ESTUDO EXPERIMENTAL DA INFLUÊNCIA DO NÚMERO DE SWIRL EM REGIMES DE COMBUSTÃO PRÉ-MISTURADOS

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1 ESTUDO EXPERIMENTAL DA INFLUÊNCIA DO NÚMERO DE SWIRL EM REGIMES DE COMBUSTÃO PRÉ-MISTURADOS Aluna: Gabriela Senra Pessanha Rios Nobrega Orientador: Luís Fernando Figueira da Silva Introdução O aumento da eficiência energética e a redução do impacto ambiental é um desafio nos processos de combustão. A necessidade de diminuir os danos causados ao meio ambiente promove o desenvolvimento de novas tecnologias nesta área. Muitas destas tecnologias envolvem a estabilização da combustão por swirl. A combustão turbulenta pré-misturada em presença de swirl é capaz de reduzir significativamente as emissões de poluentes quando comparada com a não misturada. Neste estudo foi desenvolvido um queimador laboratorial capaz de estabilizar chamas turbulentas, o BEST Flame (Bioethanol Swirl Turbulent), e com objetivo de queimar o etanol. Este projeto é uma colaboração com o laboratório EM2C/CNRS, da CentraleSupélec. Com os resultados obtidos neste estudo foi possível redigir um artigo que foi apresentado no Cobem 2018 [1] e outro artigo que foi aceito para apresentação no ENCIT A combustão do etanol é vantajosa não somente por emitir menos poluentes em comparação a combustíveis fósseis mas também por ser uma fonte renovável. Os resultados desse projeto podem ser aplicados em turbinas a gás e em queimadores industriais. A combustão pré-misturada com baixa riqueza reduz a emissão de materiais particulados, o que é benéfico para a saúde do ser humano, uma vez que esses materiais particulados presentes no ar poluído aumentam os riscos de doenças cardiovasculares [2]. O objetivo deste projeto é o estudo de um queimador laboratorial desenvolvido para estudar chamas turbulentas pré-misturadas de hidrocarbonetos e de ar em presença de swirl. Para isso foram realizados diversos ensaios, com variadas vazões e composições de misturas e também com swirlers de diferentes geometrias. Com isso é possível identificar os regimes de combustão e analisar sua influência no número de swirl. Neste relatório, primeiramente será discutido a configuração experimental, assim como os materiais utilizados neste estudo. Em seguida, a metodologia será explicitada, seguida dos resultados obtidos e conclusão e perspectivas para estudos futuros. Metodologia Experimental Os ensaios foram realizados numa bancada experimental que está representada na figura 1. Esta bancada foi projetada de maneira a que fosse possível realizar as imagens das chamas e controlar a vazão da mistura. A bancada é composta pelo queimador, a câmara de combustão, um medidor de vazão para o metano e um para o ar, um controlador de vazão, uma câmera CCD com intensificador e uma câmera fotográfica Canon. O medidor de vazão utilizado para o metano é um controlador de vazão de massa Bronkhorst (série F-201AC) com uma faixa máxima de 138,9 c m 3 s com 0,5% de leitura mais 0,1% de incerteza da escala total. Para a vazão volumétrica do ar, foi utilizado um par de rotâmetros (modelos Omega, 4T70903X12 e 4T708TX12), com leitura de 2%, com precisão de 2% de fundo de escala e alcance máximo de 1 d m 3 s. Neste estudo a vazão do metano varia de 18,6 c m 3 s a 107,2 c m 3 s e a vazão volumetrica total da mistura varia de 411,1 cm 3 s a 1146,1 cm 3 s. Dessa forma, ocorre a variação da riquezada mistura de combustivel entre 0,44 e 1,14. A câmera utilizada para obter fotografias das chamas é uma Canon EOS Rebel TS, equipada com uma lente de 58 mm de diâmetro, sem filtros. A câmera CCD (Charge Coupled

2 Device) da marca LaVision modelo Image Intense foi utilizada, assim como um intensificador IRO (Intensified relay-optics) também da marca LaVision equipado com um filtro passa banda de 310 nm. Com este conjunto de filtro + câmera intensificada é possível obter imagens da quimiluminescência do radical OH*, a qual caracteriza a região de liberação de calor da chama. Figura 1. Representação esquemática da bancada Experimental: 1 Câmara de combustão, 2 Queimador, 3 Medidor de vazão do ar, 4 Medidor de vazão do metano, 5 Controlador de vazão, 6 Tubo flexível onde o ar e metano são pré-misturados, 7 Intensificador de imagem IRO, 8 Câmera CCD, 9 Filtro 310 nm e 10 Câmera Canon. A. Câmara de Combustão A figura 2 mostra a câmara de combustão desenvolvida. A mistura de metano e ar é introduzida pelo swirler, representado na figura pelo número 1. O confinamento consiste em uma base de aço, 2, quarto cantoneiras, 3, e quatro janelas de quartzo. A base foi desenvolvida de modo que pudesse ser resfriada por água a temperatura ambiente. As cantoneiras estão espaçadas em 4 cm e possuem 117 mm de altura. As janelas de quartzo, de 10 mm de espessura, são transparentes, assim permitem a visualização da região de combustão, e resistem a altas temperaturas. Figura 2. Esquema da câmara de Combustão.

