Estabilização de chama

Transcrição

1 Estabilização de chama ( do livro Combustão ) É possível estabilizar uma chama num escoamento (ver bico de Busen) A sua posição e geometria são determinados pela condição de equilíbrio: em cada ponto S u é igual e de sinal contrário à componente de velocidade do escoamento perpendicular à superfície da chama disco poroso arrefecido u z perfil uniforme mistura S u u z u z S u u z u z S u u z S u u z S u S u

2 A estabilização no bordo do queimador faz-se pelo mecanismo visto no slide anterior Note-se que se o perfil de velocidade não for uniforme (e há sempre camada limite) a chama não apresenta um ângulo α constante! Note-se ainda que a velocidade S u no topo da chama pode ser francamente maior que S u nas outras zonas da chama, devido a concentração de radicais e energia térmica

3 Retorno de chama (flashback) É possível que a chama não fique estável no topo do queimador Admita-se que a chama entra ligeiramente no queimador A Se se tiver o perfil 1, a velocidade do escoamento é sempre maior que S u e o escoamento empurra a chama Mas com o perfil 3, a velocidade do escoamento é inferior a S u entre d q /2 e o ponto A, pelo que nessa zona a chama propaga-se contra o escoamento, progredindo pelo interior do tubo 2 Su A situação 2 é a situação fronteira e corresponde ao gradiente g F = do d gás na parede q

4 Descolamento de chama (blowoff) Aumentando a velocidade em relação à situação estável a chama fica mais afastada do bordo do queimador A partir de certa distância deixa de perder calor e radicais para a parede, acabando assim o mecanismo de estabilização Se a chama for estequiométrica ou pobre, a diluição da mistura com o ar em torno do queimador diminui velocidade de propagação, tornando a estabilização cada vez mais difícil Se a mistura for rica, a diluição aumenta S u, retardando a perda de estabilidade Se for muito rica, pode atingir-se o escoamento turbulento antes dessa perda Quando a estabilidade se perde, a chama é arrastada pelo escoamento (acabando por se extinguir)

5 Gradientes de velocidade críticos Os fenómenos de retorno e descolamento de chama dependem dos gradientes de velocidade, que apresentam valores críticos inferior e superior Quanto mais elevada for S u (mistura ligeiramente rica), maiores podem ser esses gradientes Como referido, a diluição das misturas ricas com ar dificulta o descolamento de chama, pelo que g B aumenta com φ

6 Diagrama de estabilidade Neste diagrama para além das zonas identificadas antes apresenta-se ainda a zona de chama descolada em que a combustão estabiliza a uma distância finita do queimador (em geral ocorre no regime turbulento) LII φ = 1 LSI

7 Este diagrama explica porque se usam misturas ricas nos queimadores domésticos LII φ = 1 LSI

8 Diagrama de Fuidge O diagrama de Fuidge é mais usual Nas coordenadas m ar /m fu vs potência calorífica apresenta não só as zonas de estabilidade (retorno e descolamento de chama), como também o limite para a ocorrência da formação de fuligem nas chamas de difusão arejadas Fluxo térmico

9 Imagens Shadowgraph e Schlieren Arranjo ótico Shadowgraph A Arranjo ótico Schlieren R O 1, O 2 S B A S Fonte luminosa Lentes Objeto Knife edge Alvo Imagem do objeto A

10 Shadowgraph de um escoamento isotémico Schlieren de uma pluma térmica Schlieren de uma pluma térmica Shadowgraph da chama num motor de explosão Schlieren do desenvolvimento de uma chama a partir da vela de ignição

11 x ρ A imagem Schlieren é mais intensa onde é máximo x x ρ A imagem Shadowgraph é mais intensa onde é máximo x T T x T T x x = ρ Em escoamentos isobáricos (separação das superfícies grandemente exagerada!)

12 Determinação experimental de S u Método do queimador de Bunsen ( 7.4 do livro Combustão ) A velocidade do escoamento pode ser relacionada com a da chama a partir da inclinação mas esta varia - junto ao bordo do queimador diminui devido à estabilização e perda de calor (diminui S u ). - no topo da chama devido a maior temperatura S u aumenta arredondando a ponta Em vez da inclinação pode-se utilizar a medição da área da chama ρ v A = o u t ρ o S L A f A área da frente de chama depende do método de visualização: - imagem visível, Schlieren, ou Shadowgraph (3-43) Métodos simples com erros da ordem de 20%

13 Método do tubo cilíndrico transparente Usa-se um tubo transparente com diâmetro superior ao mínimo (quenching) onde se coloca mistura gasosa a ensaiar S u ( vo vg) At Af = (3-44) O diâmetro utilizado é um compromisso: quanto maior for, menor é a influência relativa do quenching, mas mais a chama se deforma A ignição é provocada na extremidade aberta de modo à chama se propagar com velocidade v 0 ( S F ) para no interior do tubo consumindo os reagentes A expansão dos produtos empurra os reagentes (v g ). Esta velocidade tem que ser determinada. Pode ser estimada colocando uma bolha de sabão na extremidade oposta à da ignição e determinando a sua taxa de crescimento Se a extremidade oposta estiver fechada, pode admitir-se que próximo dessa extremidade a velocidade v g é muito baixa

14 A determinação da área da chama é complicada Referencial do tubo Referencial da chama Efeito da parede (quenching) e camada limite Método simples com erros da ordem de 20%.

15 Método da bolha de sabão + Mistura em bolha de sabão com ignição no centro, com registo da frente de chama em filme de alta velocidade A velocidade com que a chama cresce u r resulta da soma de S u e da velocidade dos reagentes empurrados pela expansão dos produtos S Aρ = u Aρ (3-45) O cálculo da velocidade depende das massas específicas dos reagentes e dos produtos na zona de combustão (obriga a medir ou calcular as temperaturas T u e T b não é fácil) Impossibilita reacções que sejam afectadas pela presença de vapor Existem efeitos de impulsão, pelo que para velocidades baixas afasta-se de estrutura esférica u u r b Os elétrodos da ignição influenciam propagação quenching

16 Método do reservatório esférico fechado (bomba) Idêntico ao anterior, mas agora com combustão a volume constante É muito utilizado em estudos de propagação em regime turbulento A expansão de produtos aumenta a pressão dos reagentes e, consequentemente a temperatura. Assim, velocidade de propagação aumenta durante a propagação A necessidade de conhecer as evoluções no tempo obriga a filmagem de alta velocidade S u 3 R r = 1 3 pγ r r R p γ 3 2 d p d r d r d t - Raio da chama - Raio do reservatório - Pressão - Razão c p / c v (3-46)

17 Método do queimador de chama plana Método mais preciso por produzir uma geometria simples e por os métodos óticos de visualização produzirem resultados iguais Para baixas velocidades consegue-se uma chama plana estabilizada A S u depende da quantidade de calor perdida para o disco Medindo esta perda de calor e extrapolando para a situação adiabática obtém-se o valor desejado de S u Rede Disco arrefecido Gás inerte Pré-mistura