COMBUSTÍVEIS E COMBUSTÃO PROF. RAMÓN SILVA Engenhara de Energa Dourados MS - 2013
CHAMAS DIFUSIVAS 2
INTRODUÇÃO Chamas de dfusão turbulentas tpo jato de gás são bastante comuns em aplcações ndustras. Há números exemplos de utlzação de combustíves gasosos, entre eles os dversos processos envolvendo a produção de aço, cobre, vdro e produtos químcos. 3
INTRODUÇÃO Sempre que possível, o uso de um combustível gasoso é preferível sobre o de combustíves líqudos ou sóldos, em vrtude do menor excesso de ar necessáro e da quantdade reduzda de poluentes atmosfércos formados durante a combustão 4
INTRODUÇÃO A combustão de um jato de combustível sando de um tubo é um processo controlado por dfusão. Em todos os pontos nos quas o combustível e o oxdante encontram-se em proporções estequométrcas, a combustão ocorre muto rapdamente. 5
INTRODUÇÃO Em uma chama deal, a zona de reação é tão estreta que ela pode ser consderada como uma superfíce de espessura nula que é mpermeável ao combustível de um lado e ao oxdante do outro lado. Em teora, portanto, combustível é encontrado apenas de um lado da chama e oxdante do outro. 6
INTRODUÇÃO Conhecer a forma de chama, comprmento e perfs de concentração e temperatura é fundamental para o engenhero, pos permtrá o cálculo das taxas de transferênca de calor e a determnação dos requstos de materas da câmara de combustão. 7
INTRODUÇÃO Os parâmetros da chama são funções das propredades químcas e termodnâmcas do combustível e do oxdante, bem como do regme de escoamento na saída do quemador (se lamnar ou turbulento). 8
JATOS FRIOS Quando um fludo é ejetado de um tubo, ele forma um jato ao nteragr com o fludo externo. O jato pode ser dvddo em quatro regões, conforme mostrado na fgura: núcleo potencal, regão de mstura, regão de transção e regão completamente desenvolvda 9
JATOS FRIOS 10
JATOS FRIOS Estmatvas dos comprmentos dessas regões são ndcadas na fgura; eles podem varar dependendo das condções ncas do fludo na saída do tubo, tas como: níves de turbulênca e propredades termodnâmcas. 11
JATOS FRIOS No núcleo potencal, o fludo retém a velocdade e composção que ele tnha dentro do tubo. 12
JATOS FRIOS A mstura com o fludo externo começa na regão de mstura e contnua ao longo da regão de transção 13
JATOS FRIOS Jatos turbulentos formados pelos mesmos fludos nterno e externo apresentam regões completamente desenvolvdas smlares. Isto sgnfca que jatos formados, por exemplo, por metano descarregando em ar, apresentam equações smlares para perfs de velocdade e concentração, ndependente do dâmetro do tubo e da velocdade ncal do jato. 14
PERFIS DE VELOCIDADE Para um jato crcular descarregando em ar parado, a varação da concentração com o rao, r, e com a dstânca axal, x, é dada por (Beer e Chger, 1972): C C = 0,22 ar 1 1 2 x d exp - K -1,5 C e C são as concentrações médas temporas em pontos (r,x) e na saída do tubo, respectvamente, r é a massa específca do combustível na saída do tubo, r ar é a massa específca do ar externo e d é o dâmetro do tubo. O valor de K 1 vara entre 54 e 57. 1 r d x d 2 15
PERFIS DE VELOCIDADE O campo de velocdades tem uma equação smlar àquela da concentração: 16 2 2 ar d x d r K - exp -1,5 d x 0,16 1 = u u 2 1
PERFIS DE VELOCIDADE O campo de velocdades tem uma equação smlar àquela da concentração: onde u e u são as velocdades médas temporas nos pontos (r,x) e na saída do tubo, respectvamente, e K 2 vara entre 82 a 92. 17 2 2 ar d x d r K - exp -1,5 d x 0,16 1 = u u 2 1
PERFIS E VELOCIDADE Consderemos um jato de metano em ar parado para o qual desejamos desenhar a frontera do jato e o perfl de velocdades em uma dstânca axal, dgamos x/d = 50. A frontera do jato pode ser defnda como o local dos pontos onde a velocdade do escoamento é 1 % da velocdade no exo na mesma dstânca axal a partr da seção de saída do tubo. 18
PERFIS DE VELOCIDADE Consderemos um jato de metano em ar parado para o qual desejamos desenhar a frontera do jato e o perfl de velocdades em uma dstânca axal, dgamos x/d = 50. A frontera do jato pode ser defnda como o local dos pontos onde a velocdade do escoamento é 1 % da velocdade no exo na mesma dstânca axal a partr da seção de saída do tubo. 19
PERFIS DE VELOCIDADE com r/d = 0 temos u u a = 0,16 ar 1 1 2 x d -1,5 onde ua é a velocdade do escoamento no exo, na posção x. 20
PERFIS DE VELOCIDADE Dvdndo a equação (8.2) pela resultado acma, consderando K = 92, obtemos, para a frontera do jato, determnada pelos pontos (x f,r f ): u u a rf d = exp - 92 x f d 2 = 0,01 rf d ln (0,01) = - 92 x f d 2 rf d x = 0,224 d f Vemos, então,. que a frontera do jato é uma superfíce cônca cuja posção não depende do tpo do gás ejetado pelo tubo nem do fludo externo. O ângulo entre a frontera do jato e o exo x é a = atan(0,224) = 12,6 21
PERFIS DE CONCENTRAÇÃO Dvdndo a equação (8.2) pela resultado acma, consderando K = 92, obtemos, para a frontera do jato, determnada pelos pontos (x f,r f ): u u a rf d = exp - 92 x f d 2 = 0,01 rf d ln (0,01) = - 92 x f d 2 rf d x = 0,224 d f Vemos, então,. que a frontera do jato é uma superfíce cônca cuja posção não depende do tpo do gás ejetado pelo tubo nem do fludo externo. O ângulo entre a frontera do jato e o exo x é a = atan(0,224) = 12,6 22
