tiago bruno leite marques couto salvado - ulisboa · d m diâmetro de saída do queimador dm-1 m...
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INFLUÊNCIA DA TAXA DE ESTIRAMENTO NAS EMISSÕES DE
QUIMILUMINESCÊNCIA EM CHAMAS LAMINARES DE PRÉ-MISTURA
Tiago Bruno Leite Marques Couto Salvado
Dissertação para obtenção do grau de Mestre em:
Engenharia Mecânica
Júri
Presidente: Prof. Ramiro Neves
Orientador: Prof. Edgar Fernandes
Vogais: Prof. Mário Nina
Setembro de 2008
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Agradecimentos
O trabalho apresentado resulta da investigação levada a cabo no âmbito do projecto de investigação:
FCT PTDC/EME-MFE/68830/2006 – “Desenvolvimento da Técnica de Quimiluminescência para
Detecção Directa da Composição de Misturas de Combustiveis em Chamas Laminares”.
Independentemente do carácter individual da sua realização, o presente trabalho beneficiou de diversos
apoios que contribuíram para o resultado final, alguns dos quais não poderia deixar de referir e
agradecer:
Ao meu orientador, Professor Edgar Fernandes, pela sua permanente disponibilidade,
entusiasmo transmitido, apoio e sugestões, pois sem a sua amizade e incentivo tudo teria sido
impossível;
Aos meus pais, Joaquim e Maria do Rosário, por tudo;
Aos meus colegas de laboratório, pela sua compreensão, partilha e ajuda nos trabalhos
realizados;
Aos meus amigos e colegas de curso com os quais passei alguns momentos de descontracção,
necessários para enfrentar cada etapa;
Por último, uma referência muito especial à minha esposa Filipa, cujo imenso incentivo e
liberdade concedida ao longo do curso foram indispensáveis à concretização de um sonho, aceitando a
minha crescente ausência motivada pela dedicação necessária à conclusão do trabalho.
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iii
Resumo
No presente estudo foram efectuadas medições de emissão de quimiluminescência das espécies C2* e
CH*, com resolução espacial, em frente de chamas laminares de propano/ar de Bunsen. Compressão de
chama e intensidade de quimiluminescência foram determinadas em condições atmosféricas para razões
de equivalência de 0,9; 1,0; 1,1; com número de Reynolds constante de 1200. Medições locais de
quimiluminescência foram obtidas a partir de registos fotográficos, com uma câmara CCD, combinados
com a aplicação de um algoritmo algébrico de reconstrução tomográfica. O cálculo da taxa de
estiramento foi baseado na localização das emissões de intensidade máxima de C2* e variou entre -40 s-1
e infinito, quando o raio da chama tende para zero, tendo sido registadas pequenas diferenças entre as
razões de equivalência estudadas. Emissões de C2* e CH* apresentaram-se não constantes ao longo da
frente de chama devido a fenómenos de difusão de calor, massa, espécies e também de compressão de
chama. Foi também determinado que a compressão diminui as intensidades máximas do sinal de CH*,
não tendo, no entanto, grande influência nas emissões de C2*. Os resultados obtidos indicaram,
também, que a razão de intensidades de emissão local de C2*/CH* variam ao longo da zona de reacção
e o seu valor aumenta com o aumento de compressão.
Palavras-Chave: Chamas Laminares, Chamas de Bunsen, Quimiluminescência, Tomografia, Taxa de
Estiramento
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v
Abstract
The spatially resolved chemiluminescence emission of C2* and CH* at the flame front of laminar Bunsen
premixed propane/air flames was measured in this study. The flame compression and
chemiluminescence intensity were studied in open air conditions for different equivalence ratios: 0,9;
1,0; 1,1; with a constant Reynolds’ number of 1200. Local measurements of chemiluminescence were
obtained using photographic recording, by a CCD camera, combined with the use of the algebraic
reconstruction tomography technique. Stretch rate calculation was based on the location of C2*
maximum intensity emission varying from -40 s-1 to infinite, when the radius tends to zero, with small
differences registered between the studied equivalence ratios. Chemiluminescence emission of C2* and
CH* was found not to be constant in the flame front due to heat, mass and species diffusion and flame
compression. It was also found that flame compression decreases CH* signal maximum intensities,
however the results obtained for C2* showed that it does not depend of compression, as much as CH*.
The results indicated that the local intensities emission rate of C2*/CH* are not constant along the flame
front and its value increases with flame compression.
Keywords: Laminar Flames, Bunsen Flames, Chemiluminescence, Tomography, Stretch Rate
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vii
Índice
Página
Agradecimentos .............................................................................................................................. i
Resumo........................................................................................................................................... iii
Abstract........................................................................................................................................... v
1 Introdução .............................................................................................................................. 1
1.1 Motivação............................................................................................................................. 1
1.2 Revisão Bibliográfica ........................................................................................................... 2
1.2.1 Quimiluminescência .......................................................................................................................2
1.2.2 Sistemas de Aquisição....................................................................................................................5
1.2.3 Estudos e Aplicações da Quimiluminescência ..........................................................................7
1.2.4 Taxa de Estiramento....................................................................................................................11
1.3 Objectivos ...........................................................................................................................13
2 Configuração Experimental ............................................................................................... 15
2.1 Procedimento Experimental .............................................................................................15
2.2 Sistema de Queima............................................................................................................15
2.3 Sistema de Aquisição de Imagem .....................................................................................16
2.4 Técnica de Diagnóstico – Tomografia .............................................................................17
2.4.1 Algoritmos de Tomografia..........................................................................................................17
2.4.2 Processamento Tomográfico .....................................................................................................19
2.5 Cálculo da Taxa de Estiramento ......................................................................................20
2.6 Análise de Erros e Incertezas ............................................................................................21
3 Resultados e Discussão ....................................................................................................... 23
3.1 Diagrama de Estabilidade .................................................................................................23
3.2 Análise de Resultados ........................................................................................................25
4 Conclusões ........................................................................................................................... 33
Referências .................................................................................................................................... 35
Anexos ........................................................................................................................................... 39
Anexo A.............................................................................................................................................39
Anexo B.............................................................................................................................................41
Anexo C ............................................................................................................................................45
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viii
Índice de Figuras
Página
Figura 1.1: Espectro da luz emitida por uma chama de metano. ................................................................................4 Figura 1.2: Espectro da luz emitida por uma chama de propano. ...............................................................................4 Figura 1.3: Exemplos de sistemas utilizados para colecção de luz: i) resolução temporal; ii) resolução espacial; iii)
resolução espectral. ...........................................................................................................................................................6 Figura 1.4: Correlação entre a intensidade de quimiluminescência e razão de equivalência, para chamas
laminares de pré-mistura de propano/ar (Ikeda et al., 2000). .....................................................................................8 Figura 1.5: Emissões de CH* e OH* divididas pelo caudal mássico, normalizadas pelo valor máximo, como
função da razão de equivalência e pressão (Higgins et al., 2001)...............................................................................9 Figura 1.6: Evolução teórica da taxa de estiramento ao longo de uma chama de metano/ar Bunsen. ..................12 Figura 1.7: Razão de intensidade quimiluminescente OH*/CH* em função de: (a) razão de equivalência; (b)
taxa de estiramento (Hardalupas & Orain, 2004). .....................................................................................................12 Figura 1.8: Razão de intensidade dos sinais C2*/CH* em função de: (a) razão de equivalência; (b) taxa de
estiramento (Hardalupas & Orain, 2004). ...................................................................................................................13 Figura 2.1: Sistema de queima usado para estabilizar chamas de Bunsen. ..............................................................15 Figura 2.2: Diagrama esquemático da aplicação da transformada de Abel a tomografia de geometrias
axissimétricas (Tourin, 1966). ........................................................................................................................................18 Figura 2.3: Esquema do método tomográfico de reconstrução algébrica aplicado a uma chama de Bunsen: a)
discretização da projecção em elementos de imagem; b) Cálculo dos coeficientes de radiação radial. .................19 Figura 2.4: Chama Bunsen de pré-mistura de propano/ar, φ =1,0 Re = 1500, e respectiva reconstrução
tomográfica: a) Imagem colectada pela câmara CCD; b) Perfil de intensidade de luz vs imagem original em
escala de cinzentos..........................................................................................................................................................20 Figura 2.5: Localização dos pixeis onde ocorreram as emissões de intensidade máxima de C2*, lado direito,
comparados com a tomografia da chama, lado esquerdo. .........................................................................................21 Figura 2.6: Cálculo do erro imposto pelo ruído ambiente. Os valores na escala de cinzentos do interior do
quadrado em teoria seriam zero, porém devido à presença de ruído ambiente apresenta os valores à esquerda.
