COMBUSTÍVEIS E COMBUSTÃO

COMBUSTÍVEIS E COMBUSTÃO PROF. RAMÓN SILVA Engenharia de Energia Dourados MS - 2013

COMBUSTÃO DE LÍQUIDOS 2

INTRODUÇÃO A Queima de uma Gota de Combustível em um Ambiente Estacionário Na queima de uma gota individual em uma atmosfera oxidante: o combustível é evaporado da superfície do líquido e difunde para a chama, enquanto o oxigênio difunde do ambiente também para a chama. Forma da chama: pode ser esférica ou não. Esquema de uma gota singular de combustível queimando em atmosfera estacionária. Chamas não esféricas: ocorrem devido ao movimento relativo entre a gota e os gases circundantes. Gotas muito pequenas: facilmente arrastadas pelos gases; velocidade relativa quase nula; chama de difusão esférica. 3

GOTA ESFÉRICA O processo de combustão do diesel é heterogêneo, pois na câmara de combustão o combustível está em estado líquido e o oxigênio do ar no estado gasoso. Quando o combustível foi injetado primeiramente ocorre a dispersão dele em pequenas gotículas, depois gotículas aquecem-se entrando em contato físico com o ar quente. 4

GOTA ESFÉRICA Devido à transferência do calor as gotículas se-aquecem. Sabemos que o diesel é uma mistura de vários hidrocarbonetos. Mais leves têm a temperatura de ebulição por volta de 200 C e mais pesados até a 400 C. A medida do aquecimento da gotícula a temperatura dela aumenta e da superfície da gotícula começam evapora-se primeiramente frações mais leves do diesel e depois mais pesadas até a evaporação completa da gotícula 5

GOTA ESFÉRICA Os vapores de combustível misturam-se com o ar, aquecem-se até a temperatura de inflamação e inflamam na zona de Φ =1. Uma frente de chama de difusão estabelecese em torno da gotícula em uma distância da superfície da gotícula. Em torno da gotícula forma-seuma camada de vapores que se difundepara o meio em redor da gotícula. Ao encontro do vapores difunde o oxigênio do ar 6

GOTA ESFÉRICA A final em uma distância Rest da superfície da gotícula estabelece-se a relação estequiométrica entre os vapores de substâncias evaporadas do combustível e o oxigênio do ar. Exatamente aqui se estabelece a frente da chama que forma uma esfera em torno da gotícula. 7

GOTA ESFÉRICA O valor de raio estequiométrico Rest é de 4-10 vezes maior que o diâmetro da gotícula Rest=(4-10)Rg,, pois o valor do raio Rest, fortemente depende do raio da gotícula Rg Também, depende da temperatura na zona de combustão e da pressão na câmara de combustão. 8

GOTA ESFÉRICA Com aumento da temperatura e da pressão o raio diminui Em uma distância R<Rest prevalecem vapores de combustível e a mistura é rica. A concentração dos vapores diminui com o aumento da distância de gotícula. Na zona, onde R>Rest estão produtos de combustão em mistura com o ar que se difunde em direção a chama. Na frente da chama (Rchama = Rest) a temperatura é máxima, ela diminui em ambos os lados de Rest. 9

GOTA ESFÉRICA A temperatura diminui mais bruscamente em direção a gotícula por causa do gasto do calor com o aquecimento da gotícula e a evaporação do combustível. Na teoria de combustão é considerado que a velocidade da combustão de uma gotícula é determinada pela: - velocidade de evaporação da gotícula da superfície; - velocidade de reações químicas; - velocidade de difusão do ar para a zona de combustão. 10

GOTA ESFÉRICA A velocidade das reações químicas é muito alta em comparação com outros processos que ocorrem na câmara de combustão, por isso ela não influi sobre a velocidade de combustão da gotícula. A quantidade do oxigênio que se difunde para a zona de combustão, depende do raio Rest ao quadrado (área de esfera é de 4=R 2 ), e a falta do oxigênio só aumenta o Rest. Por isso o fator dominante que determina o tempo de combustão da gotícula é o tempo de evaporação da gotícula. 11

GOTA ESFÉRICA O tempo de evaporação do combustível na câmara de combustão depende da área da superfície total das gotículas. Quanto maior for a área total das gotículas tanto mais rápido será o aquecimento, evaporação e combustão delas. Por isso para assegurar a combustão rápida é necessário pulverizar bem o combustível. Quanto mais fino for pulverizado o combustível, tanto maior será a área total de superfície das gotículas e tanto mais rápido elas se queimam. 12

