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AC290-Escoamento Reativo – 08/2007
Cristiane Martins
Cristiane Martins
Simulação de Escoamentos ReativosSimulação de Escoamentos Reativos
AC 290AC 290
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Não existe nenhuma possibilidade de sucesso na simulação de quaisquer fenômenos caso não seja realizada uma avaliação anterior coerente.
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O que é a combustão??‘’Oxidação’’ auto-sutentável de um combustível combustível – tipicamente hidrocarbonetooxidante - tipicamente ar
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Visão Global Revisão
termodinâmica química – equilíbrio, cálculo temperatura, pressão, composição, propriedades de transporte
teoria cinética: taxas de colisão Cinética química
teoria da cinética estendida para taxas de reações químicas
mecanismo de reações (série de reações) Modelagem de acoplamento térmico/químico
reatores químicos (sem mecânica de fluidos), por exemplo reatores bem misturados (taxa infinita de mistura)
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A composição dos produtos de exaustão provenientes das reações de combustão dependem de inúmeros fatores, incluindo tipo de oxidante, composição, temperatura dos gases e razão de
equivalência.
Processo reacional – equilíbrio adiabático
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Objetivo - fluência
Modelagem de taxas de reações químicas Modelos de reatores simplificados baseados na
análise química e térmica acoplada Equações de conservação e transporte para fluxos
reativos Estrutura e limite de propagação de onda de
combustão premisturada laminar Estrutura e mecanismos controladores em chama
difusiva laminar Escala temporal e espacial em chamas turbulentas.
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Exemplos de configurações
Chama laminar - vela
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Exemplo de configurações -
Explosão
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Chama turbulenta tipo jato de GNV
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Combustão confinada
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Queimador industrial - álcool
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Queimador Industrial -
Queimador para caldeira utilizando gás de alto forno
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Fácil simular combustão?
Fenômeno de combustão envolve a interação de fenômenos Físicos e Químicos.
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Vejamos o exemplo de Flare
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Quem é o fenômeno majoritário?
Reynolds crescente
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Programa de cinética
Chemkin
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CHEMKIN - Estrutura
http://www.ca.sandia.gov/chemkin/
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CHEMKIN 3.7 - Equil
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Cálculos de equilíbrio no Chemkin Chemkin equilibrium é fácil de se utilizar mas não é tão poderoso
quanto outros programas de equilíbrio como NASA-LEWIS e GASEQ.
Estes últimos pesquisam sua base de dados e determinam quais espécies serão consideradas no cálculo de equilíbrio.
O Chemkin exige que o usuário entre com todas as espécies a serem consideradas.
Por exemplo na combustão CH4/ar, NO e NO2 não serão considerados a menos que sejam introduzidas no arquivo de entrada. CO muito menos será considerado se não incluído.
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Arquivo chem.inp
ELEMENTS H O N END SPECIES H2 H O2 O OH HO2 H2O N2
H2O2 END
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REAC H2 2REAC O2 1REAC N2 3.76 REAC – Especifica os reagentes e sua fração molar ou mássica. HPTEMP 300 TEMP – Entrada obrigatória, Temp de entrada (K) PRES 1 PRES - Pressão de partida em atm CNTN CNTN – Diz ao programa para procurar um problema adicional após comando
END. ENDREAC H2 2REAC O2 1REAC N2 3.76HPTEMP 400TEST 2000 TEST – Estime uma temperatura de equilíbrio em KPRES 1CNTNENDREAC H2 2REAC O2 1REAC N2 3.76HPTEMP 500TEST 2000PRES 1END
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Exemplo -
Calcule a temperatura adiabática de chama e composição de equilíbrio do CO com ar nas razões de equivalências de 0,5, 1 , 1,2. Desconsidere NO. Condições de entrada – 300K, 1 atm. Utilize o comando CNTN para salvar no mesmo arquivo todas as razões de equivalências.
2. Repita o problema 1 considerando formação de NOx.
3. Repita o problema 2, mas considere que a entrada contém 10% de H2.
4. Compare com resultados obtidos no GASEQ e TEQWORKS.
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Chemkin - Equil
Por que utilizar a subrotina de Equil do Chemkin se você tem acesso a outros programas de equilíbrio mais completos?
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CHEMKIN -
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Existem muitos tipos diferentes de problemas que podem ser resolvidos utilizando subrotinas Chemkin.
Diferentes programas coordenam subrotinas e controlam os arquivos de entrada/saída.
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Equilíbrio considera que a reação teve tempo suficiente para ocorrer.
Cinética considera taxas de reações químicas.
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Cinética Química – Conceitos Básicos Experimentos envolvendo reações tem como
objetivo descrever a taxa de reação para a qual os reagentes são transformados em produtos.