..........................................................................................................................................................................................22 Figura 3.1: Diagrama de estabilidade do sistema de queima de Bunsen. .................................................................23 Figura 3.2: Modos típicos de chamas de Bunsen observados para diferentes condições de razão de equivalência
e número de Re. (Configurações do equipamento de aquisição de imagem presentes na Tabela 2.1)..................24 Figura 3.3: Emissões de quimiluminescência de C2* e CH* em chamas de Bunsen: a) Imagem espacialmente
integrada; b) Reconstruções tomográficas vs. Chama original em escala de cinzentos. (Configurações do
equipamento de aquisição de imagem presentes na Tabela 2.2). .............................................................................25 Figura 3.4:Taxa de Estiramento experimental e teórica em chamas Bunsen: a) φ = 0,9; b) φ = 1,0; c) φ = 1,1.26 Figura 3.5: Taxa de estiramento teórica de chamas de Bunsen com razões de equivalência de 0,9 1,0 e 1,1e
número de Re = 1200....................................................................................................................................................27 Figura 3.6: Emissões de intensidade máxima de C2*: a) φ = 0,9; b) φ = 1,0; c) φ = 1,1. ......................................28
-
ix
Figura 3.7: Emissões de intensidade máxima de CH*: a) φ = 0,9; b) φ = 1,0; c) φ = 1,1. ....................................29 Figura 3.8: Intensidade de C2* em função do valor absoluto da taxa de estiramento, em chamas de Bunsen. ...30 Figura 3.9: Intensidade de CH* em função do valor absoluto da taxa de estiramento, em chamas de Bunsen. .30 Figura 3.10: Razão de intensidades de sinal de C2*/CH* na frente de uma chama Bunsen. ................................31 Figura 3.11: Razão de intensidades de sinal de C2*/CH* em função da taxa de estiramento em chamas de
Bunsen. .............................................................................................................................................................................32
Índice de Tabelas
Página
Tabela 1.1: Características dos radicais excitados (Gaydon, 1974). ............................................................................3 Tabela 1.2: Mecanismos de reacção para as espécies excitadas OH*, CH* e C2* (Kojima et al., 2005). ...........5 Tabela 1.3: Exemplos de aplicações práticas da Quimiluminescência .......................................................................10 Tabela 2.1: Configurações do equipamento fotográfico utilizadas na reportagem da Figura 3.2. ..........................16 Tabela 2.2: Configurações do equipamento fotográfico utilizadas na aquisição de imagem das emissões de C2* e
CH*, Figura 3.3. ..............................................................................................................................................................17 Tabela 2.3: Diferença relativa entre os valores médios e RMS de α no cálculo da taxa de estiramento de chamas
de Bunsen.........................................................................................................................................................................22
-
x
Constantes Físicas
Símbolo Unidades Valor Descrição
h J.s 6,626 × 10-34 Constante de Planck
Ru J.kmol-1.K-1 8314,510 Constante universal de gases
Lista de Símbolos
Símbolo Unidades Definição Descrição
A m2 Área elementar da superfície de chama
d m Diâmetro de saída do queimador
Dm m2.s-1 Coeficiente de difusividade mássica
DT m2.s-1 Coeficiente de difusividade térmica
Ea J.kmol-1 Energia de activação
F/A Adimensional comb
arm
m&
& Razão combustível/ar
H m Metade de distância entre os convergentes
I Unidades arbitrárias Coeficiente de emissão de radiação
J Unidades arbitrárias Sinal integrado de radiação colectada pela sonda
k m3.kmol-1.s-1 Constante de reacção
K s-1 Taxa de estiramento
L m Altura de Chama
Le Adimensional m
T
DD
Número de Lewis
m& kg.s-1 Caudal mássico
M Kg.kmol-1 Massa molar
n kmol Número de mol de uma espécie
p Pa Pressão
Q J Energia libertada pela chama
Re Adimensional µ
ρ dV Número de Reynolds
Rf m Raio de uma chama de Bunsen
SL cm.s-1 Velocidade laminar de propagação de chama
t s Tempo
T K Temperatura absoluta
V m.s-1 Velocidade do escoamento
V& m3.s-1 Caudal volumétrico
-
xi
Símbolos Gregos
Símbolo Unidades Definição Descrição
α rad Ângulo de uma chama de Bunsen
λ nm Comprimento de onda
µ N.s.m-2 Viscosidade dinâmica
ρ kg.m-3 Densidade
φ Adimensional stAF
AF Razão de equivalência
Subscritos e Sobrescritos
Símbolo Descrição
( )´ Amplitude de flutuação
( )0 Condições à saída do queimador
( )ar Ar
( )comb Combustível
( )st Estequiométrica
( )λ Monocromático
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1
1 Introdução
1.1 Motivação
As civilizações humanas encontram-se, cada vez mais, dependentes de um elevado consumo energético
para a sua subsistência. Grande parte desta energia é gerada pela combustão de recursos tradicionais
como petróleo, carvão mineral e gás natural. No entanto, como é sabido, estas fontes são poluentes e
não-renováveis. Os problemas ambientais obrigam-nos assim a melhorar a eficiência da combustão com
o objectivo de reduzir o consumo de combustíveis e consequentemente as emissões poluentes.
Utilizando sistemas de queima de misturas pobres é, assim, possível, devido às baixas temperaturas
atingidas, reduzir a emissão de poluentes, entre os quais o NOx térmico (Turns, 2000). Porém a
operação em regime pobre leva a fenómenos de instabilidade termo-acústica, limitando a gama de
funcionamento e por outro lado contribuindo para a deficiente estabilidade do sistema.
As instabilidades termo-acústicas têm forte sustentação na resposta da chama (libertação de energia), às
variações de velocidade, da razão de equivalência, da temperatura e da pressão, na medida em que,
havendo lugar a flutuações periódicas de energia libertada, esta induzir flutuações de pressão (p´), como
referido por Fernandes & Heitor (1996). Estas instabilidades no sistema resultam quase sempre em
danos estruturais, extensivos, das câmaras de combustão através: das vibrações causadas pelas
oscilações de pressão (podendo estas verificarem-se com uma frequência coincidente com a frequência
de ressonância do equipamento); do elevado coeficiente de transmissão de calor para as paredes; bem
como de um maior tempo de residência do escoamento, permitindo maiores trocas de calor com o
equipamento.
Surge assim, para efeitos de controlo e garantir que se conseguem condições de queima pobre, a
necessidade de monitorizar a libertação de energia. A técnica mais utilizada consiste na análise de luz
proveniente da chama, por efeito de quimiluminescência. Por um lado, a existência de variações cíclicas
no sinal de luz, obtido por processamento digital, é indicadora de oscilações termo-acústicas, sendo este
sinal vulgarmente utilizado em situações de controlo, para efeito de cancelamento de ruído.
Por outro lado, é utilizada como técnica de diagnóstico, tendo diversos autores (Haber, Vandsburger,
Ikeda, Kurahashi, Yoshida, Narisawa) demonstrado a relação que se pode definir entre estes sinais de
luz e as características da combustão, tais como: potência, razão de equivalência, temperatura, emissão
de poluentes, espessura da frente de chama, etc., sobretudo em chamas laminares de pré-mistura.
Porém, a aplicabilidade da técnica a chamas laminares e turbulentas, com grandes taxas de estiramento é
limitada, devido ao reduzido conhecimento sobre a influência deste factor nos mecanismos de emissão
de luz.
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2
1.2 Revisão Bibliográfica
1.2.1 Quimiluminescência
A quimiluminescência é a energia libertada sob a forma de radiação, por moléculas excitadas
electronicamente, quando regressam ao seu estado de energia menor. Num escoamento reactivo, são
os radicais excitados formados ao longo do processo da cinética química da oxidação do combustível, os
responsáveis pelo efeito quimiluminescente de uma chama.
A combustão de hidrocarbonetos apresenta, tipicamente, 500 passos, 300 a 400 no caso de metano/ar,
de formação de espécies químicas, até à sua extinção. É no decorrer destas reacções intermédias que
ocorre a formação de espécies excitadas, sendo as mais comuns, na combustão de hidrocarbonetos, os
radicais: OH*, CH*, C2* e CO2*. No entanto, informação precisa relativa à cinética química de
quimiluminescência é, ainda, difícil de obter. Entre outros, os, actualmente aceites, sistemas de formação
de OH*, CH* e C2* são respectivamente descritos por (Haber, 2000a) e (Kojima et al., 2005):
*OHCOOCH 2 +→+ [1.1]
*CHCOOHC 222 +→+ [1.2]
*CHCOOHC2 +→+ [1.3]
222 H*CCCH +→+ [1.4]
Outro aspecto importante, relacionado com a cinética química da quimiluminescência, prende-se com a
extinção das espécies electronicamente excitadas. É importante mencionar que nem toda a energia em
excesso, contida nestas moléculas, é removida por radiação. Estas podem reagir com outras espécies
ou, mais comummente, perder energia em colisões não reactivas, sem emissão de luz, denominadas
colisões de quenching, onde a eficiência deste mecanismo varia de molécula para molécula e muito
frequentemente, apresenta forte dependência da temperatura (Haber, 2000a).