3 B. Swirler A figura 3 mostra um exemplo do swirler utilizado. Os swirlers projetados são radiais. Tal como o ilustrado na figura 4, a mistura é injetada na câmara através dos orifícios na base no swirler, que são inclinados em relação com o eixo principal. Estes furos são tangentes à parede de 10 mm do swirler, que possui 33 mm de altura. Existe um cilindro de 4 mm na parte central com um cone invertido na base superior de 8 mm. Esse cone funciona como um bluffbody, sendo onde a chama se ancora e se estabiliza. Foram construídos swirlers com 8 e com 5 furos. Foram construídos também cilindros centrais com alturas distintas para que houvesse variação na altura do bluff-body. As áreas de entrada e saída da mistura de metano/ar pelo swirler estão representadas na figura 4, indicando assim que o escoamento entra pelos orifícios radialmente. Figura 3. Fotografia de um swirler: 1 Orifícios de entrada da mistura, 2 Área de saída da mistura, 3 - Cone invertido (bluff-body). Figura 4. Esquema das áreas de entrada (esquerda) e de saída (direita) da mistura metano/ar no swirler. O número de Reynolds foi estimado tanto na área de entrada (orifícios radiais) quanto na área de saída. Para o SW08, o Re na entrada variou de 2, a 7, e na saída, varia de 5, a 1, Para o SW05, na entrada a variação de Re é de 2, a 7, E na saída tem a mesma variação do SW08, uma vez que a única mudança é o número de furos de entrada.

4 Metodologia O queimador em estudo foi projetado para ser utilizado com pré-mistura de ar e etanol. Entretanto, neste estudo foram realizados apenas ensaios preliminares com pré-mistura de ar e metano. Foi observado que a chama apresentava maior estabilidade quando confinada e em presença de swirl [1]. Desta forma, foi projetada uma câmara de combustão composta por uma base cilíndrica, quatro cantoneiras de aço, espaçadas de 4 cm, e quatro janelas de quartzo. A base deve ser resfriada por estar em contato com gases a altas temperaturas. O resfriamento é feito com água a temperatura ambiente. O quartzo permite que a região da combustão seja visível, por ser transparente, e resiste a altas temperaturas. Foram desenvolvidos swirlers de 5 e 8 orifícios inclinados, com diâmetros de 2,5 mm e 2 mm respectivamente, chamados de SW05 e SW08. A mistura de ar e combustível é alimentada na câmara através destes furos. Na parte central do swirler existe um cilindro de 4 mm que possui um cone invertido no topo, onde a chama é ancorada. Foi calculado o número de swirl, S, que é definido como a razão entre o fluxo axial do momento tangencial, G θ, e o fluxo do momento axial,g z, e que caracteriza a intensidade do swirl. Assumindo, classicamente, que o fluido apresenta uma rotação de corpo sólido no swirler, u θ (r) = Ωr, [3], que a velocidade axial,u z, é uniforme e ignorando os efeitos de pressão, podese determinar o número de swirl como: R 0 S = G θ = u z u θ r 2 dr RG R z R u2 0 z rdr = 1 u θ (R), 2 u z onde R é o raio do swirler. A geometria do swirl utilizada para definir a equação do número de swirl pode ser observada na figura 5, na qual estão reportadas todas as dimesões representativas utilizadas na presente caracterização. Considerando a conservação da massa e a geometria da seção de saída apresentada é possível determinar u θ (R). u θ = 4 πnd 2 senθ, sendo o senθ = 1 e a vazão volumétrica D 2 Figura 5. Esquema dos planos de entrada e de saída do swirler. Ao assumir que o componente velocidade é paralelo à superfície do cone invertivo, a expressão da vazão volumétrica permite deduzir:

