DESENVOLVIMENTO DE UM QUEIMADOR PARA O ESTUDO DE CHAMAS TURBULENTAS PRÉ-MISTURADAS COM SWIRL

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1 DESENVOLVIMENTO DE UM QUEIMADOR PARA O ESTUDO DE CHAMAS TURBULENTAS PRÉ-MISTURADAS COM SWIRL Aluno: Letícia Carneiro Piton Orientador: Luís Fernando Figueira da Silva Introdução A combustão é uma ciência que permeia quase todos os setores das sociedades, em qualquer parte do mundo, independentemente do grau de desenvolvimento da nação. O processo de combustão é responsável por mais de 85% da energia utilizada pelo homem, sendo estratégico para a economia de todos os países. A geração de energia a partir da combustão de derivados do petróleo, gás natural, carvão mineral, lenha, carvão vegetal e dos derivados da cana de açúcar corresponde a mais de 80% da energia utilizada no Brasil, de acordo com o balanço energético nacional publicado pelo Ministério de minas e energia [1]. A ciência e a tecnologia da combustão têm grande impacto nos setores industrial, de transporte e de geração de energia elétrica. Petróleo, carvão mineral e gás natural são as principais fontes de energia do mundo. Ao contrário do petróleo e do carvão mineral, o gás natural é menos poluente, embora a sua combustão ainda apresente alguns níveis de poluição que causam danos à atmosfera. Ele é utilizado como fonte de energia em indústrias, residências (gás de cozinha) e também em alguns tipos de veículos. As indústrias de mineração, química, siderúrgica, de cimento e de vidro destacam-se como grandes utilizadoras da combustão de hidrocarbonetos e do gás natural em seus processos de fabricação. A imensa maioria dos veículos automotores, dos navios e dos aviões utiliza a queima de derivados do petróleo ou do gás natural em seu funcionamento. Além disso, o preparo e cozimento de alimentos pela queima de combustíveis é importante no setor doméstico. Apesar dos múltiplos benefícios que a combustão traz para o ser humano, ela possui um lado negativo, a poluição ambiental, a qual precisa ser cuidadosamente tratada. Os principais poluentes produzidos nos processos de combustão incluem hidrocarbonetos não/parcialmente queimados, óxidos de nitrogênio (NOx), monóxido de carbono, óxidos de enxofre e material particulado (fuligem). Estes poluentes são usualmente apontados como os principais responsáveis de uma série de problemas específicos vinculados à saúde humana: formação de chuva ácida, efeito estufa e aquecimento global, entre outros. Nas duas últimas décadas, o nível de conscientização do público, em relação às questões meio ambientais, tem aumentado consideravelmente. Estas preocupações com os efeitos da poluição, na saúde pública e na qualidade do meio ambiente, têm levado aos governos a regulamentar o nível de emissões permitidas; e, aos geradores de poluição, a adotar práticas de gestão ambiental. A utilização social e ambientalmente responsável dos processos de combustão se coloca com os desafios concomitantes de aumento da eficiência energética e da redução do impacto ambiental. Tecnologias de combustão turbulenta pré-misturada vêm sendo desenvolvidas como soluções efetivas para reduzir a formação de NOx e de fuligem em turbinas a gás e queimadores industriais. Estas tecnologias, que envolvem por vezes a utilização da combustão estabilizada por swirl, possuem os desafios fundamentais da previsão dos limites de sopramento e de retorno da chama, bem como o das instabilidades acústicas. Nesse estudo foi investigado as características de instabilidades das chamas turbulentas de metano e ar estabilizada pela presença de swirl. Ele foi motivado pela dificuldade de se lidar com o gás natural, uma vez que a sua composição não é uniforme e pode variar. Introduzir um swirler permite estabilizar a turbulência, entretanto essas chamas estabilizadas são altamente