A reacção de quenching típica no caso do radical OH*, colidindo com uma molécula genérica M, é dada
por (Haber, 2000a):
MOHM*OH +→+ [1.5]
A compreensão deste mecanismo, não foi ainda, no entanto, possível de alcançar, com precisão, quando
se pretende estudar o consumo de CH* (Haber, 2000a), existindo, ainda, uma ausência de informação
-
3
superior no caso de C2*. São, porém, utilizados, em alguns modelos, reacções de quenching baseados em
resultados empíricos.
A parte observável refere-se à energia perdida por emissão espontânea, envolvendo apenas a espécie
excitada. A reacção é descrita pelas seguintes equações (Haber, 2000a), (Kojima et al., 2005):
λh
+→ OHOH* [1.6]
λh
+→ CHCH* [1.7]
λh
+→ 22 C*C [1.8]
Dependendo do tipo de transição que ocorre, cada radical emite radiação num comprimento de onda
característico e a complexidade do espectro está associada à complexidade da molécula de combustível.
Na Tabela 1.1 são apresentados os comprimentos de onda dos fotões de luz emitidos, bem como, o
tempo de vida dos radicais excitados mais comuns na combustão de hidrocarbonetos.
As Figura 1.1 e Figura 1.2 representam espectros de chamas esteqiométricas de pré-mistura, com ar, de
metano e propano, respectivamente, onde, de acordo com a Tabela 1.1, é possível identificar os radicais
excitados, cujos comprimentos de onda apresentam maiores intensidades.
A extinção de OH*, bem como de CH*, devido a estes reagirem com outras moléculas é considerada
insignificante (Haber, 2000a).
Kojima et al. (2005) utilizou os mecanismos de reacção descritos na Tabela 1.2 para simular a formação
e extinção das espécies CH*, OH* e C2*.
O valor das constantes A (factor pré-exponencial) e b (expoente da temperatura), assim como a energia
de activação são parâmetros empíricos sendo os valores, utilizados por Kojima et al. (2005),
apresentados na Tabela 1.2.
Radicais Comprimento de onda [nm] Tempo de vida [s]
CH* 431,5 5,6±0,6×10-7
C2* 416; 466; 516,5 e 566 1,7±0,2×10-7
OH* 306,4 1,5×10-6
CH2O* 395; 423
CO2* emissão contínua
Tabela 1.1: Características dos radicais excitados (Gaydon, 1974).
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4
300 400 500 600 700λ [nm]
100
200
300
400
500
Inte
nsid
ade
[uns
. arb
itrár
ias]
Espectro de Chama de Metano
Figura 1.1: Espectro da luz emitida por uma chama de metano.
300 400 500 600 700λ [nm]
400
800
1200
1600
Inte
nsid
ade
[uns
. arb
itrár
ias]
Espectro de Chama de Propano
Figura 1.2: Espectro da luz emitida por uma chama de propano.
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5
Reacção A [m3.kmol-1.s-1] b Ea [J.kmol-1]
C2H + O = CH* + CO 1,08×1010 0 0
C2H + O2 = CH* + CO2 2,17×107 0 0
CH* = CH 1,85×103 0 0
CH* + N2 = CH + N2 3,03×10-1 3,4 -1,60×106
CH* + O2 = CH + O2 2,48×103 2,14 -7,20×106
CH* + H2O = CH + H2O 5,30×1010 0 0
CH* + H2 =CH + H2 1,47×1011 0 5,70×106
CH* + CO2 = CH +CO2 2,40×10-4 4,3 -7,09×106
CH* + CO = CH + CO 2,44×109 0,5 0
CH* + CH4 = CH +CH4 1,73×1010 0 6,99×105
CH + O2 = OH* + CO 3,25×1010 0 0
OH* = OH 1,45×103 0 0
OH* + N2 = OH + N2 1,08×108 0,5 -5,18×106
OH* + O2 = OH + O2 2,10×109 0,5 -2,02×106
OH* + H2O = OH + H2O 5,92×109 0,5 -3,60×106
OH* + H2 = OH + H2 2,95×109 0,5 -1,86×106
OH* + CO2 = OH + CO2 2,75×109 0,5 -4,05×106
OH* + CO = OH + CO 3,23×109 0,5 -3,29×106
OH* + CH4 = OH + CH4 3,36×109 0,5 -2,66×106
CH2 + C = C2* + H2 7,50×1010 0 0
C2* = C2 8,33×103 0 0
Tabela 1.2: Mecanismos de reacção para as espécies excitadas OH*, CH* e C2* (Kojima et al., 2005).
1.2.2 Sistemas de Aquisição
A quantificação da intensidade de luz, necessária para estudos de fenómenos de quimiluminescência, só é
possível devido a sistemas ópticos de medição. O esquema genérico utilizado em colecção de luz é
constituído por uma sonda óptica (lente colimadora, óptica de Cassegrain, câmara fotográfica), um
selector de comprimentos de onda (filtro de interferência, monocromador, espectrómetro) e um
sensor de luz (fotomoultiplicador, CCD). As configurações podem assim assumir as seguintes
características:
• Resolução temporal;
• Resolução espacial;
• Resolução espectral.
Um dos primeiros sistemas utilizados para este tipo de aplicações (Sankar et al., 1988; Fernandes &
Heitor, 1996), Figura 1.3 i), consiste em colectar uma pequena área de luz, integrada ao longo de um
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6
volume cilíndrico, (recorrendo a lentes esféricas, espelhos, ópticas de Cassegrain, fibras ópticas ou
combinações dos anteriores) no comprimento de onda da emissão do radical a ser analisado, utilizando,
para esse fim, filtros de interferência ou monocromadores. O sinal luminoso é, em seguida, injectado
num fotomultiplicador, induzindo uma diferença de potencial, V (DC), proporcional à intensidade de luz
emitida pela fonte. Este sistema é caracterizado por uma rápida resposta no tempo, elevada resolução
temporal, assim como uma elevada resolução espacial, dado que colecta, virtualmente, um ponto de luz.
Alternativamente, o dispositivo de captura de imagem pode ser do tipo fotográfico (Shivashankara et al.,
1974), ou câmara CCD (Kendrick et al., 1996), Figura 1.3 ii), disponibilizando uma imagem integrada da
zona de reacção (sistema com resolução espacial 2D). A resolução temporal desta configuração é ainda
reduzida, sendo necessário recorrer a câmaras de alta velocidade no sentido de melhorar a resposta no
tempo. Porém a utilização deste equipamento requer a utilização de intensificadores de imagem,
ampliando o ruído do sistema.
A utilização conjunta de imagens integradas numa área, com algoritmos de tomografia permite avaliar
localmente uma propriedade escalar da reacção. Diversos foram os autores que utilizaram a combinação
destas duas técnicas para estudarem grandezas como: temperatura de chama (Tourin, 1966), estrutura
de chama (Beyler & Gouldin, 1981), localização e formação de poluentes (Yoshida et al., 1995) e calor
libertado (Lawn, 2000).
Figura 1.3: Exemplos de sistemas utilizados para colecção de luz: i) resolução temporal; ii) resolução espacial; iii) resolução espectral.
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7
As duas configurações apresentadas podem ser algo limitativas, quando se pretendem estudar várias
espécies químicas em simultâneo, visto a radiação captada ser referente, apenas, a um comprimento de
onda. É possível analisar diversos radicais, utilizando apenas um sinal luminoso (sistemas com resolução
espectral), Figura 1.3 iii). A luz colectada é decomposta em diversos comprimentos de onda
fundamentais, através de um espectrómetro e projectada num sensor CCD, em que, cada pixel
corresponde a um comprimento de onda específico (Ikeda et al., 2002; Kitagawa et al., 2003). São
notórias as vantagens deste sistema, porém o tempo de resposta associado é bastante elevado, sendo os
resultados apresentados uma integração temporal do sinal captado.
A utilização de técnicas, não intrusivas, no diagnóstico do sistema de queima representam uma mais
valia, na medida em que, na generalidade dos casos, a resposta ao sinal é bastante rápida, permitindo
monitorizar sistemas dinâmicos de uma forma mais precisa, quando comparada a outros sistemas, como
tubos de Pitot, termopares, microfones, entre outros. Contudo, torna-se necessário conhecer as
relações entre as intensidades das emissões de luz e as propriedades do escoamento, tais como:
pressão, razão de equivalência, taxa de estiramento da chama, número de Re, tipo de combustível,
chamas de pré-mistura ou difusão, laminares ou turbulentas.