5 = u z A z (1 + tgβ tgα ), tgβ = D b D i 2h b ; tgα = D D b 2h i, onde, d é o diâmetro do orifício, D é o diâmetro interno do swirler, D b o diâmetro do cone invertido, D i o diâmetro do cilindro interno, h b é a altura do cone invertido e h i é o espaçamento entre a superfície do swirler e do topo do cone. Assim, 1 u z pode ser expresso: 1 = πd2 [1 D b 2 u z 4 O número de swirl pode então ser definido: D ] [1 + D b D i h i D D b h b ]. S = [ ld nd 2] [1 ( D 2 b D ) ] [1 D b D i h i ], D D b h b (a) (b) sendo l a distância do centro a entrada da mistura e n o número de orifícios. Cabe enfatizar que, com as hipóteses acima, o número de swirl é uma quantidade obtida diretamente da configuração geométrica do swirler. A equação representa a combinação do número de swirl usual (a), a influência do cilindro central (b) e o efeito combinado do ângulo e altura do cone invertido (c), mostrando como a geometria influencia o número de swirl, que neste estudo varia na faixa de 0,9 a 1,4. Durante os ensaios a vazão de ar da mistura foi fixada e a de metano foi diminuída para analisar os regimes de combustão. Ao definir as fronteiras entre os regimes, foi possível comparar os resultados obtidos com a literatura [4]. Uma câmera ICCD equipada de um filtro passa banda na faixa espectral de 310 nm foi utilizada para obter as imagens que evidenciam a região de liberação de calor de chamas prémisturas. Para isso as médias de 1000imagens para cada regime de combustão observado foram deconvoluídas com a técnica de inversão de Abel, que emprega uma formulação baseada na transformada de Fourier [5,6]. As imagens capturam a quimiluminescência, ou seja, a espectroscopia de emissão é utilizada como diagnóstico da combustão [7]. Resultados A. Regimes de Chamas Foram comparados os resultados obtidos com o swirler SW08 com o bluff-body com altura superior à superfície do swirler, h i = 3 mm, e com um cujo bluff-body é rente a esta superfície. Em ambos os casos foram consideradas as mesmas condições de operação e foram observados os mesmos seis regimes de combustão. Os regimes foram classificados de acordo com sua estabilidade, que foi identificada visualmente. Assim, foram definidas três regiões estáveis, duas instáveis e o limite de blow-off, ou seja, quando a chama é extinta. Esses regimes estão representados nos gráficos 1 e 2. Os regimes observados foram classificados de acordo com estudos realizados previamente [4]. A chama observada na região IV se estabiliza na zona de recirculação. Ao diminuir a riqueza, é alcançada uma primeira zona de instabilidade, IVf, na qual a chama oscila. Em uma riqueza menor, chega-se a uma nova região estável, III, onde a chama apresenta o formato em V. Em seguida, ocorre uma nova instabilidade, II. Diminuindo a riqueza, observase a última região de estabilidade, I, na qual a chama apresenta um formato de tornado. Ao reduzir novamente a riqueza, ocorre o blow-off, ou seja, a chama se apaga. (c)

6 Para o SW08 com S=1,4, ou seja, quando o bluff-body possui altura superior a superfície do swirler, as faixas de estabilidade IV e III são maiores se comparadas ao swirler com bluffbody rente, com S=0,9. Entretanto para o regime estável I, a faixa de estabilidade é maior quando S=0,9, neste caso o blow-off ocorre a uma riqueza menor. Quando S=0,9 as fronteiras estão deslocadas para baixo, o que significa que é possível atingir o mesmo regime com riqueza menor, ou seja, utilizando menos combustível. Esses resultados estão apresentados apenas para os swirlers SW08 com bluff-body com alturas variadas pois para o SW05 S=1,3 e não apresenta variação em relação ao caso de S=1,4, uma vez que ambos possuem a mesma área de saída. Gráfico 1. Diagrama de regimes de combustão para SW08 com swirler com bluff-body de altura superior à superfície, S=1,4.

7 Gráfico 2. Diagrama de regimes de combustão para SW08 com swirler com bluff-body rente à superfície, S=0,9. B. Topologia de chamas Para caracterizar a topologia de chama, foram obtidas imagens quimiluminescência integradas no tempo no processo de combustão utilizando uma câmera Canon EOS Rebel TS, equipada com lentes de 58 mm de diâmetro e sem filtros. As imagens utilizam a mesma abertura f-36 e o tempo de exposição de 0,5 s. As imagens obtidas para os três regimes de estabilidade no SW08 podem ser observadas na figura 6. As três imagens foram feitas nas seguintes riquezas (φ) e vazões volumétricas ( ): φ = 1,12 e = 1150 cm 3 s, φ = 0,95 e = 1133 cm 3 s, φ = 0,84 e = 1122 cm 3 s, da esquerda para direita.

