Velocidade de propagação Notas sobre estabilização de chamas e velocidade de propagação.

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1 Notas sobre estabilização de chamas e velocidade de propagação. Estabilização de chamas de pré-mistura em diversas situações: A estabilização da chama pode ser efectuada quer pela variação da velocidade do escoamento como pela variação da velocidade de propagação de chama ou o efeito de ambos os factores. De seguida apresentam-se dois exemplos variando apenas uma das velocidades em cada caso. No primeiro caso mostra-se a estabilização de uma chama plana num queimador plano arrefecido. Neste caso a velocidade de propagação de chama varia com a distância entre a chama e o queimador devido à transferência de calor entre ambos. Atinge-se uma situação de equilíbrio quando a velocidade de propagação de chama for igual à velocidade do escoamento que é uniforme. No caso da estabilização de chama num escoamento divergente incidente numa superfície plana adiabática a velocidade de propagação não varia mas a velocidade do escoamento diminui permitindo estabilizar a chama a uma dada distância da parede. Na realidade existem outros efeitos para além dos térmicos como a destruição de radicais junto às superfícies. Estabilização de chama plana em disco não adiabático Estabilização de chama em escoamento divergente (adiabático) Estabilização de chama de pré-mistura formada em jacto A chama formada à saída de um jacto com uma pré-mistura de combustível e oxidante, forma uma chama de pré-mistura. Esta é a chama criada num queimador de Bunsen esquematizado na figura seguinte. O caudal de oxidante é arrastado pelo combustível e a sua proporção com o caudal de combustível pode dar origem a misturas ricas ou pobres. No caso de misturas ricas o combustível em excedo dá origem ainda a uma chama de João Luís Toste de Azevedo 1/9

2 difusão que tem uma dimensão maior que a de pré-mistura, podendo no entanto identificar-se o cone interior devido à pré-mistura. Este forma-se sempre que estamos dentro dos limites de flamabilidade. No caso da riqueza exceder o limite superior de flamabilidade a chama de pré-mistura deixa de existir sendo todo o combustível queimado numa chama de difusão. Quando existe algum oxidante (ar) misturado com o combustível designa-se por uma chama de difusão com diluição (Primary Aeration em Inglês). Assim pode-se considerar que as chamas num queimador de Bunsen (ou noutro) podem ter uma componente de pré-mistura e outra de difusão variando entre as duas situações de forma contínua. A chama tende a ser plana pois quando existe uma rugosidade na superfície a zona côncava da mistura de reagentes pode aquecer mais e assim aumentar a velocidade local de propagação, eliminando a rugosidade. Este mecanismo permite que a chama em regime laminar tenha uma superfície uniforme, podendo variar a inclinação no cone João Luís Toste de Azevedo 2/9

3 devido à variação da velocidade no escoamento conduzindo a ângulos maiores junto ao bordo do queimador e menores no centro. Na ponta da chama no entanto forma-se uma superfície contínua mais plana pois os gases na ponta recebem mais calor do que nas outras zonas, propagando-se a uma velocidade maior. Junto aos bordos do queimador a velocidade do escoamento é menor o que contribui para diminuir a inclinação da chama. A posição da chama é definida a partir de uma situação de equilíbrio entre a velocidade do escoamento e a velocidade de propagação de chama. O bordo do queimador actua como um poço de calor (e também de destruição de radicais) que diminui a velocidade de propagação de chama e deste modo a chama vai procurar uma posição de equilíbrio onde a sua velocidade iguala a velocidade do escoamento. Este mecanismo é ilustrado na figura seguinte a). A posição da chama junto ao bordo do queimador depende bastante do perfil de velocidades como se pode facilmente compreender pela figura que mostra três posições possíveis da chama comparando a velocidade de propagação com a velocidade do escoamento local. Devido ao aquecimento dos reagentes na saída do queimador verifica-se uma divergência no escoamento que deforma a chama junto ao bordo como indicado na figura b). a) Estabilização da chama junto ao bordo do queimador; b) Divergência do escoamento. O comportamento da chama junto ao bordo do queimador tem influência na sua estabilidade que é limitada pelos fenómenos de retorno e descolamento de chama. Para melhor compreender estes efeitos apresenta-se a figura seguinte que mostra uma comparação entre a velocidade da chama e a velocidade do gás junto ao bordo do queimador. A velocidade do gás apresenta um gradiente junto à parede que depende de forma directa do caudal. O gradiente de velocidade pode também ser influenciado pela existência de contracção antes da saída e pelo desenvolvimento do escoamento mas vamos aqui considerar que o factor principal é o caudal. A velocidade de propagação é considerada aproximadamente constante sendo no entanto nula para distâncias inferiores à distância de quenching. Na figura a) pode-se observar no caso 3 que a velocidade do gás é sempre superior à da chama e esta fica estabilizada. O caso 2 define as condições de retorno de chama pois se a velocidade do gás for reduzida (1) a velocidade de chama excede a do gás e a chama propaga-se para o interior do tubo. O limite de retorno de chama pode também ser definido para o caso do escoamento ser uniforme mas neste caso o retorno poderá ocorrer de forma uniforme em todo o tubo. A promoção do escoamento uniforme permite no entanto reduzir o caudal de gás correspondente ao caso de retorno de chama. João Luís Toste de Azevedo 3/9

