COMBUSTÃO JOSÉ EDUARDO MAUTONE BARROS

COMBUSTÃO JOSÉ EDUARDO MAUTONE BARROS Professor Adjunto da Universidade Federal de Minas Gerais Coordenador do Laboratório de Combustíveis e Combustão Doutor em Engenharia Mecânica - Térmica (UFMG) Doutor em Engenharia Aeronáutica - Energia (ITA) Engenheiro Químico (UFMG) www.mautone.eng.br mautone@demec.ufmg.br 1

SUMÁRIO 2 INTRODUÇÃO DEFINIÇÕES BÁSICAS COMBUSTÍVEIS CLASSIFICAÇÃO DE CHAMAS REGIMES DE COMBUSTÃO QUEIMADORES INDUSTRIAIS EMISSÕES MODELAGEM AVANÇADA

MODELAGEM AVANÇADA Cinética química Modelo de cinética química Modelo de escoamento reativo permanente Modelo de onda de combustão (escoamento reativo transiente) Modelo de combustão turbulenta Métodos numéricos de solução de escoamentos reativos 3

MODELAGEM AVANÇADA Cinética química Fundamentos Mecanismos de reação Teoria de reatores químicos LEVENSPIEL, vol. 1, 1974, Cap. 1, 2 e 5 4

MODELAGEM AVANÇADA Modelo de cinética química BARROS, Dissertação de mestrado, 1993, Cap. II.2 e II.3 ZUCROW et HOFFMAN, vol. 2, 1997, Cap. 14.1, 14.2, 14.3 Exemplo: formação de NO x 5

MODELAGEM AVANÇADA Modelo de escoamento reativo permanente Unidimensional Velocidade de combustão constante e empírica Uso do CHEMKIN Uso do ODK BARROS, Dissertação de mestrado, 1993, Cap. II.4 e apêndice I Exemplo: reator tubular para queima de mistura H 2 /O 2 6

MODELAGEM AVANÇADA Modelo de onda de combustão Escoamento reativo transiente Unidimensional ZUCROW et HOFFMAN, vol. 1, 1997, Cap. 9.4 SHARMA, S. P. et MOHAN, 1984, Cap. 5 BARROS, Tese de doutorado, 2003, Cap. 7

MODELAGEM AVANÇADA Modelo de combustão turbulenta Média de Reynolds Média de Favre Equações para regime permanente multidimensional Equações para regime transiente multidimensional 8

MODELAGEM AVANÇADA Métodos numéricos de solução de escoamentos reativos Métodos de integração numérica Implementação numérica Métodos específicos para integração de escoamentos reativos 9

MODELAGEM AVANÇADA Métodos numéricos de solução de escoamentos reativos Apostila de Métodos Numéricos, disponível em www.mautone.eng.br BARROS, Dissertação de mestrado, 1993, Cap. II.4.3 ORAN et BORIS, 1991, Cap. 4, RADHAKRISHMAN, K. Combustion Kinetics and Sensitivity Analysis Computations REACTION DESIGN, CHEMKIN PRO Manual, CK-THE- 15082-0809-UG-1, Numerical Solution Methods, Cap. 15 10

BIBLIOGRAFIA ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5484: Motores alternativos de combustão interna de ignição por compressão (Diesel) ou ignição por centelha (Otto) de velocidade angular variável Ensaio Método de ensaio. Rio de Janeiro, 1985. BARROS, J. E. M. Estudo de Motores de Combustão Interna Aplicando Análise Orientada a Objetos. Belo Horizonte: Tese de Doutorado, Engenharia Mecânica, UFMG, 2003. 11

BIBLIOGRAFIA 12 BAUKAL Jr., C. E. Air-oxy/Fuel Burners. In: Industrial Burners Handbook, BAUKAL Jr., C. E. (ed.). Boca Raton: CRC Press, 2003. COSTA, M. Combustão sem Chama Visível (Flameless Combustion). Palestra, II Escola de Combustão. São José dos Campos: RNC, 22-26 de Junho de 2009. ESCOLA DE COMBUSTÃO em http://redenacionaldecombustao.org/escoladecomb ustao/, jan/2011.