2 sensíveis às instabilidades da combustão, principalmente devido à formação de vórtex. A presença de swirl é necessária para uniformizar a mistura e para estabilizar chamas pobres ou de baixo poder calorífico. Em síntese, o principal objetivo deste trabalho foi desenvolver um queimador laboratorial para estudar chamas turbulentas pré-misturadas de hidrocarbonetos e de ar em presença de swirl. Seu objetivo específico foi criar diferentes geometrias de swirler para observar como a chama se comporta em sua presença, esteja ela confinada ou não. Este relatório apresenta resultados de estudos realizados em um queimador laboratorial do ponto de blow-off de combustão pré-misturada em presença de swirl. Ele está dividido em quatro seções. A primeira exibe os materiais e os métodos experimentais empregados e está subdivida em duas seções: (a) câmara de combustão, onde há a explicação de sua concepção e (b) swirlers radiais, que mostra como os swirles foram desenvolvidos. A seção seguinte apresenta a metodologia utilizada. Em seguida são mostrados os resultados obtidos, novamente dividido em subseções: (a) estrutura da chama, (b) resultados com confinamento e (c) resultados sem confinamento. Por fim, foram apresentadas as conclusões e perspectivas para futuros trabalhos. Materiais e métodos experimentais Esta seção apresenta os materiais utilizados e os métodos experimentais empregados nos experimentos. Em parceria com a École Centrale Paris um queimador aberto e um swirler foram enviados à PUC com o objetivo de estudar chamas turbulentas em presença de swirl. O queimador, denominados BEST Flame, foi projetado para receber ar e metano prémisturados. Após ensaios preliminares com e sem câmaras de combustão cilíndricas, concluiuse que a chama se estabilizava melhor confinada. Por isso foi necessário intervir tanto sobre o swirler quanto sobre a câmara de combustão. A figura 1 mostra o aparato experimental, que contém dois medidores de vazão (metano e ar), um controlador de vazão, o queimador, o swirler e a câmara de combustão. Figura 1: esquema da bancada experimental: 1 câmara de combustão, 2 queimador, 3 medidor de vazão de ar, 4 medidor de vazão de metano, 5 Controlador de vazão, 6 tubulação de mistura.

3 Os medidores de vazão utilizados são da marca Bronkhorst. Para o metano, a série F- 201AC-FAC-44V é utilizada com o limite máximo de 0,5 m 3 /h, já para o ar foi utilizada a série F-201AC-AAA-33V com o limite máximo de 2,0 m 3 /h. Os medidores de vazão são controlados por um aparelho eletrônico que ajusta o percentual da vazão do escoamento. O controlador opera a partir de válvulas de abertura e fechamento que são configuradas pelo usuário em um painel a uma determinada tensão. A. Câmara de Combustão Ensaios preliminares indicaram que a chama se estabiliza melhor quando está confinada. Na presença de um confinamento a riqueza do sopramento diminui, ou seja, o blow-off ocorre com a chama mais pobre. Portanto o próximo passo foi projetar uma câmara de combustão. Com o objetivo de compreender a influência do confinamento, foram projetadas duas câmaras de combustão com área de seção transversal quadradas. Os ensaios preliminares foram realizados com câmaras de combustão cilíndricas de 30 e 40 mm de diâmetro. As câmaras de combustão projetadas com área de seção transversal quadrada têm lados de mesma dimensão que os diâmetros destes cilindros. O projeto da câmara de combustão começou pela base que é cilíndrica e tem espessura de 11 mm, tal como mostrado na figura 2. Figura 2: base da câmara de combustão: 1 peça de resfriamento, 2 swirler, 3 canal de resfriamento. A base possui um rasgo lateral de 4 mm para que possa ser encaixada ao queimador. Por lidarmos com altas temperaturas de combustão, a base deve ser resfriada, por isso ela possui canais de 3 mm de diâmetro por onde passará água. A parte superior do swirler coincide com a parte superior da base, que possui 6 mm de altura e é oca para que a água escoe com mais facilidade. A aresta desta peça de resfriamento da câmara de combustão possui 30 ou 40mm dependendo da dimensão da seção transversal da câmara. A câmara de combustão pode ser vista como um todo na figura 3.

4 Figura 3: Câmara de combustão: 1 swirler, 2 base, 3 cantoneiras, 4 chaminé, 5 janelas de quartzo. Em seguida, foram projetadas as cantoneiras que sustentam as janelas de quartzo. Elas possuem 170 mm de altura e 18 mm de largura e comprimento. Elas foram construídas de modo que a parte de aço inox não entre em contato com a chama ou com os produtos da combustão. Dessa forma, reduz-se o risco de a cantoneira deformar com o calor. Quatro cantoneiras sustentam quatro placas de quartzo que foram cortadas de modo a encaixarem na cantoneira, por isso têm 170 mm de altura, 10 mm de espessura, e sua largura varia entre 30 e 40 mm, dependendo do confinamento. O quartzo resiste a altas temperaturas sem trincar além de ser transparente, fornecendo, dessa forma, amplo acesso óptico para a região da combustão, permitindo futuros estudos do seu comportamento através da utilização de lasers. O último item do confinamento é a chaminé. Ela também é de aço inox e possui uma pequena angulação que modifica as propriedades de acoplamento acústico entre a câmara de combustão e o ar da sala. Em síntese, existem duas bases, quatro cantoneiras, que por serem aparafusadas podem ser utilizadas tanto na câmara de combustão de 40 mm quanto na de 30 mm, oito placas de quartzo, sendo quatro com 40 mm de largura e quatro com 30 mm e duas chaminés. Esses itens formam duas câmaras de combustão de área de seção transversal quadrada. B. Swirlers radiais Swirlers radiais são pequenas peças que têm a função de estabilizar uma chama turbulenta. O swirler se encaixa na base da câmara de combustão para que a chama fique completamente confinada. Ar e metano entram pelos orifícios laterais e a chama fica ancorada no corpo rombudo central, como pode ser observado na figura 4.