1.2.3 Estudos e Aplicações da Quimiluminescência
A abordagem analítica torna-se complexa devido à não linearidade da cinética química envolvente,
potenciando um conjunto de trabalhos experimentais com resultados empíricos, no domínio das chamas
laminares.
Haber et al. (2000b) verificou uma importante relação entre as emissões de OH* e a formação de HCO,
uma espécie intermédia na reacção de oxidação de hidrocarbonetos, boa indicadora de calor libertado.
Ikeda et al. (2004) analisou, para a combustão de propano/ar, a localização e estrutura da zona de
ancoragem da chama, para uma gama de valores de φ globais compreendidas entre 0,9 e 1,5, baseado
nos espectros de OH* e CH*. Este, conclui que, quer a localização quer a estrutura da frente de chama,
perto da saída do queimador, variam para diferentes valores de φ globais, mantendo-se, porém,
semelhante a estequiometria na zona de ancoragem. Já a razão de equivalência, nesta região, analisada a
partir da relação OH*/CH*, manteve-se entre os valores de 0,7 e 0,8 para todas as condições
experimentais. A temperatura do ponto de ancoragem foi também estudada, tendo esta sido
determinada a partir da intensidade das emissões de OH*. Os resultados apresentados demonstram que
a temperatura de chama, à saída dos queimadores, varia com diferentes valores de φ globais.
A luz emitida por uma chama permite também determinar a localização da formação e quantidade de
poluentes emitidos. Yoshida et al. (1995) registou, em chamas turbulentas de pré-mistura, emissões de
C2* e CH*, radicais produzidos numa fase inicial da reacção, no lado da chama relativa aos produtos de
combustão onde as temperaturas são bastante elevadas, sugerindo, então, a emissão de hidrocarbonetos
-
8
não queimados. Foi ainda encontrada uma similaridade entre os perfis de intensidade de emissões de
OH* e concentração de prompt NO.
Uma das principais aplicações da quimiluminescência reside na estimativa de razões de equivalência.
Kojima et al. (2000) relacionou a razão ar/combustível de uma chama laminar de pré-mistura de
metano/ar com as seguintes relações de intensidades de emissão: C2*/CH*, CH*/OH* e C2*/OH*. Ikeda
et al. (2000) utilizou as mesmas razões para determinar a razão de equivalência local em frentes de
chamas turbulentas com pré-mistura de propano/ar, verificando que as correlações apresentadas para
chamas laminares, Figura 1.4, se aplicam, com um erro de 5 %, a chamas turbulentas.
Até este parágrafo, apenas se tem falado da aplicação da quimiluminescência a combustíveis gasosos. No
entanto, a aplicação desta a combustíveis líquidos tem, também, sido alvo de estudos. Analisando a luz
emitida, em chamas pobres de combustíveis líquidos (n-heptano), Morrell et al. (2001), concluiu que as
espécies OH* e CH* se apresentam como boas indicadoras de calor libertado. Este determinou, ainda,
uma relação quase linear entre a razão de intensidades de C2*/OH*, CH*/OH*, C2*/CH* e a razão de
equivalência.
Porém a aplicação da técnica, necessita de um processo de calibração para a determinação quantitativa
da razão de equivalência, em diferentes sistemas de aquisição, de queima e/ou diferentes condições, na
medida em que, o sinal pode sofrer alterações relacionadas com a função de transferência do sistema
(Kojima et al., 2005), sem no entanto, invalidar as correlações já encontradas.
Figura 1.4: Correlação entre a intensidade de quimiluminescência e razão de equivalência, para chamas laminares de pré-mistura de propano/ar (Ikeda et al., 2000).
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9
Apesar, do valioso progresso que os estudos previamente apresentados significam na compreensão da
quimiluminescência numa reacção de combustão, os resultados obtidos podem, apenas, ser válidos para
as configurações dos queimadores do estudo em questão. Tal facto deve-se a variações simultâneas de
razão de equivalência, taxa de estiramento, temperatura e pressão a que as medições efectuadas estão
submetidas, impedindo de se extrapolar os resultados, ou de se obterem condições universais que
relacionem os diversos parâmetros e o sinal luminoso. Não obstante desta limitação, a técnica tem sido
aplicada em sistemas práticos de controlo e desenvolvimento quer de queimadores industriais, turbinas
a gás e motores de combustão interna, onde o tipo de chama é manifestamente turbulento, quer a
sistemas de queima domésticos, caracterizados por regimes laminares. A Tabela 1.3 resume aplicações
como: estudos de razão de equivalência em motores de combustão interna e turbinas a gás,
implementação de sistemas de controlo e sensores de estabilidade do sistema.
Neste cenário de aplicações práticas em condições de baixa ou alta pressão (Higgins et al., 2001),
existem fundamentalmente dois factores que afectam a transposição dos resultados obtidos com chamas
laminares, em condições laboratoriais, para situações de chamas turbulentas e/ou alta pressão. São eles
o efeito da pressão e da turbulência, este último através do estiramento imposto.
Relativamente à primeira questão, Higgins et al. (2001), demonstrou, utilizando chamas de metano/ar
pobres, laminares de pré-mistura, que as intensidades de emissões de CH* e OH* são proporcionais ao
caudal de massa da mistura e se relacionam com a razão de equivalência e pressão através de uma lei de
potência, Figura 1.5. A explicação pela qual a intensidade das emissões de quimiluminescência diminui
com o aumento de pressão pode ser atribuída ao aumento das colisões de quenching a altas pressões.
O estiramento desempenha um papel fundamental, com grande relevância na validação dos resultados
obtidos, na medida em que, o regime turbulento e/ou elevadas curvaturas influenciam a cinética química
da reacção, que por sua vez poderão afectar, entre outros, os mecanismos de emissão de luz.
Figura 1.5: Emissões de CH* e OH* divididas pelo caudal mássico, normalizadas pelo valor máximo, como função da razão de equivalência e pressão (Higgins et al., 2001).
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10
Autor Aplicação Inst./Config. Experimental Objectivos Condições de Funcionamento Técnica Aleiferis et al. (2004)
Motor de explosão de carga estratificada: Honda 1,5l VTEC-E
- Estudo das variações cíclicas de combustão em regime pobre - Determinar razão e equivalência global e local junto à vela de ignição e sua contribuição para o crescimento de chama
- Regime de carga estratificada - Gama de A/F: 12 a 22 - Ângulo de Cambota correspondente a 5% de fracção mássica queimada
- Óptica + 2 Espelhos + Filtros OH*, CH* e C2* (Optical Coatings, Japan) + 3 Fotomultiplicadores - Óptica de Cassegrain + Fibra (HAMAMATSU R269)
Hardalupas et al. (2004a)
Micro turbina Volvo (VT 40) a gás modificada
- Medir razão de equivalência em uma micro turbina a gás queimando misturas de metano/ar e metano/água/ar.
- Pressão: atmosférica - Potência térmica máxima: 45 kW - Temperatura de entrada de ar máxima: 372 º C - Caudal de ar máximo: 88 g/s - Razão de equivalência: 0,7 a 1,3 - Humidade relativa máxima: 20%
- Óptica de Cassegrain + Fibra Óptica + Espelhos + Filtros OH*, CH* e C2* + 3 Fotomultiplicadores
Docquier et al. (2002)
Controlo de razão de equivalência em câmara de combustão de pré-mistura de turbina a gás
- Controlo em anel fechado da razão de equivalência a partir medições espectrais de quimiluminescência, numa câmara de combustão de turbina a gás, utilizando misturas de metano/ar.
- Pressão: 1 a 20 bar - Razão de equivalência: 0,5 a 1,2 - Potência: 1 a 20 kW
- Lente Quartzo (f = 40 mm, d = 30 mm) + Fibra Óptica de Sílica (abertura numérica = 0,22; diâm. núcleo = 600 µm) + Espectrómetro (espectro = 250-850 µm; 600 linhas/mm; ranhura de entrada = 50 µm; resolução = 0,35 µm)
Muruganandam et al. (2003)
Câmaras de pré-mistura: 1. Chama Ring-pilot 2. Chama com swirl 3. Simulador de turbina gás a alta pressão Câmaras de difusão de combustíveis líquidos: 4. Câmara air-staged axissimétrica 5. Modelo anelar da câmara CFM56
- Estudo de sensores capazes de detectar instabilidades na combustão de chamas pobres, a partir da razão de equivalência.