BIBLIOGRAFIA 13 GARCIA, R. Combustíveis e Combustão Industrial. Rio de Janeiro: Interciência, 2002. GLASSMAN, I. Combustion. New York: Academic Press, 1977. KUO K. K. Principles of Combustion. New York: John Willey & Sons, 1986. LEFEBVRE, A. Gas Turbine Combustion. Philadelphia: Taylor&Francis, 1998. LEVENSPIEL, O. Engenharia das Reações Químicas. São Paulo: Edgar Blucher, vol. 2, 1974.

BIBLIOGRAFIA REDE NACIONAL DE COMBUSTÃO (RNC) em http://redenacionaldecombustao.org/, jan/2011. SHARMA, S. P. et MOHAN, C. Fuels and Combustion. New Delhi: Tata McGraw-Hill, 1984. SMITH, J. M. e VAN NESS, H. C. Introdução a Termodinâmica da Engenharia Química. Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 3ª Ed.,1980. STREHLOW, R. A. Combustion Fundamentals. New York: McGraw-Hill, 1988. 14

BIBLIOGRAFIA TURNS, S. R. An Introduction to Combustion: Concepts and Applications. Boston: McGraw-Hill, 2000. WILLIAMS, F. A. Combustion Theory. New York: Benjamin Cumings Pub., 1985. 15

Modelos Dinâmicos Equações de Conservação S.C. V nd A t V.C. d V =0 S.C. e P V n d A t e d V = Q c V.C. t e=u V 2 2 gz Q p t W t S.C. V V nd A t V.C. V d V = F externas 2008 JEMB

Modelos Dinâmicos Simulação para obter PxTempo e TxTempo m c d V =0 dt c V c A c V d dt d V dt =0 d dt = cv c A c V d uv = Q c dt t uv d dt = m c h c V d u dt =ṁ c h c Gás Ideal P= RT u=c v T c v = R 1 c p = 1 R 2008 JEMB

Modelos Dinâmicos Simulação para obter PxTempo e TxTempo d uv = Q c dt t uv d dt = m c h c V d u dt =ṁ c h c u ṁ c V d u dt =ṁ c h c V d c vt =ṁ dt c h c c v T d T 1 = m c dt RV h c RT 1 Gás Ideal ln P=ln RT 1 P dp dt dp dt = 1 d 1 dt T = P d P dt T dt dt dt dt 2008 JEMB

Modelos Dinâmicos Definição de Deflagração e Detonação, ver Cap. 5 do livro Glassman, I. Combustion. New York: Academic Press, 1977. Modelo de onda de combustão generalizado, ver Barros, 2003 Modelo de onda de combustão turbulenta 2008 JEMB

Modelos Dinâmicos DEFINIÇÕES MÉDIA DE REYNOLDS: g = g + g onde, g = 0 MÉDIA DE FAVRE: g = g~ + g onde, g 0 e g~ = ρ g / ρ (MÉDIA PONDERADA PELA MASSA - para escoamentos compressíveis e reativos) β ρ u~ β ρ u ~ β ρ u ~ β ρ u ~ γ ( ρ u ~ b ) u ~ α β ~ Yi β ~ h β ~ k γ i = 0 ( τ α β ρ uα uβ ) P + + = + ρ g β ( J β ρ uβ Y ) = β ( J β Q ρ uβ h ) ( τ ρ ) 2008 JEMB ρ ω DP = φ Dt β P + u α + u α γ γ k = u α γ i i i α α Equação da Conservação de Massa Equações de Conservação da Quantidade de Movimento - com o Tensor de Reynolds como média de Favre, responsável pelo transporte turbulento Equações de Conservação para cada Espécie Química "i", em base mássica - com o termo de transporte α turbulento das espécies químicas e um termo fonte de produção ou destruição destas, que é função das reações químicas (somatório de exponenciais - "stiffness") Equação de Conservação de Energia - com o termo de transporte turbulento de energia e um termo fonte de produção de energia devido as reações químicas Equação de Conservação da Energia Cinética Turbulenta - com o termo de dissipação de turbulência u ~ α ρ u γ u α + ε k γ

