda encontrada uma similaridade entre os perfis de intensidade de emissões de OH* e concentração de prompt NO. Uma das principais aplicações da quimiluminescência reside na estimativa de razões de equivalência. Kojima et al. (2000) relacionou a razão ar/combustível de uma chama laminar de pré-mistura de metano/ar com as seguintes relações de intensidades de emissão: C 2 */CH*, CH*/OH* e C 2 */OH*. Ikeda et al. (2000) utilizou as mesmas razões para determinar a razão de equivalência local em frentes de chamas turbulentas com pré-mistura de propano/ar, verificando que as correlações apresentadas para chamas laminares, Figura 1.4, se aplicam, com um erro de 5 %, a chamas turbulentas. Até este parágrafo, apenas se tem falado da aplicação da quimiluminescência a combustíveis gasosos. No entanto, a aplicação desta a combustíveis líquidos tem, também, sido alvo de estudos. Analisando a luz emitida, em chamas pobres de combustíveis líquidos (n-heptano), Morrell et al. (2001), concluiu que as espécies OH* e CH* se apresentam como boas indicadoras de calor libertado. Este determinou, ainda, uma relação quase linear entre a razão de intensidades de C 2 */OH*, CH*/OH*, C 2 */CH* e a razão de equivalência. Porém a aplicação da técnica, necessita de um processo de calibração para a determinação quantitativa da razão de equivalência, em diferentes sistemas de aquisição, de queima e/ou diferentes condições, na medida em que, o sinal pode sofrer alterações relacionadas com a função de transferência do sistema (Kojima et al., 2005), sem no entanto, invalidar as correlações já encontradas. Figura 1.4: Correlação entre a intensidade de quimiluminescência e razão de equivalência, para chamas laminares de pré-mistura de propano/ar (Ikeda et al., 2000). 8

23 Apesar, do valioso progresso que os estudos previamente apresentados significam na compreensão da quimiluminescência numa reacção de combustão, os resultados obtidos podem, apenas, ser válidos para as configurações dos queimadores do estudo em questão. Tal facto deve-se a variações simultâneas de razão de equivalência, taxa de estiramento, temperatura e pressão a que as medições efectuadas estão submetidas, impedindo de se extrapolar os resultados, ou de se obterem condições universais que relacionem os diversos parâmetros e o sinal luminoso. Não obstante desta limitação, a técnica tem sido aplicada em sistemas práticos de controlo e desenvolvimento quer de queimadores industriais, turbinas a gás e motores de combustão interna, onde o tipo de chama é manifestamente turbulento, quer a sistemas de queima domésticos, caracterizados por regimes laminares. A Tabela 1.3 resume aplicações como: estudos de razão de equivalência em motores de combustão interna e turbinas a gás, implementação de sistemas de controlo e sensores de estabilidade do sistema. Neste cenário de aplicações práticas em condições de baixa ou alta pressão (Higgins et al., 2001), existem fundamentalmente dois factores que afectam a transposição dos resultados obtidos com chamas laminares, em condições laboratoriais, para situações de chamas turbulentas e/ou alta pressão. São eles o efeito da pressão e da turbulência, este último através do estiramento imposto. Relativamente à primeira questão, Higgins et al. (2001), demonstrou, utilizando chamas de metano/ar pobres, laminares de pré-mistura, que as intensidades de emissões de CH* e OH* são proporcionais ao caudal de massa da mistura e se relacionam com a razão de equivalência e pressão através de uma lei de potência, Figura 1.5. A explicação pela qual a intensidade das emissões de quimiluminescência diminui com o aumento de pressão pode ser atribuída ao aumento das colisões de quenching a altas pressões. O estiramento desempenha um papel fundamental, com grande relevância na validação dos resultados obtidos, na medida em que, o regime turbulento e/ou elevadas curvaturas influenciam a cinética química da reacção, que por sua vez poderão afectar, entre outros, os mecanismos de emissão de luz. Figura 1.5: Emissões de CH* e OH* divididas pelo caudal mássico, normalizadas pelo valor máximo, como função da razão de equivalência e pressão (Higgins et al., 2001). 9