GOTA ESFÉRICA Períodos distintos durante a queima de uma gota de combustível Retardo de ignição. Não há ainda combustão; a gota é vaporizada pelos gases quentes em seu redor até atingir mistura capaz de sustentar combustão. Queima da gota propriamente dita. Durante este período, que corresponde à maior parte da queima, a gota é consumida de acordo com a lei D 2. Queima residual. A gota já não existe mais; são queimados os gases residuais de sua vaporização. 13

LEI D 2 DA EVAPORAÇÃO D 2 D 2 0 t D: diâmetro instantâneo da gota, D 0 : diâmetro inicial da gota, t: tempo, λ: constante de evaporação. Na combustão, a lei D 2 também vale. Neste caso, é chamada constante de queima, e situa-se no intervalo 3,6x10-3 cm 2.s -1 35,6x10-3 cm 2.s -1. Para hidrocarbonetos queimando em ar, temos = (10 2) cm 2.s -1. 14

LEI D 2 DA EVAPORAÇÃO Tempo de queima O tempo de queima, t q, desconsiderando o retardo de ignição e a queima residual, é obtido fazendo D = 0: t q D 2 0 15

LEI D 2 DA EVAPORAÇÃO - EXEMPLO Hidrocarbonetos em ar: t q = 100 D 02 (para D 0 inserido em cm); t q = D 02 (para D 0 inserido em mm). Ordem de grandeza de t q (hidrocarbonetos em ar) D 0 (mm) t q (s) 10 100 1 1 0,1 0,01 0,01 0,0001 16

SPRAYS Tamanho de Partículas em Sprays Durante a combustão de um spray as gotas não estão mais em uma atmosfera totalmente oxidante. O comprimento de chama é controlado pelo: a) processo de vaporização das gotas ou b) processo de difusão do oxigênio. Se a taxa de vaporização das gotas for muito maior que a taxa de difusão do oxigênio, a combustão será governada por leis de chamas de difusão do gás. Na combustão de um spray, depende do projeto do injetor e da distribuição inicial das gotas. 17

SPRAYS Tamanho de Partículas em Sprays Há diferentes maneiras de descrever o tamanho característico das partículas em um spray. Diâmetro mediano de volume, VMD: diâmetro para o qual 50 % do volume total do líquido nebulizado é composto de gotas menores que o próprio VMD. Diâmetro mediano de massa, MMD: definição similar à do VMD. Diâmetro médio de Sauter, SMD: também chamado de D 32, é o diâmetro de uma gota do spray que possui a mesma razão volume/área superficial do spray global: i SMD D32 Obs.: na prática, MMD/SMD = 1,20, com um erro de 5%. 2 n D i n i i D 3 i i 18

ATOMIZAÇÃO A queima de combustíveis líquidos se processa nos seguintes estágios sucessivos: 1) atomização, onde o combustível é desagregado, por processos mecânicos, em pequenas gotículas; 2) vaporização, onde o combustível atomizado passa para a fase gasosa, através do calor conduzido da chama para as gotas; 3) mistura, onde o combustível, na fase gasosa, é misturado com o comburente, constituindo a mistura inflamável; 4) combustão, na qual a mistura queima produzindo reações exotérmicas. 19

ATOMIZAÇÃO Exemplo Raio da gotícula 5 x 10-4 Número de gotas Aumento de área 20

ATOMIZAÇÃO Exemplo A área das gotas aumentou 60.000 vezes Ou seja, a atomização é um processo muito eficiente para promover o aumento da superfície para queima. 21

ATOMIZAÇÃO Sprays podem ser produzidos de vários modos. Essencialmente o que se precisa é de uma alta velocidade relativa entre o líquido a ser atomizado e o ar ou gás circundante. Alguns atomizadores fazem isso descarregando o líquido a alta velocidade em uma corrente de ar ou gás movendo-se lentamente. Um modo alternativo é expor uma folha ou jato de líquido em baixa velocidade a uma corrente de ar em alta velocidade. 22

ATOMIZAÇÃO 23

ATOMIZAÇÃO Quando o combustível líquido é injetado a alta pressão o jato desintegra-se através da formação de ondas de instabilidade. Este modelo é conhecido como mecanismo de Rayleigh e promove a quebra consecutiva das gotas até que um diâmetro ótimo seja atingido. 24

ATOMIZAÇÃO Dois parâmetros adimensionais importantes na formação de instabilidades do mecanismo de Rayleigh são: o número de Reynolds, relação entre forças inerciais e viscosas, e o número de Weber, razão entre as forças de momento e a tensão superficial. 25