Modelos Dinâmicos ρ t EQUAÇÕES REDUZIDAS (MODELO UNIDIMENSIONAL, TRANSIENTE, TURBULÊNCIA POR MODELO ALGÉBRICO E REAÇÃO QUÍMICA POR MODELO GLOBAL ESTATÍSTICO) ( ρ u) + = 2 ( ρ ) u ( ρ u) ρ P 4 ( ρ u ρ ) 2 ( ρ ) t = + ( ρ c) ( ρ u ρ c ρ ) µ ( ρ c ρ ) t ( ρ e) ( ρ u ρ e ρ ) ( ρ u ρ ) µ ( ρ e ρ ) t k = + 0 + = Sc µ 3 + = P + + ρ R Pr F k 3 2 0, 75 3 2 3 2u ε = C k C = 0, 09 = 0, 04 Pr = Sc = 0, 75 µ r µ ε R = C α T ( c c ) c 1 c C = 157, 8 c = 0, 238 k α ( ) δ ( ) F F * F * [ T ] 9 ( T ) = min 1 ; 0, 23 10 exp( 15100 ) r ρ ε δ δ ( c) ( c) = 0 se c 0 = 1 se c > 0 Equação de Conservação da Massa Equação de Conservação da Quantidade de Movimento - com o termo de transporte turbulento Equação de Conservação do Grau de Avanço da Reação (c) - que representa a concentração dos produtos, incluindo o termo de Razão de Reação Turbulenta (R F ), que modela a reação química. Neste caso, R F é modelado por uma função de probabilidade (PDF) aplicável ao regime de Flameletes.(Modelo de Bray-Moss-Libby) Equação de Conservação da Energia Total (e) - com o termo de dissipação turbulenta Obs: Aqui são apresentados alguns valores típicos para as constantes do modelo algébrico de turbulência e para o modelo estatístico de combustão. 2008 JEMB

COMBUSTÃO Introdução JOSÉ EDUARDO MAUTONE BARROS COMBUSTAOTURBULENTA.DOC

COMBUSTÃO DESCRIÇÃO DO FENÔMENO FÍSICO COMBUSTÃO É UM FENÔMENO FÍSICO-QUÍMICO CARACTERIZADO POR REAÇÕES DE OXIDAÇÃO, ONDE SÃO LIBERADAS GRANDES QUANTIDADES DE ENERGIA SOB A FORMA DE CALOR. A COMBUSTÃO OCORRE, EM GERAL, EM MEIO GASOSO COMPRESSÍVEL. A COMBUSTÃO ENVOLVE SEMPRE UM COMBUSTÍVEL E UM OXIDANTE. AS CHAMAS (ZONA DE COMBUSTÃO) SÃO CLASSIFICADAS EM DOIS TIPOS: CHAMAS DE DIFUSÃO X CHAMAS DE PRÉMISTURA JOSÉ EDUARDO M. BARROS 2

