Combustão Industrial 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 INTRODUÇÃO A COMBUSTÃO DEFINIÇÕES BÁSICAS COMBUSTÍVEIS CLASSIFICAÇÃO DE CHAMAS REGIMES DE COMBUSTÃO QUEIMADORES INDUSTRIAIS EMISSÕES 2
Combustão Laminar X Turbulenta A medida que a velocidade do escoamento aumenta a chama deixa de se plana e estável para se tornar plissada e oscilante. Parâmetros: 3 No. de Reynolds Re U D 0 0 No. de Froude 2 U0 Fr gd 0
Combustão Laminar X Turbulenta Vela Chama de Difusão Laminar Queimador de Óleo Combustível Chama de Difusão Turbulenta 4 Queimador de Gás Natural Chama de Difusão Turbulenta
5 Combustão Laminar X Turbulenta L F D F Características: O Comprimento de Chama (L f ) é o comprimento ao longo do eixo, a partir do boca do queimador, após o qual não é mais encontrada a presença de combustível. O Diâmetro da chama (D f ) é o diâmetro transversal ao eixo da chama, após o qual não é mais encontrada a presença de combustível. A Velocidade de Chama (U L ou T ) é a velocidade de propagação da frente de chama em relação ao escoamento da mistura oxidante/combustível. f (Re, Fr,swirl ) f (Re, Fr,swirl ) U U L T f f P,T,,Combustível P,T,,Combustível,Da
Combustão Laminar Velocidade de Chama Laminar (U L ) 6 A velocidade de chama laminar é a velocidade de propagação da frente de chama num escoamento em regime laminar da mistura oxidante combustível. Ela é determinada experimentalmente para cada combustível em função da razão de equivalentes. A condições padrões de determinação da velocidade de chama laminar são: T 0 = 298,15 K e P 0 = 101325 Pa
Velocidade Padrão de Chama (m/s) REGIMES DE COMBUSTÃO Combustão Laminar Velocidade de Chama Laminar (U L ) Medida experimentais são feitas em queimadores planares, câmara de volume constante e tubos de chama. 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 P = 101325 Pa T = 298.15 K 7 Gasolina A 0.05 Para outras pressões e Isooctano temperaturas deve-se corrigir a 0.00 α β velocidade padrão T P 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 U U,0 T 0 P 0 0.10 Metanol Gasolina C Razão de Equivalentes Combustível/Ar
Combustão Laminar Velocidade Padrão de Chama Laminar (U L,0 ) Em Heywood, 1988, é apresentada uma correlação empírica para os dados de velocidade padrão de chama laminar. U,0 B max B φ 1 λ 1 λ max 2 Constantes para cálculo da velocidade de queima laminar em condições padrões para vários combustíveis (Heywood, 1988) Combustível B max (m/s) B f (m/s) (1/l) max Isooctano 0,2630-0,8470 1,1300 Metanol 0,3690-1,4050 1,1100 Gasolina A 0,3050-0,5490 1,2100 Gasolina C* 0,3387-0,7546 1,1574 8 * média ponderada pela concentração volumétrica gasolina/álcool (gasolina A/metanol)
Combustão Laminar Exemplo Calcular a velocidade padrão de queima laminar do metanol para uma razão de equivalentes de 1,0. Bmax (m/s) Bf (m/s) (1/lambda)max Metanol 0,369-1,405 1,11 phi 1,00 lambda 1,00 Velocidade Laminar 0,3520 m/s 9 Exercício Calcular a velocidade de queima laminar do metanol para uma razão de equivalentes de 1,0 e uma pressão de 10 bar e uma temperatura de 35 o C. Os coeficientes de dependência da temperatura e da pressão são 2,0 e -0,1, respectivamente.
Combustão Turbulenta Regimes de Combustão Turbulenta São definidos usando o número de Damköhler e a energia cinética turbulenta (k ½ ) relativa a velocidade de chama laminar (U L ). O número de Damköhler é a razão entre o tempo característico da turbulência (t t ) e o tempo característico da combustão (t c ). Da τ τ t c δ c 1 2 k U 10 l é diâmetro dos grandes vórtices turbulentos no escoamento e d L é a espessura da chama laminar.
Combustão Turbulenta Regimes de Combustão Turbulenta Combustão distribuída: Região Ia e Ib Flameless Alta turbulência Combustion Vórtices pequenos (rel. a chama) 11 Baixo NO x
Combustão Turbulenta Regimes de Combustão Turbulenta Combustão de chama plissada: Região IIb e IIc Baixa turbulência Vórtices grandes (rel. a chama) 12
Combustão Turbulenta Regimes de Combustão Turbulenta Combustão de flameletes: Região IIa Média turbulência Vórtices grandes (rel. a chama) 13
Combustão Turbulenta Típicos Regimes de Combustão Turbulenta nos Equipamentos Queimadores Industriais 14
Combustão Turbulenta 15 Velocidade de Chama Turbulenta (U T ) Um Fator de Turbulência (f t ) é aplicado a velocidade de chama laminar para calcular a velocidade turbulenta de chama. O fator de turbulência é função do inverso do número de Damköhler. A velocidade de chama é aumentada pela turbulência em torno de 10 a 20 vezes a velocidade laminar de chama. A mistura turbulenta favorece o contato do oxidante e do combustível. A turbulência também favorece a transferência de calor da frente de chama para a mistura combustível. A área de queima também é aumentada pela turbulência. U f T T f T C1 Da U L
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