O termo taxa é muitas vezes utilizado para descrever variações de determinada quantidade no tempo. (taxa de inflação, variação de distância no tempo)
A taxa de reação consequentemente é a variação da concentração de um dos reagentes (x) no tempo (t).
t
xTaxa
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Cinética – taxa de reação
Todas as reações químicas ocorrem em uma taxa finita (lenta ou rápida) dependendo de parâmetros experimentais tais como composição, temperatura e pressão.
A taxa de uma reação é a medida quantitativa do número de moles de produto produzido (ou reagente consumido) por unidade de tempo por unidade de volume.
Taxa = [ em moles de espécies] / [t * volume].
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Quando uma reação ocorre?
Somente uma pequena fração de moléculas reagentes convertem reagentes em produto.
Depende: Colisão adequada Energia que as moléculas possuem ao colidir
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Reação ocorre se:
1. colisão favorável
ClNO2(g) + NO(g) NO2(g) + ClNO(g)
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Reação ocorre
2. energia suficiente
Nem todas as moléculas possuemmesma energia cinética. Isto é importante porquea energia cinética que a molécula carregaquando colide é a principal fonte de energiapara se iniciar a reação
mesmo sistema, moléculas com energia diferente.
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Reação ocorre ClNO2(g) + NO(g) NO2(g) + ClNO(g) Go = -23.6 kJ/mol
A energia livre padrão da reação acima nos diz que esta reação é favorável.Isto é suficiente para que a reação ocorra??
Antes que qualquer reação ocorra é necessário que a energia livre do sistema supere a energia de ativação para a reação.
Ea mede a variação no potencial de energia de um par de moléculas que é exigido para se iniciar o processo de conversão de um par de moléculas reagentes em um par de moléculas produto.
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ClNO2(g) + NO(g) NO2(g) + ClNO(g) Go = -23.6 kJ/mol
Moléculas de NO e ClNO2 que colidirem na orientação correta, com energia suficiente para superar a barreira da energia de ativação, podem reagir e formar NO2 e ClNO.
Quando a temperatura do sistema aumenta, o número de moléculas que carregam consigo energia suficiente para reagir quando colidirem também aumenta.
Reação ocorre somente quando:
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taxa de reação x temperatura como explicar a relação entre a taxa de reação e a temperatura?
A saída é assumir que a constante da taxa depende da temperatura para a qual a reação ocorre.
RT
Ea
AeK
Em 1889, Svante Arrhenius demonstrou que a relação entre temperatura e a constante da taxa para uma reação obedece a seguinte equação:
k é a constante da taxa para a reaçãoA é fator de proporcionalidade que varia com cada reaçãoEa é a energia de ativação para a reaçãoR é a constante do gás e T a temperatura
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Constante da taxa?
Um resultado interessante é obtido quando se determinou taxas de reações instantâneas para vários pontos ao longo de uma curva.
A taxa de reação para cada ponto na curva é diretamente proporcional a concentração do reagente em determinado momento no tempo.
Taxa = k(reagente)
Visto se tratar de uma lei experimental que descreve a taxa de reação, é conhecida como lei da taxa.
A constante de proporcionalidade, K, é conhecida como constante da taxa.
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Modelagem matemática
Modelagem matemática – habilidade de generalizar, extrair o que é comum em diversos problemas, e construir algoritmos efetivos para dar suporte na caracterização, análise e predição de problemas de engenharia.
Modelos matemáticos conduzem a ‘’experimentos virtuais’’, os quais no mundo real poderiam ser muito caros, perigosos ou mesmo impossíveis.
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Simulação numérica
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Importante na modelagem – escalas de tempo
PASSO 1- Definição da escala de tempo – Antes de iniciar a simulação do seu escoamento você deverá ter noção ou definir quem é o fenômeno majoritário.
tempo mecânico (mistura) x tempo químico
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Como saber? As vezes temos diferentes condições de
escoamento em um único processo.
Zone 1:Zona de recirculação plana
& estabilização ppor vórtices
Zona 2:Zona de mistura não –
reativa& Região de combustível
não-queimado
Zona 3:‘’Rabo’’ aximétrico
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Mistura x reação química
Tem que se definir quem ‘manda’
taxa de reação ou taxa de mistura?
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Chemkin representa ligação de análise matemática, métodos numéricos e desenvolvimento de software.
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Heat and mass transfer
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Sites – Mecanismos e Manual
http://www-cmls.llnl.gov/?url=science_and_technology-chemistry-combustion-mechanisms
http://www.osc.edu/PET/CCM/skeleton/software/chemkin/chemkin.html
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