24 Autor Aplicação Inst./Config. Experimental Objectivos Condições de Funcionamento Técnica Aleiferis et al. (2004) Motor de explosão de carga estratificada: Honda 1,5l VTEC-E - Estudo das variações cíclicas de combustão em regime pobre - Determinar razão e equivalência global e local junto à vela de ignição e sua contribuição para o crescimento de chama - Regime de carga estratificada - Gama de A/F: 12 a 22 - Ângulo de Cambota correspondente a 5% de fracção mássica queimada - Óptica + 2 Espelhos + Filtros OH*, CH* e C2* (Optical Coatings, Japan) + 3 Fotomultiplicadores - Óptica de Cassegrain + Fibra (HAMAMATSU R269) Hardalupas et al. (2004a) Micro turbina Volvo (VT 40) a gás modificada - Medir razão de equivalência em uma micro turbina a gás queimando misturas de metano/ar e metano/água/ar. - Pressão: atmosférica - Potência térmica máxima: 45 kw - Temperatura de entrada de ar máxima: 372 º C - Caudal de ar máximo: 88 g/s - Razão de equivalência: 0,7 a 1,3 - Humidade relativa máxima: 20% - Óptica de Cassegrain + Fibra Óptica + Espelhos + Filtros OH*, CH* e C2* + 3 Fotomultiplicadores Docquier et al. (2002) Muruganandam et al. (2003) Controlo de razão de equivalência em câmara de combustão de pré-mistura de turbina a gás Câmaras de pré-mistura: 1. Chama Ring-pilot 2. Chama com swirl 3. Simulador de turbina gás a alta pressão Câmaras de difusão de combustíveis líquidos: 4. Câmara air-staged axissimétrica 5. Modelo anelar da câmara CFM56 - Controlo em anel fechado da razão de equivalência a partir medições espectrais de quimiluminescência, numa câmara de combustão de turbina a gás, utilizando misturas de metano/ar. - Estudo de sensores capazes de detectar instabilidades na combustão de chamas pobres, a partir da razão de equivalência. Tabela 1.3: Exemplos de aplicações práticas da Quimiluminescência - Pressão: 1 a 20 bar - Razão de equivalência: 0,5 a 1,2 - Potência: 1 a 20 kw 1. Combustível: metano e gás natural; Re: Temperatura do ar: 400 K; 2. Combustível: metano e gás natural; Nº swirl: 0, Combustível: gás natural; Pressão: 1.5 a 10 atm; Razão de equivalência: perto de instabilidade até quase estequiométrica. 4. Combustível: n-heptano; caudal de ar máximo: 15 g/s; caudal máximo de combustível: 1 g/s. 5. Combustível: Jet-A aviation grade petroleum; - Lente Quartzo (f = 40 mm, d = 30 mm) + Fibra Óptica de Sílica (abertura numérica = 0,22; diâm. núcleo = 600 µm) + Espectrómetro (espectro = µm; 600 linhas/mm; ranhura de entrada = 50 µm; resolução = 0,35 µm) - Fibra Óptica de Sílica (abertura numérica = 0,22) + Filtros (c.o. = 308 nm para OH*, 430 nm para CH*) + Fotomultiplicador (PMT, Hamamatsu H5784) - Espectrómetro de imagem (300 ranhuras/mm) + câmara CCD ( ) 10

25 1.2.4 Taxa de Estiramento A taxa de estiramento, K, define a intensidade do estiramento ou compressão a que uma chama se encontra submetida como a variação de um elemento de área da superfície da chama, A, ao longo do tempo (Marley & Roberts, 2005) e é consequência de esforços aerodinâmicos e curvaturas de chama (Law & Sung, 2000). Este parâmetro é dado pela equação (Marley & Roberts, 2005): da K = 1 [1.9] A dt Aplicando a equação de superfície de chama, G function e considerando chamas laminares axissimétricas, onde se incluem as chamas de Bunsen, a taxa de estiramento é obtida pela expressão, em coordenadas cilíndricas (r,θ,z) (Law & Sung, 2000): K sin α = ( r wcos α ) + cos α ( wcos α ) r r z [1.10] avaliada na superfície da chama, onde α representa o ângulo interno formado entre a frente de chama e o eixo de axissimetria e w a velocidade axial do escoamento, so ambas funções de r e z. Considerando α constante e condições de escoamento tampão, w(r) = V 0, a Eq. [1.10] simplifica para: sin 2α 0 2 R f V K = [1.11] em que R f representa o raio da chama em função de z. O sinal negativo na equação de K da chama de Bunsen indica que esta sofre compressão, e a sua intensidade aumenta à medida que R f diminui, quando o escoamento se move no sentido do vértice. Na Figura 1.6 pode ser observada a evolução da taxa de estiramento ao longo de uma chama de Bunsen, Eq. [1.11], com velocidade laminar de propagação de chama típica de 0,4 m.s -1, na combustão de misturas metano/ar (Turns, 2000). É possível constatar que a taxa de estiramento varia ao longo de toda 11