VELA Um exemplo clássco de chama dfusva é a chama de uma vela. O calor provenente da chama funde a parafna, que flu através do pavo e vaporza. O ar ambente flu para regão de chama devdo à convecção natural. A zona de reação é estabelecda entre o ar e o combustível. 23
VELA 24
CHAMAS LAMINARES E TURBULENTAS Quando a velocdade do jato aumenta, as característcas da chama mudam, conforme o esquema da Fgura 6.3. 25
CHAMAS LAMINARES E TURBULENTAS Para os jatos de baxa velocdade a taxa de mstura com ar estagnado é baxa e a chama é longa e suave (lamnar). O comprmento da chama lamnar aumenta quase que lnearmente com a velocdade do jato até um ponto onde a chama começa a se tornar turbulenta. Deste ponto, o comprmento da chama dmnu devdo ao rápdo processo de mstura turbulenta. 26
CHAMAS LAMINARES E TURBULENTAS Na regão de completo desenvolvmento turbulento, o aumento do número de Reynolds pratcamente não afeta mas o comprmento da chama, sendo que a justfcatva para esse fato é que nessa regão o aumento da taxa de mstura entre combustível é aproxmadamente proporconal ao número dereynolds (Turns, 1996). A chama turbulenta emte som mas ntenso do que a chama lamnar e a lumnosdade amarela devdo à presença de fulgem também reduz com a turbulênca. 27
CHAMAS LAMINARES E TURBULENTAS A transção para uma chama completamente turbulenta é caracterzada por um número de Reynolds, que é dferente para cada tpo de combustível, ndcando que além da mecânca dos fludos, a cnétca químca também tem um mportante papel no comportamento da chama. Número de Reynolds de transção para chama de jato de combustível em ar estagnado. 28
CHAMAS LAMINARES E TURBULENTAS O ntenso aumento da velocdade do jato pode atngr um ponto onde a chama dstanca-se da saída do orfíco de njeção ( Lfted flame na língua nglesa), exbndo uma zona sem reação químca 29
CHAMAS LAMINARES E TURBULENTAS Um aumento anda maor da velocdade do jato pode levar ao blowoff, ou seja, a chama é levada pelo jato e se extngue. A ocorrênca de uma chama dfusva estável, lfted, ou blowoff, dependerá do número de Reynolds do jato dfusvo e do dâmetro do orfíco que emerge o jato. 30
CHAMAS LAMINARES E TURBULENTAS A explcação para ocorrênca do lft e do blowoff anda é assunto de dscussão entre pesqusadores. Contudo, a teora orgnalmente dscutda por Wohl et al. (1949) anda é bastante aceta e assume que para escoamentos com alta velocdade a regão próxma à saída do jato comporta-se como uma chama pré-msturada turbulenta. 31
CHAMAS LAMINARES E TURBULENTAS A njeção do combustível em uma atmosfera estagnada de oxdante gera uma stuação onde não há controle sobre o processo de mstura entre os reagentes. No entanto, sso pode ser feto utlzando dos tubos concêntrcos, onde o combustível flu no tubo nterno e o oxdante no externo. 32
CHAMAS LAMINARES E TURBULENTAS Se os fluxos forem ajustados com velocdade gual, uma chama lamnar será estabelecda; Por outro lado, dferentes velocdades produzrão um csalhamento na nterface dos fluxos, nduzndo a turbulênca. 33
CHAMAS LAMINARES E TURBULENTAS O combustível move-se da regão central do jato em dreção à frente de chama, em função do gradente de concentração, enquanto que o oxdante faz justamente o contráro. Ambos são consumdos na zona de chama e os produtos e nertes dfundem para ambos os lados 34
LUMINOSIDADE A lumnosdade de uma chama dfusva é outra característca nteressante de ser analsada. Normalmente, a lumnosdade da base da chama é bastante fraca e de coloração azulada, stuação característca da não presença de fulgem. Nesta regão, em razão da velocdade do jato anda ser relatvamente alta, exste a possbldade que o ar carreado para frente de chama msture-se adequadamente com o combustível, evtando zonas de combustão com temperatura elevada e defcênca local de oxdante, o que favorece a formação de fulgem. 35
LUMINOSIDADE Nos comprmentos mas elevados da chama, consderável quantdade de fulgem pode exstr, e a chama apresenta uma coloração amarelada; 36
LUMINOSIDADE Para combustíves com menos propensão à formação de fulgem, como é o caso do metano, a presença de regão de chama azulada é mas pronuncada do que a regão amarelada da fulgem. A menor formação de fulgem em chamas de metano e gás natural pode ser atrbuída à ntensa dfusão de moléculas no envelope da chama, pratcamente elmnando as condções para a prólse das moléculas de CH4 e, conseqüentemente, a formação de mcropartículas de carbono (Gtman, 1986). 37
LUMINOSIDADE A presença de fulgem ou não na regão de chama rá nfluencar consderavelmente o total de calor transferdo da chama por radação. Para combustíves com alta taxa de formação de fulgem, o calor perddo por radação em razão da presença da fulgem representa uma grande parcela do total de calor transferdo por radação. 38
REFERÊNCIAS Andrade Jr.. J. A. Carvalho, McQuay, M. Q. Prncípos de Combustão Aplcada UFSC 2007 Lacava, P.T., AC-265 Elementos de Combustão Insttuto Tecnológco de Aeronáutca, 2009. 39