5 Figura 4: swirler: 1 orifícios de entrada de ar e combustível, 2 área de saída do escoamento, 3 corpo rombudo central ( bluff body ). Um modelo de swirler veio junto com o BEST Flame da École Centrale Paris. Ele é semelhante ao da figura 4 e a partir do seu estudo foi possível determinar como novos swirlers poderiam ser projetados. Os novos swirlers e sua respectiva nomenclatura serão apresentados na seção seguinte. A figura 5 exibe o modelo 2D do swirler apresentado acima apenas com as suas principais medidas. O escoamento do combustível pré-misturado é induzido por oito orifícios de 2 mm de diâmetro, cujos eixos estão situados a 4 mm do eixo principal do swirler. Esses furos alimentam a câmara do swirler que possui 10 mm de diâmetro e 17 mm de altura. A parte central do swirler é ocupada por um cilindro de 4 mm de diâmetro, que possui um cone invertido no seu topo. A chama é ancorada na base desse cone invertido. Todos os swirlers são feitos de aço inox. Figura 5: modelo 2D do swirler.

6 As áreas de entrada e saída influenciam diretamente no número de swirl que é um parâmetro adimensional comumente utilizado para caracterizar escoamentos espiralados [2]. Este parâmetro relaciona o fluxo de quantidade de movimento angular do escoamento com o fluxo de quantidade de movimento linear. O número de swirl é expressado de acordo com a equação 1: S = R u Zu θ r 2 dr 0 R 2, R u rdr 0 Z Equação 1 onde u Z é a velocidade axial, u θ é a velocidade azimutal e R é o raio do swirler. Ensaios preliminares com o confinamento de área de seção transversal circular demonstraram a influência do número de swirl sobre a estabilização da queima. Metodologia Um estudo dirigido com o objetivo de compreender melhor o processo de combustão foi efetuado [3]. Estes conceitos, que não são cobertos nos cursos de graduação em engenharia na PUC-Rio, envolvem: o estudo de combustíveis, a termodinâmica da combustão, a cinética química, as equações de transporte e as propriedades a estas associadas, as chamas prémisturadas e as chamas não-prémisturadas. Ensaios exploratórios com uma versão preliminar do queimador foram realizados e apontaram as direções de projeto a serem seguidas para os swirlers e para o confinamento do processo de combustão por janelas de quartzo. O procedimento experimental consistiu em três etapas. A primeira foi a análise de dois swirlers com geometrias diferentes, os quais apresentam a variação da área de saída e, consequentemente, a variação da velocidade axial, mantendo a velocidade tangencial constante. Desse modo, estudou-se como o número de furos e a distância entre eles interfere sobre a turbulência da chama. A partir dos primeiros resultados obtidos, diversos modelos de swirlers foram projetados neste trabalho utilizando o programa SolidWorks. Alguns desses modelos podem ser observados na figura 6. Figura 6: exemplos de variações de swirlers projetados.

7 A figura 6ª (SW BZ1) foi utilizada como referência para todas as outras, por se tratar do modelo 3D da figura 4. Ela possui 8 orifícios igualmente espaçados além de um corpo rombudo central com uma protuberância cônica. Com o intuito de alterar a área de saída do escoamento, foi projetado um swirler sem a protuberância cônica (figura 6b SW BZ4) e outro com a parte cônica no interior do swirler (figura 6c SW BZ2). Nesses dois casos, a área de entrada do escoamento permanece a mesma por causa do número de orifícios, diferente das figuras 6d (SW VZ1) e 6e (SW VZ4) que possuem 16 orifícios, dobrando dessa forma a área de entrada. As variações de todos os modelos de swirler estão na tabela 1 com a sua respectiva nomenclatura na tabela 2. Tabela 1: variações dos swirlers projetados Furos Corpo rombudo central Swirler Nº furos Nº camadas φ Formato Diâmetro (mm) Altura (mm) SW BZ º Cone invertido 8 23 SW BZ º Cone invertido 8 20 SW BZ º Cilindro 3 23 SW BZ º Cilindro 4 23 SW VZ º Cone invertido 8 30 SW VZ º Cilindro 3 30 SW VZ º Cilindro 4 30 SW BNCZ º Cone invertido 8 36 SW BNCZ º Cone invertido 8 33 SW VNCZ º Cone invertido 8 45 SW VNCZ º Cone invertido 8 42 SW BX º Cone invertido 8 23 SW BNCX º Cone invertido 8 36 SW VNCX º Cone invertido 8 45 SW BNCX º Cone invertido 8 33 SW VNCX º Cone invertido 8 42 SW BY º Cone invertido 8 23 SW BNCY º Cone invertido 8 36 SW VNCY º Cone invertido 8 45 SW BNCY º Cone invertido 8 33 SW VNCY º Cone invertido 8 42