ATOMIZAÇÃO Dois parâmetros adimensionais importantes na formação de instabilidades do mecanismo de Rayleigh são: o número de Reynolds, relação entre forças inerciais e viscosas, e o número de Weber, razão entre as forças de momento e a tensão superficial. 26

ATOMIZAÇÃO De acordo com Reitz, foram encontrados os seguintes quatro regimes de ruptura à medida que a velocidade era progressivamente aumentada. Ruptura de Rayleigh Primeira ruptura por vento induzido Segunda ruptura por vento induzido Atomização 27

ATOMIZAÇÃO Ruptura de Rayleigh. É causada pelo crescimento de oscilações axissimétricas na superfície do jato, induzidas pela tensão superficial. Diâmetros das gotas excedem o diâmetro do jato. 28

ATOMIZAÇÃO Primeira ruptura por vento induzido. O efeito da tensão superficial é aumentado pela velocidade relativa entre o jato e o gás ambiente, que produz uma distribuição de pressão estática através do jato, acelerando o processode ruptura. Como no regime 1 a quebra ocorre muitos diâmetros a jusante dagarganta. Os diâmetros das gotas são aproximadamente da ordem do diâmetro do jato. 29

ATOMIZAÇÃO Segunda ruptura por vento induzido. As gotas são produzidas pelo crescimento de ondas curtas de superfície instáveis sobre a superfície do jato causadas pelo movimento relativo entre o jato e o gás ambiente. Este crescimento da onda é contrariado pela tensão superficial. A quebra ocorre vários diâmetros à jusante da garganta. Os diâmetros das gotas formadas são muito menores do que o diâmetro do jato. 30

ATOMIZAÇÃO Atomização. O jato rompe-se totalmente na saída da garganta. As gotas são formadas aleatoriamente e com diâmetros muito menores do que o diâmetro do jato. 31

ATOMIZADORES Sprays podem ser produzidos de vários modos. Tudo o que se necessita é uma alta velocidade relativa entre o líquido a ser atomizado e o ar ou gás das circunvizinhanças. Alguns atomizadores atingem esse objetivo pela descarga do líquido em alta velocidade em um meio gasoso que se move lentamente, tais como os atomizadores por pressão e atomizadores rotativos o qual ejeta o líquido em alta velocidade da periferia de um disco rotativo ou copo. 32

ATOMIZADORES Atomizadores por pressão Quando um líquido é descarregado através de uma pequena abertura sob uma alta pressão aplicada, A pressão é convertida em energia cinética (velocidade).. 33

ATOMIZADORES ORIFÍCIO PLANO Um orifício plano simples é usado para injetar um jato cilíndrico no ar ou gás das vizinhanças. Atinge-se uma atomização bastante fina com pequenos orifícios, mas na prática devido à dificuldade de se obter líquidos livres de impurezas sólidas (partículas) o orifício mínimo situa-se no entorno de 0,3mm. Aplicações típicas desse tipo de injetor são: pós-queimadores de turbojatos, ramjets e motores foguete. 34

ATOMIZADORES PRESSURE SWIRL Este atomizador consta de um orifício circular de saída precedido de uma pré-câmara dentro da qual vários orifícios ou ranhuras tangenciais injetamcombustível. O líquido girando cria um núcleo de ar ou gás que se estende do orifício de descarga até o fundo da câmara de turbilhão. O líquido emerge do orifício de descarga como um filme líquido de formato cone oco que se desintegra em um spray fino. 35

ATOMIZADORES ROTATIVOS Um dos tipos mais utilizados de atomizadores rotativos compreende um disco em alta rotação com o líquido sendo alimentado no centro do disco. O líquido escoa radialmente para a periferia do disco e é descarregado de sua periferia pela alta velocidade tangencial adquirida. 36

ATOMIZADORES ASSISTIDO POR AR Neste tipo de atomizador o líquido é exposto a uma corrente de ar ou vapor de alta velocidade. No tipo mistura interna,o gás e o líquido misturam-se dentro da garganta antes de descarregar através do orifício de saída. O líquido algumas vezes é alimentado através de ranhuras ou furos tangencias para fornecer uma descarga de padrão cônico. 37

REFERÊNCIAS Andrade Jr.. J. A. Carvalho, McQuay, M. Q. Princípios de Combustão Aplicada UFSC 2007 Lacava, P.T., AC-265 Elementos de Combustão Instituto Tecnológico de Aeronáutica, 2009. 38