1. Combustível: metano e gás natural; Re: 5000. Temperatura do ar: 400 K; 2. Combustível: metano e gás natural; Nº swirl: 0,66. 3. Combustível: gás natural; Pressão: 1.5 a 10 atm; Razão de equivalência: perto de instabilidade até quase estequiométrica. 4. Combustível: n-heptano; caudal de ar máximo: 15 g/s; caudal máximo de combustível: 1 g/s. 5. Combustível: Jet-A aviation grade petroleum;
- Fibra Óptica de Sílica (abertura numérica = 0,22) + Filtros (c.o. = 308 nm para OH*, 430 nm para CH*) + Fotomultiplicador (PMT, Hamamatsu H5784) - Espectrómetro de imagem (300 ranhuras/mm) + câmara CCD (1024×256)
Tabela 1.3: Exemplos de aplicações práticas da Quimiluminescência
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11
1.2.4 Taxa de Estiramento
A taxa de estiramento, K, define a intensidade do estiramento ou compressão a que uma chama se
encontra submetida como a variação de um elemento de área da superfície da chama, A, ao longo do
tempo (Marley & Roberts, 2005) e é consequência de esforços aerodinâmicos e curvaturas de chama
(Law & Sung, 2000). Este parâmetro é dado pela equação (Marley & Roberts, 2005):
dtdA
AK 1= [1.9]
Aplicando a equação de superfície de chama, G function e considerando chamas laminares axissimétricas,
onde se incluem as chamas de Bunsen, a taxa de estiramento é obtida pela expressão, em coordenadas
cilíndricas (r,θ,z) (Law & Sung, 2000):
( ) ( )⎭⎬⎫
⎩⎨⎧
∂∂
+∂∂
−= αααα coscoscossin wz
wrrr
K [1.10]
avaliada na superfície da chama, onde α representa o ângulo interno formado entre a frente de chama e
o eixo de axissimetria e w a velocidade axial do escoamento, sendo ambas funções de r e z.
Considerando α constante e condições de escoamento tampão, w(r) = V0, a Eq. [1.10] simplifica para:
fRVK
22sin0 α−= [1.11]
em que Rf representa o raio da chama em função de z. O sinal negativo na equação de K da chama de
Bunsen indica que esta sofre compressão, e a sua intensidade aumenta à medida que Rf diminui, quando
o escoamento se move no sentido do vértice.
Na Figura 1.6 pode ser observada a evolução da taxa de estiramento ao longo de uma chama de Bunsen,
Eq. [1.11], com velocidade laminar de propagação de chama típica de 0,4 m.s-1, na combustão de
misturas metano/ar (Turns, 2000). É possível constatar que a taxa de estiramento varia ao longo de toda
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0 0.2 0.4 0.6 0.8 1Rf/r
1x101
1x102
1x103
1x104
1x105
|K| [
s-1 ] V0=0,5 m/s
V0=1,0 m/s
V0=2 m/s
Figura 1.6: Evolução teórica da taxa de estiramento ao longo de uma chama de metano/ar Bunsen.
a frente de chama, tendendo para infinito quando Rf → 0 e a sua dependência com a velocidade axial do
escoamento.
São vários os estudos que demonstram a influência do estiramento numa reacção de combustão. Law &
Sung (2000) estudou a influência do efeito de estiramento na velocidade laminar de propagação de
chama, calor libertado e temperatura máxima, em geometrias planares estacionárias, esféricas e de
Bunsen, concluindo que para condições afastadas da extinção, estas grandezas aumentam com o
aumento de K, para números de Lewis inferiores à unidade (metano pobre e propano rico), sendo
verificado o inverso para Le > 1 (metano rico e propano pobre). Marley & Roberts (2005) chegou a
resultados semelhantes verificando uma diminuição de SL com aumento de taxa de estiramento para
razões de equivalência inferiores a 1,34 em chamas esféricas de propano/ar e o oposto para valores de φ
superiores.
Figura 1.7: Razão de intensidade quimiluminescente OH*/CH* em função de: (a) razão de equivalência; (b) taxa de estiramento (Hardalupas & Orain, 2004).
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Figura 1.8: Razão de intensidade dos sinais C2*/CH* em função de: (a) razão de equivalência; (b) taxa de estiramento (Hardalupas & Orain, 2004).
Relativamente à radiação emitida, Hardalupas & Orain (2004), recorrendo a um sistema de queimadores
de escoamento contra-corrente alimentado a gás natural e utilizando uma óptica de Cassegrain,
demonstrou que a relação OH*/CH* varia de forma monótona com a razão de equivalência e é
independente da taxa de estiramento, ao passo que, a razão de intensidades dos sinais C2*/CH*
apresenta uma dependência não monótona da razão de equivalência e uma forte dependência na taxa de
estiramento para chamas de mistura rica, como é possível verificar nas Figura 1.7 e Figura 1.8.
1.3 Objectivos
Pretende-se, com este trabalho determinar experimentalmente a influência da taxa de estiramento nas
emissões de CH* e C2* por efeito de quimiluminescência em chamas Bunsen laminares de propano/ar
de pré-mistura.
O presente trabalho encontra-se dividido em quatro capítulos. Sendo o primeiro capítulo a introdução,
no segundo são descritos a configuração e respectivos procedimentos experimentais, sistemas e
técnicas usados, bem como, erros a estes associados. Em seguida, no capítulo 3, são apresentados e
discutidos os resultados obtidos. Por fim, no quarto capítulo são apresentadas conclusões relevantes
relativas ao trabalho realizado.
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15
2 Configuração Experimental
2.1 Procedimento Experimental
Na transposição da técnica aplicada a casos elementares para chamas de aplicação prática, quer
laminares quer turbulentas, surge a necessidade de se estudar a emissão de quimiluminescência ao longo
de uma geometria sujeita a compressão e em que taxa de estiramento varie. Neste sentido, foram
efectuados, recorrendo a um sistema óptico de resolução espacial 2D, registos fotográficos, nos
comprimentos de onda de CH* (431,5 nm) e C2* (516,5 nm), a chamas Bunsen laminares de pré-
mistura de propano/ar, com número de Reynolds de 1200 e uma gama de razões de equivalência de 0,9
a 1,1 e posteriormente aplicada tomografia axial computorizada.
As medições foram realizadas à pressão atmosférica e temperatura ambiente, Tamb ≈ 20º C.
2.2 Sistema de Queima
O sistema de queima utilizado encontra-se representado na Figura 2.1. Este, é composto por um
queimador convergente e dois caudalímetros electrónicos.
O queimador convergente, projectado por Leandro (2006), tem como função estabilizar chamas
laminares de pré-mistura de propano/ar, com potências compreendidas entre 0,9 e 3 kW. A saída
apresenta um diâmetro de 18 mm, com uma razão de contracção de áreas de 6,53, sendo esta da
mesma ordem de grandeza das razões usadas por Hardalupas & Orain (2004) e Schuller (2003), com
8,60 e 8,73 respectivamente. Ainda, com o objectivo de uniformização do escoamento e assim assegurar
um escoamento do tipo tampão à saída, o queimador é acoplado a uma unidade composta por três dis-
Figura 2.1: Sistema de queima usado para estabilizar chamas de Bunsen.
-
16
cos de esferas de vidro compactadas, com 5 mm de espessura cada, espaçados igualmente entre si,
através dos quais a mistura é injectada.
Os caudais, medidos em volume a condições PTN (p = 105 Pa e T = 298,15 K) são controlados
electronicamente por dois caudalímetros, da marca Alicat Scientific série 16, com erro de leitura de ±
(0,008V& + 0,002 maxV& ) l/min e caudais máximos de 5 l/min para propano e 20 l/min para ar.
2.3 Sistema de Aquisição de Imagem
Neste trabalho a aquisição de imagem foi realizada a partir de uma câmara fotográfica equipada com um
sensor CCD e um filtro de interferência, esquematizados na Figura 2.1.
Para a selecção da gama espectral recorreu-se à utilização de dois filtros ópticos Melles Griot,
permitindo desta forma adquirir os sinais de emissão de CH* (431,5 nm) e C2* (516,5 nm), com uma
largura de banda de 11,02 e 9,14 nm e transmissividades de 44,31 % e 55,47 %, respectivamente.
A visualização de toda a área de reacção foi efectuada com auxílio de uma lente fotográfica
Cosmicar/Pentax, com uma distância focal máxima de 12,0 mm e abertura relativa de 1:1.2. Por sua vez,
a imagem converge num sensor CCD de uma câmara de marca uEye, convertendo-a num sinal eléctrico,
possibilitando a reprodução de fotografias em formato digital, segundo o modelo de cores RGB, onde
um pixel corresponde a um quadrado de 48,3×10-3 mm de lado de imagem colectada. Parâmetros como
pixel clock, tempo de exposição, ganho regulador, ganho individual de vermelho, verde e azul e nivelar a
escala de cores são configurados a partir do software comercial IDS e encontram-se registados nas
Tabela 2.1 e Tabela 2.2.