26 1x10 5 1x10 4 K [s -1 ] 1x10 3 V 0 =0,5 m/s V 0 =1,0 m/s V 0 =2 m/s 1x10 2 1x Rf/r Figura 1.6: Evolução teórica da taxa de estiramento ao longo de uma chama de metano/ar Bunsen. a frente de chama, to para infinito quando Rf 0 e a sua depência com a velocidade axial do escoamento. São vários os estudos que demonstram a influência do estiramento numa reacção de combustão. Law & Sung (2000) estudou a influência do efeito de estiramento na velocidade laminar de propagação de chama, calor libertado e temperatura máxima, em geometrias planares estacionárias, esféricas e de Bunsen, concluindo que para condições afastadas da extinção, estas grandezas aumentam com o aumento de K, para números de Lewis inferiores à unidade (metano pobre e propano rico), so verificado o inverso para Le > 1 (metano rico e propano pobre). Marley & Roberts (2005) chegou a resultados semelhantes verificando uma diminuição de S L com aumento de taxa de estiramento para razões de equivalência inferiores a 1,34 em chamas esféricas de propano/ar e o oposto para valores de φ superiores. Figura 1.7: Razão de intensidade quimiluminescente OH*/CH* em função de: (a) razão de equivalência; (b) taxa de estiramento (Hardalupas & Orain, 2004). 12

27 Figura 1.8: Razão de intensidade dos sinais C 2 */CH* em função de: (a) razão de equivalência; (b) taxa de estiramento (Hardalupas & Orain, 2004). Relativamente à radiação emitida, Hardalupas & Orain (2004), recorro a um sistema de queimadores de escoamento contra-corrente alimentado a gás natural e utilizando uma óptica de Cassegrain, demonstrou que a relação OH*/CH* varia de forma monótona com a razão de equivalência e é indepente da taxa de estiramento, ao passo que, a razão de intensidades dos sinais C 2 */CH* apresenta uma depência não monótona da razão de equivalência e uma forte depência na taxa de estiramento para chamas de mistura rica, como é possível verificar nas Figura 1.7 e Figura Objectivos Prete-se, com este trabalho determinar experimentalmente a influência da taxa de estiramento nas emissões de CH* e C 2 * por efeito de quimiluminescência em chamas Bunsen laminares de propano/ar de pré-mistura. O presente trabalho encontra-se dividido em quatro capítulos. So o primeiro capítulo a introdução, no segundo são descritos a configuração e respectivos procedimentos experimentais, sistemas e técnicas usados, bem como, erros a estes associados. Em seguida, no capítulo 3, são apresentados e discutidos os resultados obtidos. Por fim, no quarto capítulo são apresentadas conclusões relevantes relativas ao trabalho realizado. 13

28

29 2 Configuração Experimental 2.1 Procedimento Experimental Na transposição da técnica aplicada a casos elementares para chamas de aplicação prática, quer laminares quer turbulentas, surge a necessidade de se estudar a emissão de quimiluminescência ao longo de uma geometria sujeita a compressão e em que taxa de estiramento varie. Neste sentido, foram efectuados, recorro a um sistema óptico de resolução espacial 2D, registos fotográficos, nos comprimentos de onda de CH* (431,5 nm) e C 2 * (516,5 nm), a chamas Bunsen laminares de prémistura de propano/ar, com número de Reynolds de 1200 e uma gama de razões de equivalência de 0,9 a 1,1 e posteriormente aplicada tomografia axial computorizada. As medições foram realizadas à pressão atmosférica e temperatura ambiente, T amb 20º C. 2.2 Sistema de Queima O sistema de queima utilizado encontra-se representado na Figura 2.1. Este, é composto por um queimador convergente e dois caudalímetros electrónicos. O queimador convergente, projectado por Leandro (2006), tem como função estabilizar chamas laminares de pré-mistura de propano/ar, com potências compreidas entre 0,9 e 3 kw. A saída apresenta um diâmetro de 18 mm, com uma razão de contracção de áreas de 6,53, so esta da mesma ordem de grandeza das razões usadas por Hardalupas & Orain (2004) e Schuller (2003), com 8,60 e 8,73 respectivamente. Ainda, com o objectivo de uniformização do escoamento e assim assegurar um escoamento do tipo tampão à saída, o queimador é acoplado a uma unidade composta por três dis- Figura 2.1: Sistema de queima usado para estabilizar chamas de Bunsen. 15