a imeu Qed s es a G COMBUSTÃO ner te C ed mah a 0( mm,1 ) F CHAMAS DE DIFUSÃO a imeu Qed s es a G o U OÃS U IF D E D A MA H C ) mm1>( a mah te na C ed l id te e x ívt O ner s ub F mo C o U O COMBUSTÍVEL E O OXIDANTE SÃO INJETADOS NA CHAMA EM CORRENTES SEPARARADAS. A MISTURA DOS DOIS OCORRE POR DIFUSÃO LAMINAR OU TURBULENTA. NAS CHAMAS DE DIFUSÃO, A FRENTE DE CHAMA, ONDE OCORREM AS REAÇÕES, É UMA REGIÃO DA ORDEM DE MILÍMETROS. ESTA REGIÃO SERVE DE SEPARAÇÃO ENTRE A OS GASES QUEIMADOS E OS NÃO QUEIMADOS. CHAMAS DE PRÉMISTURA C mo s ub ívt e O+l x id na te MÉ RP E D A MA H C A R UT IS O COMBUSTÍVEL E O OXIDANTE SÃO MISTURADOS PREVIAMENTE E INJETADOS NA CHAMA EM UMA CORRENTE ÚNICA. NESTE CASO, O FENÔMENO DOMINANTE É O TEMPO DAS REAÇÕES QUÍMICAS. NAS CHAMAS DE PRÉMISTURA, A FRENTE DE CHAMA É UMA REGIÃO MUITO FINA, DA ORDEM DE 0,1 mm, ONDE OCORREM AS REAÇÕES. (HIPÓTESE DE CHAMA FINA) JOSÉ EDUARDO M. BARROS 3

COMBUSTÃO REGIMES DE COMBUSTÃO LAMINAR X TURBULENTO A MEDIDA QUE A VELOCIDADE DO ESCOAMENTO AUMENTA A FRENTE DE CHAMA DEIXA DE SER PLANA E ESTÁVEL PARA SE TORNAR PLISSADA E OSCILANTE. PARÂMETROS IMPORTANTES: No. DE REYNOLDS e No. DE FROUDE: Re U D 0 0 Fr U gd COMPRIMENTO DE CHAMA - COMPRIMENTO AO LONGO DO EIXO, APÓS O QUAL, NÃO É MAIS ENCONTRADA A PRESENÇA DO COMBUSTÍVEL LF f Re, Fr 2 0 0 VELOCIDADE DE PROPAGAÇÃO DE CHAMA LAMINAR - MEDIDA PELA INFLAMAÇÃO DE UMA MISTURA COMBUSTÍVEL ESTACIONÁRIA DENTRO DE EM TUBO LONGO U L JOSÉ EDUARDO M. BARROS 4

COMBUSTÃO CHAMA LAMINAR DE DIFUSÃO: EXEMPLOS DE QUEIMADORES ISQUEIRO, VELA TUBO (TIPO BICO DE BUNSEN), CONFORME A VELOCIDADE DO GÁS CHAMA LAMINAR DE PRÉMISTURA: TUBO (TIPO BICO DE BUNSEN, COM PRÉMISTURA) CHAMA TURBULENTA DE DIFUSÃO: TUBO (TIPO BICO DE BUNSEN) CÂMARAS DE COMBUSTÃO DE TURBINAS QUEIMADORES INDUSTRIAIS CHAMA TURBULENTA DE PRÉMISTURA: TUBO (TIPO BICO DE BUNSEN) PÓSQUEIMADOR DE TURBOJATO JOSÉ EDUARDO M. BARROS 5

COMBUSTÃO REGIMES DE COMBUSTÃO TURBULENTA OS REGIMES DE COMBUSTÃO TURBULENTA PODEM SER ANALISADOS COMPARANDO-SE O TEMPO CARACTERÍSTICO DA TURBULÊNCIA (t) E O TEMPO CARACTERÍSTICO DA COMBUSTÃO (c), ATRAVÉS DO NÚMERO DE DAMKOHLER: t Da c U k L L 1/ 2 ONDE, k = ENERGIA CINÉTICA TURBULENTA l = COMPRIMENTO CARACTERÍSTICO DA TURBULÊNCIA(ESCALA DOS GRANDES VÓRTICES) U L = VELOCIDADE LAMINAR DE PROPAGAÇÃO DA CHAMA L = ESPESSURA DA FRENTE DE CHAMA UMA DAS FORMAS DE CONTRUIR UM MAPA DE REGIMES É USAR O NÚMERO DE REYNOLDS DA ESCALA DE KOLMOGOROV, Re K COMO ABCISSA E TERMO k 1/2 /U L COMO ORDENADA. NESTE GRÁFICO, l k / L = CONSTANTE SÃO RETAS E Da = CONSTANTE SÃO PARÁBOLAS JOSÉ EDUARDO M. BARROS 6