4 a) Retorno de chama a partir de 2; b) Descolamento de chama a partir de 5; c) Posição chama A outra situação limite de estabilidade é a de deslocamento da chama ilustrada na figura b) e c). Quando a chama está muito próxima do queimador não existe chama na distância de quenching enquanto quando nos afastamos do queimador a chama prolonga-se e fica com menos inclinação. No caso de se aumentar a velocidade dos reagentes pode-se criar uma situação em que a velocidade local do gás excede a velocidade de propagação da chama afastando-a significativamente do queimador. Neste caso a posição da chama não é determinada pelo mecanismo de perda de calor/radicais podendo a chama fixar-se onde a velocidade do escoamento, que se expande, diminui o suficiente para igualar a velocidade de propagação de chama. O funcionamento de um queimador com chama descolada não é o mais seguro pois a posição da chama pode ser facilmente influenciada por perturbações de qualquer espécie e por isso esta situação não é normalmente utilizada em operação normal. Para caudais muito elevados pode também apagar-se a chama (blow off), conduzindo a uma situação perigosa mantendo o fornecimento de reagentes. A análise da estabilidade de chama pode ser feita num diagrama para um determinado tipo de combustível e determinada estequiometria representando a velocidade do escoamento em função do diâmetro do queimador. Este diagrama permite identificar duas linhas correspondentes aos caudais que dão gradientes de velocidade respectivamente inferiores ao limite de retorno de chama e superiores ao de descolamento de chama. A figura seguinte a) apresenta um diagrama deste tipo onde se inclui ainda uma linha representando o limite de regime laminar e outro limite para a velocidade do escoamento exceder o dobro da velocidade de propagação. João Luís Toste de Azevedo 4/9

5 O diagrama anterior não é muito utilizado pois depende do combustível e da riqueza da mistura. O diagrama de estabilidade mais utilizado é o diagrama de Fuidge que mostra os limites de operação de queimadores sendo constituído por duas curvas principais que são a de retorno de chama e a de descolamento de chama. No caso de se considerar a combustão de uma pré-mistura numa atmosfera inerte em que se elimine a possibilidade de chama de difusão ambas as curvas de retorno e de descolamento de chama têm dois ramos para misturas pobres e ricas, pois os mecanismos são semelhantes. No caso da combustão de pré-mistura se realizar em ar o oxigénio do ambiente evita o descolamento da chama formando uma chama de difusão. O fenómeno de retorno de chama ocorre mais cedo para mistura próximas de estequiométricas (um pouco ricas) onde a velocidade de propagação é máxima e verificase entre os limites de flamabilidade. Abaixo do limite de flamabilidade inferior (misturas pobres) não ocorre combustão. Acima do limite de flamabilidade superior (misturas ricas) forma-se uma chama de difusão para a qual não existe a situação de retorno de chama. Aumentando o caudal da mistura para uma chama de difusão pode-se definir um limite de pontas amarelas onde se forma fuligem. As chamas de difusão para misturas ricas ou apenas com combustível podem também sofrer descolamento e até extinção (blow-off) mas estes fenómenos ocorrem apenas no regime turbulento, como se irá analisar. a) Atmosfera inerte; b) atmosfera oxidante (ar); c) Diagrama para metano e gás de síntese João Luís Toste de Azevedo 5/9