30 cos de esferas de vidro compactadas, com 5 mm de espessura cada, espaçados igualmente entre si, através dos quais a mistura é injectada. Os caudais, medidos em volume a condições PTN (p = 10 5 Pa e T = 298,15 K) são controlados electronicamente por dois caudalímetros, da marca Alicat Scientific série 16, com erro de leitura de ± (0,008V & + 0,002V & max ) l/min e caudais máximos de 5 l/min para propano e 20 l/min para ar. 2.3 Sistema de Aquisição de Imagem Neste trabalho a aquisição de imagem foi realizada a partir de uma câmara fotográfica equipada com um sensor CCD e um filtro de interferência, esquematizados na Figura 2.1. Para a selecção da gama espectral recorreu-se à utilização de dois filtros ópticos Melles Griot, permitindo desta forma adquirir os sinais de emissão de CH* (431,5 nm) e C 2 * (516,5 nm), com uma largura de banda de 11,02 e 9,14 nm e transmissividades de 44,31 % e 55,47 %, respectivamente. A visualização de toda a área de reacção foi efectuada com auxílio de uma lente fotográfica Cosmicar/Pentax, com uma distância focal máxima de 12,0 mm e abertura relativa de 1:1.2. Por sua vez, a imagem converge num sensor CCD de uma câmara de marca ueye, converto-a num sinal eléctrico, possibilitando a reprodução de fotografias em formato digital, segundo o modelo de cores RGB, onde um pixel corresponde a um quadrado de 48, mm de lado de imagem colectada. Parâmetros como pixel clock, tempo de exposição, ganho regulador, ganho individual de vermelho, verde e azul e nivelar a escala de cores são configurados a partir do software comercial IDS e encontram-se registados nas Tabela 2.1 e Tabela 2.2. Configurações Razão de Equivalência 0,6-0,7 0,8 0,9-1,2 Distância focal [m] 0,2 0,2 0,2 Abertura Relativa 1,2 1,2 1,2 Tempo de Exposição [ms] 12,649 12,649 12,649 Pixel Clock [MHz] Nível de Cinzento de Fundo Ganho Regulador Ganho de Vermelho Ganho de Verde Ganho de Azul Tabela 2.1: Configurações do equipamento fotográfico utilizadas na reportagem da Figura

31 Configurações Espécies C 2 * CH* Distância focal [m] 0,2 0,2 Abertura Relativa 1,2 1,2 Tempo de Exposição [ms] 12,649 12,649 Pixel Clock [MHz] Nível de Cinzento de Fundo 1 0 Ganho Regulador Ganho de Vermelho 0 0 Ganho de Verde Ganho de Azul Tabela 2.2: Configurações do equipamento fotográfico utilizadas na aquisição de imagem das emissões de C2* e CH*, Figura Técnica de Diagnóstico Tomografia Para a realização deste estudo, recorreu-se ao método de tomografia axial computorizada (TAC), para um estudo detalhado das emissões quimiluminescentes na zona de reacção. Dado o perfil de velocidades do escoamento à saída do queimador de Bunsen, (Leandro, 2006), ser do tipo tampão, gerando chamas de geometria cónica axissimétrica, é possível aplicar a técnica de TAC com apenas uma câmara fotográfica, técnica essa seguidamente descrita Algoritmos de Tomografia Esta técnica, de resolução espacial, baseia-se na conversão matemática de séries de medições laterais de radiação espectral, adquiridas quer por meios fotográficos, quer por sondas ópticas pontuais, em perfis radiais de radiação. Assumindo que uma chama axissimétrica pode ser modelada como um conjunto de anéis, como é o caso em estudo, dentro dos quais todas as propriedades escalares (coeficiente de emissão radial I λ neste estudo), se mantêm constantes, o sinal integrado J λ é implicitamente uma função radial dada pela expressão: ( r) r dr λ 2 2 ( r x ) R f I J ( x) λ = 2 [2.1] x Recorro à inversão integral de Abel (Tourin, 1966) é possível conhecer os valores de I λ : 17