8 Tabela 2: nomenclatura empregada para distinguir as variações geométricas Nomenclatura B V Base (1 camada) Variação (2 camadas) NC Novo Confinamento 1 Cone para fora 2 Cone para dentro 3 Cilindro D=3mm 4 Cilindro D=4mm X Y Z 5 furos 6 furos 8 furos É necessário destacar que apesar de todos os swirlers da tabela 1 serem projetados, apenas os que estão em negrito e itálico foram de fato usinados e ensaiados. Os que estão apenas em itálico já foram usinados, mas ainda não ensaiados. A segunda etapa baseou-se no estudo da drástica influência que a geometria do confinamento exerce numa chama turbulenta estabilizada. A princípio, foram utilizados dois confinamentos de área da seção transversal circular com diâmetros de 3 e 4 cm, sem a presença da chaminé. Esta análise leva a avaliar a caracterização de blow-off da chama. A última etapa teve como objetivo observar a velocidade tangencial uθ. Essa parte do experimento foi realizada bloqueando metade das perfurações do swirler, ou seja, alterando a sua geometria. Este procedimento nos permitiu observar que a chama estabiliza com um formato em V próximo à saída do swirler quando não está confinada. Foi possível também levantar a curva de funcionamento e estabilidade de queima. Os resultados obtidos foram comparados com aqueles levantados por pesquisadores da École Centrale Paris (Centrale Sup'élec) em configurações similares [5,6]. Resultados e discussão Esta seção apresenta os resultados obtidos após os ensaios. Ela foi dividida em três subseções: estrutura da chama, resultados sem confinamento e resultados com confinamento. A. Estrutura da Chama Uma imagem típica de chama turbulenta não confinada é apresentada na figura 7. Ela permite verificar que a chama estabiliza com formato de V próximo à saída do swirler. A figura 8, por outro lado, mostra uma chama turbulenta confinada. De fato, a chama-v característica do caso não confinado é alterada quando confinada e exibe uma forte interação com as paredes da câmara de combustão. Além disso, a diluição da mistura combustível pelo ar ambiente também pode desempenhar um papel na estabilização no caso não confinado.

9 Figura 7: chama turbulenta em formato de V. Figura 8: chama turbulenta confinada. B. Resultados sem confinamento A princípio, os ensaios foram realizados sem confinamento. Os swirlers SW BZ3, SW BZ4, SW VZ1 e SW BZ1 foram ensaiados. Todavia, o último swirler foi ensaiado duas vezes: primeiramente com todos os orifícios livres e em seguida com metade dos orifícios bloqueados alternadamente. Os resultados do ponto de blow-off podem ser vistos no gráfico 1. Eles são comparados com as clássicas chamas laminares de bico de Bunsen [7], onde os limites de blowoff para diferentes diâmetros são dados. Neste gráfico, chamas estáveis ocorrem para concentrações de CH4 acima das curvas. Para chamas laminares estabilizadas em um bico de Bunsen o a concentração de metano de blow-off aumenta conforme o diâmetro do tubo diminui.