Razão de Equivalência Configurações
0,6-0,7 0,8 0,9-1,2
Distância focal [m] 0,2 0,2 0,2 Abertura Relativa 1,2 1,2 1,2
Tempo de Exposição [ms] 12,649 12,649 12,649
Pixel Clock [MHz] 30 30 30 Nível de Cinzento de Fundo 3 2 1 Ganho Regulador 57 34 0 Ganho de Vermelho 81 81 81 Ganho de Verde 0 0 0 Ganho de Azul 20 20 20
Tabela 2.1: Configurações do equipamento fotográfico utilizadas na reportagem da Figura 3.2.
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Espécies Configurações
C2* CH*
Distância focal [m] 0,2 0,2 Abertura Relativa 1,2 1,2
Tempo de Exposição [ms] 12,649 12,649
Pixel Clock [MHz] 30 30 Nível de Cinzento de Fundo 1 0 Ganho Regulador 15 15 Ganho de Vermelho 0 0 Ganho de Verde 100 0 Ganho de Azul 0 100
Tabela 2.2: Configurações do equipamento fotográfico utilizadas na aquisição de imagem das emissões de C2* e CH*, Figura 3.3.
2.4 Técnica de Diagnóstico – Tomografia
Para a realização deste estudo, recorreu-se ao método de tomografia axial computorizada (TAC), para
um estudo detalhado das emissões quimiluminescentes na zona de reacção.
Dado o perfil de velocidades do escoamento à saída do queimador de Bunsen, (Leandro, 2006), ser do
tipo tampão, gerando chamas de geometria cónica axissimétrica, é possível aplicar a técnica de TAC
com apenas uma câmara fotográfica, técnica essa seguidamente descrita.
2.4.1 Algoritmos de Tomografia
Esta técnica, de resolução espacial, baseia-se na conversão matemática de séries de medições laterais de
radiação espectral, adquiridas quer por meios fotográficos, quer por sondas ópticas pontuais, em perfis
radiais de radiação.
Assumindo que uma chama axissimétrica pode ser modelada como um conjunto de anéis, como é o
caso em estudo, dentro dos quais todas as propriedades escalares (coeficiente de emissão radial Iλ neste
estudo), se mantêm constantes, o sinal integrado Jλ é implicitamente uma função radial dada pela
expressão:
( ) ( )( )∫ −
=fR
x xr
drrrIxJ
222 λλ [2.1]
Recorrendo à inversão integral de Abel (Tourin, 1966) é possível conhecer os valores de Iλ:
-
18
( ) ( )( )
dxrxx
xJrI
fR
x∫ −∂∂
−=22
11 λλ π
[2.2]
Esta equação apresenta, desta forma, o coeficiente de emissão radial em função da geometria e da
distribuição de medições laterais de radiação.
A vantagem de se assumir geometria axissimétrica, prende-se com o facto de que uma única projecção
da zona de reacção fornece toda a informação necessária para a sua reconstrução, tendo como
consequências uma significativa economia de tempo de computação, assim como uma redução em
material experimental, visto apenas ser utilizada uma câmara. O princípio físico de aplicação de
tomografia a configurações axissimétricas encontra-se ilustrado na Figura 2.2.
No entanto, para aplicação da Eq. [2.2] a casos práticos, torna-se necessário a sua discretização,
recorrendo desta forma, a métodos numéricos discutidos em (Tourin, 1966).
A reconstrução algébrica pode, em alternativa à inversão integral de Abel, ser usada como algoritmo
tomográfico. Nesta formulação os valores integrados de intensidade detectados em cada zona, Jki, são
calculados a partir do somatório das intensidades de cada anel, Ij, multiplicadas pela área, Aij, resultante
da intercepção da zona de visualização da sonda com o anel de propriedades constantes. (Correia,
2001). O uso do método resulta da discretização da projecção em uma malha de 2n×l, em que, quanto
maior o número de elementos de imagem melhor será qualidade dos resultados. A Figura 2.3
esquematiza este método aplicado a uma chama genérica de Bunsen, onde a) representa a malha e b) o
processo tomográfico aplicado à linha de elementos k = 1.
Neste processo existem n zonas de visualização e n anéis de propriedades constantes, onde o valor de
Jki representa o sinal integrado, detectado pela sonda, ao longo da zona i. O método é matematicamen-
Figura 2.2: Diagrama esquemático da aplicação da transformada de Abel a tomografia de geometrias axissimétricas (Tourin, 1966).
-
19
Figura 2.3: Esquema do método tomográfico de reconstrução algébrica aplicado a uma chama de Bunsen: a)
discretização da projecção em elementos de imagem; b) Cálculo dos coeficientes de radiação radial.
te expresso pela Eq. [2.3], que depois de desenvolvida resulta na Eq. [2.4].
Sendo conhecidos os valores de Jki e Aij, a resolução do sistema de equações, determina os valores de
Ij, permitindo, desta forma, a reconstrução da chama original.
nilkIAJ ji
jijki ≤≤∀=∑
=
,,1
[2.3]
nnnnnnln IAIAIAIAJ
IAIAIAJIAIAJ
IAJ
++++=
++=+=
=
L
M
332211
33322311313
22211212
11111
[2.4]
2.4.2 Processamento Tomográfico
O programa de tomografia, “Tomograf_6c”, código presente no Anexo B, utilizado para caracterizar a
emissão de luz em chamas axissimétricas, é adaptado do programa “Tomograf_5”.
Este programa utiliza o algoritmo de reconstrução algébrica, descrito no capítulo 2.4.1, onde cada pixel
corresponde a um elemento. As imagens recolhidas são convertidas em escala de cinzentos, em que o
nível de cinza de cada pixel é função da intensidade de radiação monocromática colectada.
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20
Visto tratarem-se de configurações axissimétricas, quer em geometria, quer em propriedades, o
algoritmo determina o centro da chama através de um método análogo ao da determinação do centro
de massa de um corpo. As áreas Aij são calculadas a partir da imagem, usando como unidades de medida
o número de pixeis. Por fim, o sistema de equações, Eq. [2.3], é resolvido e efectuada a reconstrução da
zona de reacção sob a forma de um perfil de luz.
Desta forma é possível identificar, não só, a frente de chama em configurações axissimétricas, assim
como, avaliar localmente a intensidade de quimiluminescência de uma espécie, ao longo da zona de
reacção. A Figura 2.4 apresenta um exemplo de reconstrução tomográfica onde são apresentados a
imagem de uma chama Bunsen, colectada pelo sistema óptico na ausência de qualquer filtro de
interferência e respectiva reconstrução.
A partir da reconstrução tomográfica, Figura 2.4 b), é possível observar que a frente de chama forma, à
parte do vértice, a geratriz de um cone, reforçando uma vez mais a ideia de geometria axissimétrica das
chamas.
Figura 2.4: Chama Bunsen de pré-mistura de propano/ar, φ =1,0 Re = 1500, e respectiva reconstrução tomográfica: a) Imagem colectada pela câmara CCD; b) Perfil de intensidade de luz vs imagem original em escala de cinzentos.
2.5 Cálculo da Taxa de Estiramento
Conhecendo as intensidades dos sinais de CH* e C2* surge a necessidade de se avaliar o estiramento a
que as chamas se encontram sujeitas.
Visto não ser possível determinar o valor analítico de K, para chamas práticas de Bunsen, foi
desenvolvido um programa, presente no Anexo C, para o cálculo numérico deste valor. O método
consiste em partindo da reconstrução tomográfica localizarem-se, num referencial centrado com o eixo
de axissimetria da chama, os pontos de maior intensidade de C2* por cada linha de pixéis da imagem,
Figura 2.5. Assim, através de cada ponto e seus oito vizinhos é traçada uma recta de regressão linear,
cujo declive determina o ângulo α local.
Devido à axissimetria, formas cónicas e perfis tampão das chamas, tomando como aproximação a veloci-
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21
Figura 2.5: Localização dos pixeis onde ocorreram as emissões de intensidade máxima de C2*, lado direito, comparados com a tomografia da chama, lado esquerdo.
dade axial do escoamento constante e aplicando o método numérico de diferenças centrais à Eq. [1.10]
é possível estimar-se o valor da taxa de estiramento local em chamas de Bunsen reais Eq. [2.5].
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−−
+−=−+
−+
11
11 coscossincosii
ii
i
iii zzr
wKααα
α [2.5]
2.6 Análise de Erros e Incertezas
Com o intuito de se precisar e validar os resultados obtidos é em seguida efectuada uma análise de
erros e incertezas associados quer ao equipamento, quer às técnicas utilizadas.
Na aquisição de imagens foi efectuada a calibração da escala de cores, através do software de
configuração da câmara, no qual se define qual o valor de preto.
Posteriormente, a intensidade do ruído, gerado electronicamente pelo sistema de aquisição, foi medida
isolando a lente colectora de toda a radiação ambiente. Verificou-se que as interferências impostas pelo
equipamento apresentam um valor médio e RMS de zero para todas as configurações experimentais.