32 I λ () r = π J 1 R f λ x x ( x) 1 ( x r ) dx 2 2 [2.2] Esta equação apresenta, desta forma, o coeficiente de emissão radial em função da geometria e da distribuição de medições laterais de radiação. A vantagem de se assumir geometria axissimétrica, pre-se com o facto de que uma única projecção da zona de reacção fornece toda a informação necessária para a sua reconstrução, to como consequências uma significativa economia de tempo de computação, assim como uma redução em material experimental, visto apenas ser utilizada uma câmara. O princípio físico de aplicação de tomografia a configurações axissimétricas encontra-se ilustrado na Figura 2.2. No entanto, para aplicação da Eq. [2.2] a casos práticos, torna-se necessário a sua discretização, recorro desta forma, a métodos numéricos discutidos em (Tourin, 1966). A reconstrução algébrica pode, em alternativa à inversão integral de Abel, ser usada como algoritmo tomográfico. Nesta formulação os valores integrados de intensidade detectados em cada zona, J ki, são calculados a partir do somatório das intensidades de cada anel, I j, multiplicadas pela área, A ij, resultante da intercepção da zona de visualização da sonda com o anel de propriedades constantes. (Correia, 2001). O uso do método resulta da discretização da projecção em uma malha de 2n l, em que, quanto maior o número de elementos de imagem melhor será qualidade dos resultados. A Figura 2.3 esquematiza este método aplicado a uma chama genérica de Bunsen, onde a) representa a malha e b) o processo tomográfico aplicado à linha de elementos k = 1. Neste processo existem n zonas de visualização e n anéis de propriedades constantes, onde o valor de J ki representa o sinal integrado, detectado pela sonda, ao longo da zona i. O método é matematicamen- Figura 2.2: Diagrama esquemático da aplicação da transformada de Abel a tomografia de geometrias axissimétricas (Tourin, 1966). 18

33 Figura 2.3: Esquema do método tomográfico de reconstrução algébrica aplicado a uma chama de Bunsen: a) discretização da projecção em elementos de imagem; b) Cálculo dos coeficientes de radiação radial. te expresso pela Eq. [2.3], que depois de desenvolvida resulta na Eq. [2.4]. So conhecidos os valores de J ki e A ij, a resolução do sistema de equações, determina os valores de I j, permitindo, desta forma, a reconstrução da chama original. J ki i = A I ij j= 1 j, k l, i n [2.3] J J J M J ln = A 11 = A 12 = A 13 = A 1n I 1 I + A 1 I + A 1 I + A n I 2 I + A 2 I + A n I 3 I + L + A 3 nn I n [2.4] Processamento Tomográfico O programa de tomografia, Tomograf_6c, código presente no Anexo B, utilizado para caracterizar a emissão de luz em chamas axissimétricas, é adaptado do programa Tomograf_5. Este programa utiliza o algoritmo de reconstrução algébrica, descrito no capítulo 2.4.1, onde cada pixel corresponde a um elemento. As imagens recolhidas são convertidas em escala de cinzentos, em que o nível de cinza de cada pixel é função da intensidade de radiação monocromática colectada. 19