6 A comparação entre os diagramas de estabilidade de gás de síntese e metano mostram que os limites ocorrem para valores muito menores da razão ar/combustível e os limites são mais próximos. Este comportamento resulta por um lado da menor razão ar/combustível de misturas H 2 /CO e da maior velocidade de propagação de chama. A estabilidade de chama pode ser melhorada de diversas formas. Se o queimador for dotado de uma malha com espaçamento inferior ao diâmetro de quenching evita-se o retorno de chama. No caso do bordo do queimador ser arrefecido também se consegue diminuir o caudal para a condição de retorno de chama e aumentar um pouco o limite de descolamento da chama. Um método mais simples de aumentar o limite de descolamento da chama consiste em utilizar um difusor que permite diminuir a velocidade da mistura. de chama A velocidade de propagação de chama pode ser determinada por vários métodos sendo o mais simples a observação da chama formada num queimador de pré-mistura. Neste caso a partir da área da chama e do caudal volumétrico dos reagentes calcula-se a velocidade de propagação. Esta velocidade pode também ser determinada pelo ângulo entre a superfície da chama e a direcção do escoamento de entrada. O ângulo da chama no entanto não é constante variando por causa do perfil de velocidade do escoamento e dos efeitos nos bordos da chama e na ponta, como já mencionado. No caso de se considerar um perfil de velocidade não uniforme com velocidades maiores no centro, obtém-se uma variação do ângulo com valores menores no centro e maiores na periferia do tubo. Outro método de observação da velocidade de propagação consiste em observar a propagação de uma chama. Um destes métodos considera a propagação da chama no interior de um tubo contendo uma mistura de reagentes dentro dos limites de flamabilidade. A mistura sofre ignição numa das extremidades do tubo e a chama propaga-se ao longo do tubo. Devido à reacção e ao aumento da temperatura dos produtos estes devem poder deslocar-se livremente no sentido oposto, caso contrário aumentaria a pressão e criava-se um escoamento que iria empurrar a frente de chama. Devido ao efeito de quenching, a chama quando se propaga não se encontra em contacto com as paredes. Adicionalmente devido a trocas de calor com as paredes a velocidade de propagação será máxima no centro e diminui para a periferia do tubo, como ilustrado na figura seguinte. Existindo perdas de calor até ao centro, implica que a velocidade é sempre inferior à obtida em condições adiabáticas. João Luís Toste de Azevedo 6/9

7 A variação da velocidade de propagação e o perfil de temperatura criam assim uma forma da chama como indicado na figura anterior. Os produtos de combustão formados como apresentam uma massa específica muito menor que a dos reagentes tem de se afastar da frente de chama formando um escoamento com o desenvolvimento de camada limite nas paredes do tubo. Este movimento aumenta a pressão que comprime a mistura de reagentes e contribui assim para um escoamento na direcção de propagação da chama. A chama propaga-se na direcção da mistura fresca dando origem ao escoamento ilustrado na figura a). Se observarmos o movimento do fluído no referencial associado à propagação da chama (figura b) pode-se considerar um escoamento uniforme de aproximação que converge na frente de chama formando um perfil de temperatura atrás da chama com uma camada limite na parede. a) b) c) A propagação é afectada pela orientação do tubo devido a efeitos de impulsão. No caso do tubo ser horizontal a chama deforma-se não sendo simétrica. No caso do tubo ser vertical a chama é axi-simétrica mas o efeito da gravidade é maior. João Luís Toste de Azevedo 7/9

8 Observação da velocidade de propagação de chama para regime turbulento. Utilização de um obstáculo para estabilizar a chama e formar camadas de mistura entre reagentes e produtos de combustão. Permite utilizar várias intensidades de turbulência na malha de entrada que decai ao longo do escoamento. Queimador de jactos opostos Permite estabilizar a chama a uma distância que se relaciona com a velocidade de propagação. Reactor com grande agitação Com ignição no centro permite obter a propagação de uma chama esférica em reactor com turbulência uniforme, promovida pelos ventiladores. João Luís Toste de Azevedo 8/9

9 Regimes de combustão turbulenta de pré-mistura: Deformação da frente de chama onde localmente tem a velocidade de propagação laminar Regime de combustão com turbilhões (corrugated). Regime de combustão distribuída. Mapa de regimes de combustão Re Definido com escala de comprimento e de velocidade turbulenta. v Escala de velocidade turbulenta l Escala de comprimento típico da turbulência S L de chama laminar l Espessura da chama F João Luís Toste de Azevedo 9/9