O erro imposto pelo ruído ambiente foi determinado pela diferença entre o valor médio de uma área,
supostamente, negra e o seu valor teórico, zero, sendo o erro máximo registado inferior a 0,8 % da
escala de cinzentos, não afectando, assim, os resultados obtidos. O cálculo deste encontra-se
esquematizado na Figura 2.6.
-
22
Figura 2.6: Cálculo do erro imposto pelo ruído ambiente. Os valores na escala de cinzentos do interior do quadrado em teoria seriam zero, porém devido à presença de ruído ambiente apresenta os valores à esquerda.
Para se avaliar o erro associado ao algoritmo tomográfico, Correia et al. (1997) procedeu à
reconstrução de formas geométricas, geradas por funções matemáticas, concluindo que as diferenças
registadas são maioritariamente devidas à discretização da projecção, com erros associados inferiores a
5 %, para as presentes condições experimentais. É importante referir que este processo apenas é válido
na ausência de auto-absorção de radiação (Correia et al., 1997), onde caso contrário outras
considerações físicas e matemáticas teriam de ser tomadas (Tourin, 1966). No entanto, em medições
baseadas nos radicais C2* e CH*, Gaydon & Wolfhard (1952) e Porter et al. (1966), mostraram que os
espectros emitidos nestes comprimentos de onda não são afectados pela auto-absorção em chamas não
luminosas.
No cálculo da taxa de estiramento em chamas de Bunsen foram utilizadas rectas de regressão linear
traçadas através de nove pontos relativos às emissões de intensidade máxima de C2*, Figura 2.5,
existindo um refinamento progressivo à medida que se caminha quer para a base quer para o vértice da
chama. A escolha do número de pontos trata-se de um compromisso entre a menor diferença relativa,
entre os valores médio e RMS de α local, Tabela 2.3, e a resolução de imagem do vértice (20×20 pixeis),
evitando desta maneira a insensibilidade à variação de ângulo que ocorre nesta região.
Número de pontos experimentais da frente de chama
usados na regressão linear 3 5 7 9
Diferença relativa 77,25 % 44,56 % 33,34 % 22,00 %
Tabela 2.3: Diferença relativa entre os valores médios e RMS de α no cálculo da taxa de estiramento de chamas de Bunsen.
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23
3 Resultados e Discussão
Como se pode verificar na Eq. [1.10] as chamas de Bunsen encontram-se sujeitas a compressão e com
um valor de K que varia com a geometria da chama. Neste capítulo são apresentados estudos do efeito
de compressão nas emissões de quimiluminescência.
3.1 Diagrama de Estabilidade
Na Figura 3.1 é apresentado o diagrama de estabilidade do sistema de queima, que expressa os limites
de retorno (Flash Back) e descolagem (Blowoff) da chama, em função da razão de equivalência e número
de Reynolds, permitindo desta forma avaliar os modos típicos de chamas de Bunsen reportados na
Figura 3.2. A região estável, marcada a sombreado, vai de encontra o esperado e descrito em Turns
(2000).
A partir da Figura 3.2 é possível observar as diferenças de cor e intensidade de luz emitida para os
diferentes valores de razão de equivalência. Esta regista-se de forma mais intensa e esverdeada para
chamas de mistura rica e mais ténue e azulada para regimes de queima pobre.
Verifica-se também, que para um mesmo número de Reynolds, a altura de chama decresce com a razão
de equivalência até próximo da estequiometria voltando a aumentar com o enriquecimento da mistura.
Tal facto deve-se a variações de velocidade laminar de propagação de chama, estando o seu valor
máximo situado em φ = 1,1 (Marley & Roberts, 2005).
0.6 0.8 1 1.2φ
400
800
1200
1600
Re
Flash BackBlow Off
Stable Region
Figura 3.1: Diagrama de estabilidade do sistema de queima de Bunsen.
-
24
Figura 3.2: Modos típicos de chamas de Bunsen observados para diferentes condições de razão de equivalência e número de Re. (Configurações do equipamento de aquisição de imagem presentes na Tabela 2.1).
-
25
3.2 Análise de Resultados
De forma a obterem-se as intensidades de quimiluminescência de C2* e CH*, para chamas cujo número
de Reynolds do escoamento é 1200 e razões de equivalência compreendidas entre 0,9 e 1,1, foram
efectuados registos fotográficos com filtros ópticos de interferência e em seguida executadas
reconstruções tomográficas. A Figura 3.3 a) apresenta as imagens, espacialmente integradas, de chamas
de Bunsen, nos comprimentos de onda de emissão de C2* e CH*. Na Figura 3.3 b) são apresentados os
respectivos resultados de TAC em que cada imagem é composta pela reconstrução tomográfica da
chama à esquerda e a imagem original, reproduzida em escala de cinzentos do lado direito.
O cálculo do estiramento de chamas de Bunsen é apresentado na Figura 3.4, onde os círculos
representam os resultados experimentais baseados na aplicação numérica da Eq. [1.10]; os quadrados
correspondem aos valores médios de K em intervalos de Rf /r = 0,02; e a linha contínua mostra o
resultado teórico dado pela Eq. [1.11]. Da observação destes gráficos é possível verificar que a solução
teórica adequa-se bem aos resultados experimentais.
Nos três casos apresentados, as chamas encontram-se sujeitas a compressão (estiramento negativo),
apresentando valores baixos de |K|, 40 a 200 s-1, em regiões onde o declive da frente de chama é
aproximadamente constante (0,2 < Rf /r < 1,0). Avançando para o vértice da chama, a compressão
aumenta abruptamente, tendendo para infinito quando Rf /r = 0.
Figura 3.3: Emissões de quimiluminescência de C2* e CH* em chamas de Bunsen: a) Imagem espacialmente integrada; b) Reconstruções tomográficas vs. Chama original em escala de cinzentos. (Configurações do equipamento de aquisição de imagem presentes na Tabela 2.2).
-
26
É também importante mencionar que o estiramento varia com a razão de equivalência para um mesmo
número de Reynolds. Como discutido anteriormente, a velocidade laminar de propagação de chama é
função de φ, estando o seu valor máximo localizado para valores de razão de equivalência de 1,1,
resultando em chamas mais baixas para φ = 1,0 e 1,1 e ângulo α mais aberto. No entanto, estas são
pequenas diferenças, que não são possíveis de observar directamente na Figura 3.4. A Figura 3.5
apresenta estas diferenças para valores de Rf /r compreendidos entre 0,2 e 1,0.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1Rf / r
-15000
-10000
-5000
0
5000
K [s
-1]
c)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1Rf / r
-15000
-10000
-5000
0
5000
K [s
-1]
b)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1Rf / r
-15000
-10000
-5000
0
5000
K [s
-1]
ExperimentalMeanTheoretical
a)
Taxa de Estiramento
Figura 3.4:Taxa de Estiramento experimental e teórica em chamas Bunsen: a) φ = 0,9; b) φ = 1,0; c) φ = 1,1.
-
27
0.2 0.4 0.6 0.8 1Rf/r
-220
-200
-180
-160
-140
-120
-100
-80
-60
-40
K [s
-1]
φ=1,1
φ=1,0
φ=0,9
Figura 3.5: Taxa de estiramento teórica de chamas de Bunsen com razões de equivalência de 0,9 1,0 e 1,1 e número de Re = 1200.
As Figura 3.6 e Figura 3.7 apresentam os perfis espaciais de intensidades máximas de C2* e CH*,
respectivamente, para as mesmas três razões de equivalência. Os círculos representam, novamente, os
valores medidos experimentalmente, e os quadrados os valores médios para intervalos de Rf /r = 0,02
para 0,02 < Rf /r < 0,20 e intervalos de Rf /r = 0,05 para a restante chama. Os valores compreendidos
entre 0,00 < Rf /r < 0,02 foram ignorados, devido às incertezas resultantes da oscilação de alta-
frequência verificada no vértice da chama.
A variação das emissões de C2* com φ estão de acordo com os resultados obtidos com chamas de
metano/ar por Kojima et al. (2005), onde para a gama de razões de equivalência experimentada, a
intensidade de sinal aumenta com o aumento de φ. Já, nas mesmas condições, as emissões de CH*
apresentam-se menos sensíveis a variações de razão de equivalência.
Os perfis de emissões quimiluminescentes de C2* apresentam três zonas distintas, para as três razões
de equivalência: uma primeira zona, A, (0,80 < Rf /r < 1,00), onde o sinal de C2* diminui; uma segunda
zona, B, (0,20 < Rf /r < 0,80), onde se regista um valor aproximadamente constante, excepção feita para
a φ = 1,0; e uma terceira zona, C, (0,02 < Rf /r < 0,20), em que a intensidade de luz diminui novamente.
Estas três zonas são também verificadas, na espécie CH*, com diferenças na segunda região, na qual,
para as três razões de equivalência ensaiadas existe um acentuado aumento de intensidade do sinal.