34 Visto tratarem-se de configurações axissimétricas, quer em geometria, quer em propriedades, o algoritmo determina o centro da chama através de um método análogo ao da determinação do centro de massa de um corpo. As áreas A ij são calculadas a partir da imagem, usando como unidades de medida o número de pixeis. Por fim, o sistema de equações, Eq. [2.3], é resolvido e efectuada a reconstrução da zona de reacção sob a forma de um perfil de luz. Desta forma é possível identificar, não só, a frente de chama em configurações axissimétricas, assim como, avaliar localmente a intensidade de quimiluminescência de uma espécie, ao longo da zona de reacção. A Figura 2.4 apresenta um exemplo de reconstrução tomográfica onde são apresentados a imagem de uma chama Bunsen, colectada pelo sistema óptico na ausência de qualquer filtro de interferência e respectiva reconstrução. A partir da reconstrução tomográfica, Figura 2.4 b), é possível observar que a frente de chama forma, à parte do vértice, a geratriz de um cone, reforçando uma vez mais a ideia de geometria axissimétrica das chamas. Figura 2.4: Chama Bunsen de pré-mistura de propano/ar, φ =1,0 Re = 1500, e respectiva reconstrução tomográfica: a) Imagem colectada pela câmara CCD; b) Perfil de intensidade de luz vs imagem original em escala de cinzentos. 2.5 Cálculo da Taxa de Estiramento Conheco as intensidades dos sinais de CH* e C 2 * surge a necessidade de se avaliar o estiramento a que as chamas se encontram sujeitas. Visto não ser possível determinar o valor analítico de K, para chamas práticas de Bunsen, foi desenvolvido um programa, presente no Anexo C, para o cálculo numérico deste valor. O método consiste em partindo da reconstrução tomográfica localizarem-se, num referencial centrado com o eixo de axissimetria da chama, os pontos de maior intensidade de C 2 * por cada linha de pixéis da imagem, Figura 2.5. Assim, através de cada ponto e seus oito vizinhos é traçada uma recta de regressão linear, cujo declive determina o ângulo α local. Devido à axissimetria, formas cónicas e perfis tampão das chamas, tomando como aproximação a veloci- 20

35 Figura 2.5: Localização dos pixeis onde ocorreram as emissões de intensidade máxima de C 2 *, lado direito, comparados com a tomografia da chama, lado esquerdo. dade axial do escoamento constante e aplicando o método numérico de diferenças centrais à Eq. [1.10] é possível estimar-se o valor da taxa de estiramento local em chamas de Bunsen reais Eq. [2.5]. K i sinα cosα cosα i i+ 1 i 1 = w cosα + i [2.5] r z z i i+ 1 i Análise de Erros e Incertezas Com o intuito de se precisar e validar os resultados obtidos é em seguida efectuada uma análise de erros e incertezas associados quer ao equipamento, quer às técnicas utilizadas. Na aquisição de imagens foi efectuada a calibração da escala de cores, através do software de configuração da câmara, no qual se define qual o valor de preto. Posteriormente, a intensidade do ruído, gerado electronicamente pelo sistema de aquisição, foi medida isolando a lente colectora de toda a radiação ambiente. Verificou-se que as interferências impostas pelo equipamento apresentam um valor médio e RMS de zero para todas as configurações experimentais. O erro imposto pelo ruído ambiente foi determinado pela diferença entre o valor médio de uma área, supostamente, negra e o seu valor teórico, zero, so o erro máximo registado inferior a 0,8 % da escala de cinzentos, não afectando, assim, os resultados obtidos. O cálculo deste encontra-se esquematizado na Figura

36 Figura 2.6: Cálculo do erro imposto pelo ruído ambiente. Os valores na escala de cinzentos do interior do quadrado em teoria seriam zero, porém devido à presença de ruído ambiente apresenta os valores à esquerda. Para se avaliar o erro associado ao algoritmo tomográfico, Correia et al. (1997) procedeu à reconstrução de formas geométricas, geradas por funções matemáticas, concluindo que as diferenças registadas são maioritariamente devidas à discretização da projecção, com erros associados inferiores a 5 %, para as presentes condições experimentais. É importante referir que este processo apenas é válido na ausência de auto-absorção de radiação (Correia et al., 1997), onde caso contrário outras considerações físicas e matemáticas teriam de ser tomadas (Tourin, 1966). No entanto, em medições baseadas nos radicais C 2 * e CH*, Gaydon & Wolfhard (1952) e Porter et al. (1966), mostraram que os espectros emitidos nestes comprimentos de onda não são afectados pela auto-absorção em chamas não luminosas. No cálculo da taxa de estiramento em chamas de Bunsen foram utilizadas rectas de regressão linear traçadas através de nove pontos relativos às emissões de intensidade máxima de C 2 *, Figura 2.5, existindo um refinamento progressivo à medida que se caminha quer para a base quer para o vértice da chama. A escolha do número de pontos trata-se de um compromisso entre a menor diferença relativa, entre os valores médio e RMS de α local, Tabela 2.3, e a resolução de imagem do vértice (20 20 pixeis), evitando desta maneira a insensibilidade à variação de ângulo que ocorre nesta região. Número de pontos experimentais da frente de chama usados na regressão linear Diferença relativa 77,25 % 44,56 % 33,34 % 22,00 % Tabela 2.3: Diferença relativa entre os valores médios e RMS de α no cálculo da taxa de estiramento de chamas de Bunsen. 22