10 Gráfico 1: limite de blow-off para chamas metano/ar sem confinamento O gráfico 1 nos permite tirar algumas conclusões. O percentual de CH4 varia com a vazão volumétrica, ou seja, quanto maior a vazão volumétrica, maior é o percentual de CH4 da mistura ar/combustível. É possível observar também que o percentual de CH4 influencia diretamente no número de swirl e conforme o número de swirl aumenta, maior é o limite de blow-off. Comparando os resultados obtidos para as diferentes geometrias de swirl, verifica-se que a chama é mais estável nas variações SW BZ3, SW BZ4 e SW VZ1. O percentual de CH4 está entre 6 e 8%, caracterizando chamas pobres. Ao analisarmos o SW BZ1 com os orifícios abertos e bloqueados, podemos concluir que SW BZ1 bloqueado deve ter um número maior de swirl. Observa-se no gráfico 1 que a segunda curva possui um limite de estabilidade acima da primeira curva. Ao bloquear a metade dos orifícios, a área efetiva de entrada do fluxo diminui e, assim, a velocidade tangencial aumenta. Ao aumentar a velocidade tangencial, o gradiente de velocidade aumenta e, portanto, a extinção da chama ocorre mais facilmente. C. Resultados com confinamento A próxima etapa do estudo consistiu na análise das chamas confinadas. A câmara de combustão utilizada tem área de seção circular de 40 mm de diâmetro. Novamente foram analisados os swirlers SW BZ3, SW BZ4, SW VZ1 e SW BZ1. No entanto, os orifícios do SW BZ1 não foram bloqueados novamente, uma vez que foi possível constatar na etapa anterior que o bloqueio dos furos não fornece bons resultados. Novamente as diferentes geometrias de swirl são comparados com as clássicas chamas laminares de bico de Bunsen, onde os limites de blow-off para diferentes diâmetros são dados. Os resultados podem ser observados no gráfico 2.

11 Gráfico 2: limite de blow-off para chamas metano/ar com confinamento câmara de combustão de área de seção circular com 40 mm de diâmetro. Analisando o gráfico 2 é possível concluir que o percentual de CH4 não varia muito com a vazão volumétrica. Além disso, se a vazão volumétrica for pequena (entre 100 e 350 cm 3 /s) o formato do confinamento influencia na chama, uma vez que há uma variação perceptível do percentual de CH4 para todas as geometrias de swirl. No entanto, conforme a vazão volumétrica aumenta, a forma do confinamento deixa de interferir na topologia da chama, uma vez que o percentual de CH4 permanece constante em torno de 7%. Comparando agora todos os swirlers com e sem câmara de combustão, os resultados obtidos indicaram que os limites de blow-off são mais baixos para chamas confinadas, ou seja, é possível estabilizar chamas pobres confinadas. Este efeito estabilizador é observado para todas as vazões de escoamento analisadas e é acompanhado de modificações drásticas da topologia de chama. Foi possível observar que o todos os swirlers que não possuíam o cone invertido no corpo rombudo central ficaram incandescentes, por isso corriam grande risco de fraturar enquanto expostos a altas temperaturas. Desse modo, foram excluídos de futuros ensaios. Conclusões e perspectivas O estudo teórico permitiu uma maior compreensão do processo de combustão. Logo será possível realizar novos estudos, uma vez que um novo confinamento com área de seção transversal quadrada foi projetado e está sendo usinado. Com um novo confinamento, será possível realizar a caracterização da morfologia das chamas turbulentas estabilizadas no queimador, mediante a fotografias das chamas obtidas. Para isso, será necessário realizar um estudo prévio da técnica de imageamento de CH*. Esperase que esta morfologia seja função do número de Reynolds, do número de swirl e do confinamento da chama. Além disso, deseja-se conhecer a taxa de liberação do calor nas diferentes chamas. Por fim, pretende-se analisar o campo de velocidade utilizando a técnica de velocimetria por imagem de partículas (PIV), o que também requer um estudo prévio do PIV. Este desenvolvimento abrirá as portas para estudos mais avançados das chamas turbulentas prémisturadas com swirl, a serem efetuados.

12 Referências 1 - BALANÇO energético nacional. Disponivel em: < Acesso em: 17 de junho KUHLMANN, J. A. Estudo do Escoamento e Transferência de Calor em um Jato Espiralado Incidente. Rio de Janeiro, p. Dissertação de Mestrado Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro 3 - MCALLISTER, S. Fundamentals of Combustion Processes. 1st ed. London; New York: Springer, p. 4 - SHANBHOGUE, S. J. Flame macrostructures, combustion instability and extinction strain scaling in swirl-stabilized premixed CH4/H2 combustion. Combustion and Flame, v. 167, p , jan, GALLEY, D. Mixing and stabilization study of a partially premixed swirling flame using laser induced fluorescence. Combustion and Flame, v.158, n.1, p , jan, GUIBERTI, T. F. Analysis of topology transitions of swirl flames interacting with the combustor side wall. Combustion and Flame, v.162, n.11, p , nov, LEWIS, B. Combustion, Flames and Explosions of Gases. 3rd ed. London: Academic Press, p.