COMBUSTÃO MAPA DE REGIMES DE COMBUSTÃO TURBULENTA 100.0 10.0 1.0E+0 1.0E+1 1.0E+2 1.0E+3 1.0E+4 1.0E+5 1.0E+6 1.0E+7 1.0E+8 Ib Da = 10-2 Ia Re l l k = 0.3 d L Critério KLIMOV-WILLIAMS l k = d L l k / L < 1 - REGIÃO Ia e Ib - A ESTRUTURA DA CHAMA LAMINAR É MODIFICADA PELA TURBULÊNCIA E A DIFUSÃO TURBULENTA É DOMINANTE. O TEMPO QUÍMICO GOVERNA O FENÔMENO. O REGIME É DE COMBUSTÃO DISTRIBUÍDA. l k / L < 1 e Da < 1- REGIÃO Ib - A MISTURA TURBULENTA OCORRE ANTES DA REAÇÃO. O REGIME É DO REATOR HOMOGÊNEO. k 1/2 /U L Da = 1 IIa l k =10 d L l k / L 1 - REGIÃO II - A ESTRUTURA DA CHAMA LAMINAR NÃO É MODIFICADA PELA TURBULÊNCIA. A CHAMA É CONVECTADA. 1.0 0.1 IIb Da = 10 2 Da =10 4 IIc Da = 10 6 1.0 10.0 100.0 Re k l k / L 1 e k 1/2 /U L < 1- REGIÃO IIb - A CHAMA É CONTROLADA PELA TURBULÊNCIA DOS GASES FRIOS. O REGIME É CHAMADO DE CHAMA PLISSADA. l k / L 1 e k 1/2 /U L > 1- REGIÃO IIa - A CHAMA É QUEBRADA PELA TURBULÊNCIA EM PACOTES DE GASES FRIOS. O REGIME É CHAMADO DE COMBUSTÃO DE FLAMELETES. l k / L 1, Da 1 e Re t 1 - REGIÃO IIc - A TURBULÊNCIA CONTROLA O FENÔMENO. A CHAMA PODE SER CONSIDERADA UMA DESCONTINUIDADE SEPARANDO OS GASES QUENTES DOS GASES FRIOS. O REGIME AINDA É CHAMADO DE COMBUSTÃO DE FLAMELETES. JOSÉ EDUARDO M. BARROS 7

COMBUSTÃO Re l 0.0E+0 4.0E+4 8.0E+4 1.2E+5 1.6E+5 REGIMES DE TRABALHO PARA QUEIMADORES TÍPICOS 100.0 90.0 80.0 70.0 60.0 Reator Homogêneo Da = 1 ESPECTRO DE ENERGIA CINÉTICA TURBULENTA PARA A CHAMA E PARA O ESCOAMENTO ESCALA DE GIBSON - É A ESCALA MÍNIMA PARA RUPTURA DA CHAMA L e c G U 3 k 1/2 /U L 50.0 40.0 30.0 Câmara de Combustão Turbojato Da = 10 2 20.0 Bico de Bunsen I 10.0 0.0 Critério Klimov-Williams Da = 10 4 0.0 4.0 8.0 12.0 16.0 20.0 Re k II Motor de Combustão Interna 1.0 JOSÉ EDUARDO M. BARROS 8