37 3 Resultados e Discussão Como se pode verificar na Eq. [1.10] as chamas de Bunsen encontram-se sujeitas a compressão e com um valor de K que varia com a geometria da chama. Neste capítulo são apresentados estudos do efeito de compressão nas emissões de quimiluminescência. 3.1 Diagrama de Estabilidade Na Figura 3.1 é apresentado o diagrama de estabilidade do sistema de queima, que expressa os limites de retorno (Flash Back) e descolagem (Blowoff) da chama, em função da razão de equivalência e número de Reynolds, permitindo desta forma avaliar os modos típicos de chamas de Bunsen reportados na Figura 3.2. A região estável, marcada a sombreado, vai de encontra o esperado e descrito em Turns (2000). A partir da Figura 3.2 é possível observar as diferenças de cor e intensidade de luz emitida para os diferentes valores de razão de equivalência. Esta regista-se de forma mais intensa e esverdeada para chamas de mistura rica e mais ténue e azulada para regimes de queima pobre. Verifica-se também, que para um mesmo número de Reynolds, a altura de chama decresce com a razão de equivalência até próximo da estequiometria voltando a aumentar com o enriquecimento da mistura. Tal facto deve-se a variações de velocidade laminar de propagação de chama, estando o seu valor máximo situado em φ = 1,1 (Marley & Roberts, 2005) Stable Region Re Flash Back Blow Off φ Figura 3.1: Diagrama de estabilidade do sistema de queima de Bunsen. 23

38 Figura 3.2: Modos típicos de chamas de Bunsen observados para diferentes condições de razão de equivalência e número de Re. (Configurações do equipamento de aquisição de imagem presentes na Tabela 2.1). 24

39 3.2 Análise de Resultados De forma a obterem-se as intensidades de quimiluminescência de C 2 * e CH*, para chamas cujo número de Reynolds do escoamento é 1200 e razões de equivalência compreidas entre 0,9 e 1,1, foram efectuados registos fotográficos com filtros ópticos de interferência e em seguida executadas reconstruções tomográficas. A Figura 3.3 a) apresenta as imagens, espacialmente integradas, de chamas de Bunsen, nos comprimentos de onda de emissão de C 2 * e CH*. Na Figura 3.3 b) são apresentados os respectivos resultados de TAC em que cada imagem é composta pela reconstrução tomográfica da chama à esquerda e a imagem original, reproduzida em escala de cinzentos do lado direito. O cálculo do estiramento de chamas de Bunsen é apresentado na Figura 3.4, onde os círculos representam os resultados experimentais baseados na aplicação numérica da Eq. [1.10]; os quadrados correspondem aos valores médios de K em intervalos de R f /r = 0,02; e a linha contínua mostra o resultado teórico dado pela Eq. [1.11]. Da observação destes gráficos é possível verificar que a solução teórica adequa-se bem aos resultados experimentais. Nos três casos apresentados, as chamas encontram-se sujeitas a compressão (estiramento negativo), apresentando valores baixos de K, 40 a 200 s -1, em regiões onde o declive da frente de chama é aproximadamente constante (0,2 < R f /r < 1,0). Avançando para o vértice da chama, a compressão aumenta abruptamente, to para infinito quando R f /r = 0. Figura 3.3: Emissões de quimiluminescência de C 2 * e CH* em chamas de Bunsen: a) Imagem espacialmente integrada; b) Reconstruções tomográficas vs. Chama original em escala de cinzentos. (Configurações do equipamento de aquisição de imagem presentes na Tabela 2.2). 25