8 Figura 6. Chamas Turbulentas no SW08: Regimes IV, III e I. S=1,4. A figura 7 mostra o resultado obtidos pelo processo de inversão de Abel. As imagens dos radicais de OH* deconvoluídas também foram obtidas nos mesmos regimes mencionados anteriormente. As imagens foram gravadas pela câmera CCD com um tempo de exposição de 4ms e abertura f-8. Foi utilizado um intensificador com ganho de 100% e tempo de abertura de 100 ms equipado de um filtro de 310 nm. Essas imagens estão associadas aos radicais de OH* com quimiluminescência, sendo então relacionadas à zona de liberação de calor das chamas pré-misturadas. Esse processo de inversão de imagem transforma as imagens obtidas ao longo da linha de visão na representação da seção transversal, assumindo simetria axial. Para uma imagem, primeiramente é determinado o seu centroide, em seguida a deconvolução das porções esquerda e direita é realizada separadamente. Neste estudo foram utilizados 16 modos da expansão de Fourier, o que influencia o tempo de cálculo e a exatidão com a qual a chama será representada. Esta técnica de inversão só é válida em casos em que há simetria axial, o que não ocorre na câmara de combustão quadrada desenvolvida. Porém a técnica foi utilizada para evidenciar a localização e forma da frente de chama. Figura 7. Imagens deconvoluídas.no SW08: Regimes IV, III e I. S=1,4. Não só a interação com as paredes da câmara de combustão mas também a composição da mistura influencia a topologia da chama. Mudanças no formato da chama estão relacionados com a riqueza da mistura e instabilidades acústicas [4]. Quando a riqueza aumenta, a região de queima se torna menor e tende a ficar próxima ao swirler.

9 A figura 7 mostra as imagens deconvoluídas da chama nos três regimes de estabilidade do SW08. A primeira imagem é referente ao regime IV, quando a chama apresenta zona de recirculação. Neste caso, a chama apresenta forte interação com as paredes da câmara de combustão, logo, esta região apresenta maior intensidade luminosa. A segunda imagem representa o regime de estabilidade III, no qual a chama apresenta o formato de V. A região que apresenta maior intensidade luminosa também está localizada nas paredes do confinamento, porém mais desacoplada do swirler. Neste caso a chama também está muito pŕoxima das paredes da câmara de combustão. A terceira imagem representa o regime I, onde a chama apresenta formato de tornado, assim, é possível perceber que a região com maior intensidade luminosa é o centro da câmara, não as paredes do confinamento, e que a chama está desacoplada do swirler. A bifurcação na chama comprova que a maior concentração de OH* ocorre nas suas laterais e não no centro. Cabe ressaltar que os regimes de chama estáveis observados não são alterados pelo número de swirl. Entretanto, a posição do diagrama (vazão x riqueza) onde são observados cada um destes regimes varia, como foi visto acima. As razões pelas quais as fronteiras entre os regimes dependem do número de swirl estão sendo investigadas. Conclusões Com o estudo de chamas pré-misturadas de metano e ar em presença de swirl foi possível identificar o comportamento do queimador, definindo regiões estáveis e instáveis. Seis regimes foram observados, três de estabilidade e dois de instabilidade, assim como o limite de blow-off, isto é, quando a chama se apaga. Os regimes estáveis foram denominados de acordo com o seu formato característico, sendo eles a zona de recirculação, chama-v e chama tornado. Utilizando os dois swirlers diferentes foi possível determinar o número de swirl de cada um. Para o SW08, S = 1,4. Enquanto para o SW05, S=1,3. Para o swirler com o bluff-body rente à superfície o número de swirl calculado é S=0,9. Assim, é possível perceber a influência da área de saída no número de swirl, pois só há mudança significativa em S quando a seção de saída é variada. Futuramente, pretende-se realizar a combustão do etanol pré-vaporizado e também analisar o campo de velocidade utilizando a técnica de velocimetria por imagem de partículas, PIV. Será realizado também o diagnóstico de combustão utilizando a técnica de fluorescência induzida por laser, LIF. Esta técnica possui alta resolução temporal e espacial, permitindo mapear a zona de combustão e identificar a formação de OH na frente de chama. Referências 1 FIGUEIRA DA SILVA, L., MERGULHÃO, C., PITON, L., SCOUFLAIRE, P., DARABIHA, N. Experimental study of a lean premixed turbulent swirling flame stabilization. 24th ABCM International Congress of Mechanical Engineering., BOURDREL, T. et al. Cardiovascular effects of air pollution. Archives of Cardiovascular Diseases, v. 110, Issue 11, pages , DUROX, D. et al. Flame dynamics of a variable swirl number and instability control. Combustion and Flame, v. 160, p , SHANBHOGUE, S. J et al. Flame macrostructures, combustion instability and extinction strain scaling in swirl-stabilized premixed CH4/H2 combustion. Combustion and Flame, v. 163, p , 2016.

10 5 - PRETZIER, G. A new method for numerical Abel-inversion. Zeitschrift für Naturforschung, v. 46, p , PRETZIER, G. et al. Comparison of Different Methods of Abel Inversion Using Computer Simulated and Experimental Side-On Data. Zeitschrift für Naturforschung, v. 47a, p , LACAVA, P. T.; MARTINS, C. A. Métodos experimentais de Análise Aplicados à Combustão, Papel Brasil Editora, p. 310, 2010.