DEFINIÇÕES COMBUSTÃO EQUAÇÕES DESCRITIVAS MÉDIA DE REYNOLDS: g g g onde, g 0 MÉDIA DE FAVRE: g g~ g onde, g 0 e g~ g / (MÉDIA PONDERADA PELA MASSA - para escoamentos compressíveis e reativos) x u~ u~ u~ u ~ u~ u ~ x ~ Yi x ~ hi x ~ k x b 0 EQUAÇÕES COMPLETAS (REGIME PERMANENTE) P u u g x x J i u Yi i x DP J Q u h x Dt P u u k u x x u~ u u k x Equação da Conservação de Massa Equações de Conservação da Quantidade de Movimento - com o Tensor de Reynolds como média de Favre, responsável pelo transporte turbulento Equações de Conservação para cada Espécie Química "i", em base mássica - com o termo de transporte turbulento das espécies químicas e um termo fonte de produção ou destruição destas, que é função das reações químicas (somatório de exponenciais "stiffness") Equação de Conservação de Energia - com o termo de transporte turbulento de energia e um termo fonte de produção de energia devido as reações químicas Equação de Conservação da Energia Cinética Turbulenta - com o termo de dissipação de turbulência JOSÉ EDUARDO M. BARROS 9

COMBUSTÃO EQUAÇÕES REDUZIDAS (MODELO UNIDIMENSIONAL, TRANSIENTE, TURBULÊNCIA POR MODELO ALGÉBRICO E REAÇÃO QUÍMICA POR MODELO GLOBAL ESTATÍSTICO) u t x 2 u u P 4 u 2 t x x 3 x c u c c t x x R e u e u e k t 0 x Sc x P x x Pr x F k 3 x x 2 0 75 3 2 3 2u C k C 0, 09 0, 04 Pr Sc 0, 75 R C T ( c c ) c 1 c C 157, 8 c 0, 238 k, F F * F * 9 T min 1 ; 0, 23 10 exp 15100 r T r c c 0 se c 0 1 se c 0 Equação de Conservação da Massa Equação de Conservação da Quantidade de Movimento - com o termo de transporte turbulento Equação de Conservação do Grau de Avanço da Reação (c) - que representa a concentração dos produtos, incluindo o termo de Razão de Reação Turbulenta (R F ), que modela a reação química. Neste caso, R F é modelado por uma função de probabilidade (PDF) aplicável ao regime de Flameletes.(Modelo de Bray-Moss-Libby) Equação de Conservação da Energia Total (e) - com o termo de dissipação turbulenta Obs: Aqui são apresentados alguns valores típicos para as constantes do modelo algébrico de turbulência e para o modelo estatístico de combustão. JOSÉ EDUARDO M. BARROS 10

COMBUSTÃO EXEMPLOS DE APLICAÇÕES QUEIMA TRANSIENTE EM ZONA DE RECIRCULAÇÃO Determinação do Comprimento de Combustão e Tempo de Ignição FRENTE DE CHAMA PLANA TURBULENTA Determinação de Velocidade de Propagação da Chama (Velocidade de Queima) e Espessura da Chama JOSÉ EDUARDO M. BARROS 11

COMBUSTÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BORGHI, R. et CHAMPION, M. "Cours de Combustion", Laboratoire D énergétique et de Détonique - URA-ENSMA, Poitiers, 1989 CATLIN, C. A. et LINDSTEDT, R. P. "Premixed Turbulent Burning Velocities Derived from Mixing Controlled Reaction Models with Cold Front Quenching", Imperial College, London, 1990 (paper submited to Combustion and Flame) LIBBY, P. A. et BRAY, K. N. C. "Implications of the Laminar Flamelet Model in Premixed Turbulent Combustion" in: Combustion and Flame, Elsevier North Holland, Inc., New York, Vol. 39, pág. 33-41, 1980 PIMENTA, A. P. "Notas de Aula do Curso: AC-265 - Combustão em Turboreatores", Instituto Tecnológico de Aeronáutica - ITA, São José dos Campos, 1994 STREHLOW, R. A. "Combustion Fundamentals", McGraw-Hill, Inc., New York, 1985 WILLIAMS, F. A. "Combustion Theory", Benjamin Cumings Pub., 1985 JOSÉ EDUARDO M. BARROS 12