Os perfis registados na zona A são não só devidos a perdas de calor para o anel do queimador,
arrefecendo a chama à medida que se aproxima do ponto de ancoragem, mas também, devido à razão
de equivalência local diferir do resto da reacção, dado que, nesta zona, existe mistura de ar com
ar/combustível resultante da difusão de quantidade de momento e massa do escoamento,
empobrecendo localmente a mistura (Ikeda et al., 2004).
No centro da chama, onde os mencionados mecanismos de transferência de calor e massa têm menos
expressão nas emissões de quimiluminescência, a intensidade de CH* diminui no sentido do vértice, não
-
28
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1Rf/r
0
50
100
150
200
250
C2*
Inte
nsity
[arb
itrar
y un
s.]
-Inf -391 -195-130 -98 -78 -65 -56 -49 -43 -39K [s-1]
ExperimentalMean
a)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1Rf/r
0
50
100
150
200
250
C2*
Inte
nsity
[arb
itrar
y un
s.]
-Inf -417 -209-139-104 -83 -70 -60 -52 -46 -42K [s-1]
b)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1Rf/r
0
50
100
150
200
250
C2*
Inte
nsity
[arb
itrar
y un
s.]
-Inf -413 -206-138-103 -83 -69 -59 -52 -46 -41
K [s-1]
c)
C B A
C B A
C B A
Figura 3.6: Emissões de intensidade máxima de C2*: a) φ = 0,9; b) φ = 1,0; c) φ = 1,1.
-
29
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1Rf/r
0
50
100
150
200
250
CH
* In
tens
ity [a
rbitr
ary
uns.
]
-Inf -391 -195-130 -98 -78 -65 -56 -49 -43 -39K [s-1]
ExperimentalMean
a)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1Rf/r
0
50
100
150
200
250
CH
* In
tens
ity [a
rbitr
ary
uns.
]
-Inf -417 -209-139-104 -83 -70 -60 -52 -46 -42K [s-1]
b)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1Rf/r
0
50
100
150
200
250
CH
* In
tens
ity [a
rbitr
ary
uns.
]
-Inf -413 -206-138-103 -83 -69 -59 -52 -46 -41
K [s-1]
c)
C B A
C B A
C B A
Figura 3.7: Emissões de intensidade máxima de CH*: a) φ = 0,9; b) φ = 1,0; c) φ = 1,1.
-
30
apresentando, no entanto, variação significativa no comportamento do radical C2*, ao longo da frente de
chama. O decaimento de intensidade de sinal de CH* pode ser associado ao aumento de compressão a
que a chama se encontra a ser gradualmente submetida. Da observação dos gráficos das Figura 3.8 e
Figura 3.9, traçados usando os valores absolutos de taxa de estiramento teórica e valores médios de
intensidade de quimiluminescência por secção das Figura 3.6 e Figura 3.7, verifica-se que para valores de
|K| compreendidos entre 50 e 200 s-1, valores que correspondem aproximadamente à zona B, o sinal de
C2* apresenta um comportamento aproximadamente constante, quando comparado com a evolução
homologa de CH*, que apresenta uma evolução marcadamente monotónica decrescente.
100 1000|K| [s-1]
0
50
100
150
200
250
C2*
Inte
nsity
[arb
itrar
y un
s.]
φ=0,9
φ=1,0φ=1,1
A B C
Figura 3.8: Intensidade de C2* em função do valor absoluto da taxa de estiramento, em chamas de Bunsen.
100 1000|K| [s-1]
0
50
100
150
200
250
CH
* In
tens
ity [a
rbitr
ary
uns.
]
φ=0,9
φ=1,0φ=1,1
A B C
Figura 3.9: Intensidade de CH* em função do valor absoluto da taxa de estiramento, em chamas de Bunsen.
-
31
A tendência observada na zona C pode ser explicada pela geometria côncava do vértice que gera a
concentração de grandes quantidades de calor e espécies (Law & Sung, 2000), sobrepondo-se ao efeito
da compressão, fazendo diminuir as intensidades de C2* e CH*.
Excluídas as zonas de ancoragem e vértice das chamas, onde os mecanismos de transferência têm
predominância relativamente ao efeito de compressão na emissão de quimiluminescência conclui-se que
a taxa de estiramento, tem maior influência nos mecanismos de emissão de CH* do que em C2*.
O quociente das intensidades destas espécies quimiluminescentes, bastante utilizado para estimar a
razão de equivalência em chamas de pré-mistura (Kojima et al., 2000; Ikeda et al., 2000; Hardalupas &
Orain, 2004), é subentendido como sendo constante ao longo do corpo de uma chama. Com base nos
resultados obtidos neste trabalho é apresentado na Figura 3.10 o perfil da razão de sinais de C2*/CH*
onde é visível a razão de intensidades a variar ao longo das três zonas previamente definidas. Na zona B,
onde correlações empíricas têm vindo a ser desenvolvidas, para avaliar razões de equivalência quer
globais (Ikeda et al., 2000) quer locais (Ikeda et al., 2004), o valor local de C2*/CH* diminui com o
aumento do raio. O presente estudo não pretende invalidar os trabalhos anteriores que mostram
valores constantes de C2*/CH* nesta região, dado que as geometrias de chamas, sistemas de colecção
de luz e técnicas usados, visualizam diferentes volumes da chama, influenciando fortemente os
resultados obtidos. No entanto, a aplicação dessas correlações a emissões locais podem levar a
estimativas incorrectas de razões de equivalência.
Na Figura 3.11 é possível observar a relação entre a razão de sinais e a taxa de estiramento, na qual
C2*/CH* aumenta com o aumento de |K|, na zona B. A relação entre C2*/CH* e ln (|K|), nesta zona,
pode ser expressa como uma função linear, na qual o declive da recta aumenta com a razão de
equivalência. É também possível ver que na zona do vértice, C, esta relação parece tender para um valor
constante quando comparada com a zona B.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1Rf/r
0.4
0.8
1.2
1.6
2
C2*
/CH
*
φ=0,9φ=1,0
φ=1,1
C B A
Figura 3.10: Razão de intensidades de sinal de C2*/CH* na frente de uma chama Bunsen.
-
32
100 1000|K| [s-1]
0.4
0.8
1.2
1.6
2C
2*/C
H*
φ=0,9
100 1000|K| [s-1]
0.4
0.8
1.2
1.6
2
C2*
/CH
*
φ=1,0
100 1000|K| [s-1]
0.4
0.8
1.2
1.6
2
C2*
/CH
*
φ=1,1
C2*/CH*=0.185 ln(|K|)-0.282
C2*/CH*=0.202 ln(|K|)-0.166 C2*/CH*=0.245 ln(|K|)-0.010
A B C A B C A B C
Figura 3.11: Razão de intensidades de sinal de C2*/CH* em função da taxa de estiramento em chamas de Bunsen.
Assim se conclui que com base em sinais quimiluminescentes de colecção de luz, a determinação de φ
que assente na razão C2*/CH* depende do local de medição. A própria forma de calibração, que de um
modo geral é obtida com base em sinais globais, deve ser usada com precaução, quer em regimes
turbulentos quer laminares, sob o efeito de compressão, visto a razão de sinais variar, entre outros
parâmetros, com a taxa de estiramento, ao longo da frente de chama.
-
33
4 Conclusões
Foram efectuadas em chamas Bunsen de pré-mistura laminares de propano/ar medições de emissões de
quimiluminescência, com resolução espacial e espectral, em condições ambiente para uma gama de
razões de equivalência entre 0,9 e 1,1 e com um número de Reynolds do escoamento de 1200. As
medições locais das espécies C2* e CH* foram efectuadas, com sucesso, na frente de chama para as
diferentes razões de equivalência, recorrendo a um sistema de câmara CCD e um algoritmo de
tomografia axial computorizada. O estiramento da chama foi avaliado usando a localização dos valores
máximos de intensidade de C2* sendo a taxa de estiramento em geometrias do tipo Bunsen negativo.
Tal facto indica que a chama sofre compressão, estando os valores de K compreendidos entre -40 s-1 e -
200 s-1, em zonas onde a curvatura do vértice não tem influência e entre -200 s-1 e infinito no limite
quando Rf /r tende para zero.
Três zonas distintas de emissões de quimiluminescência foram definidas em chamas de Bunsen, nas quais
os perfis dos sinais diferem devido aos diferentes mecanismos que nelas actuam. Uma primeira zona,
junto do anel da saída do queimador, influenciada pelas perdas de calor para o metal frio e por uma
razão de equivalência local mais pobre que o resto da reacção; uma segunda zona na qual emissões de
CH* são maioritariamente afectadas pela compressão da chama; e uma terceira zona, perto do vértice,
onde a reacção é aquecida e encontra uma grande concentração de espécies devido à concavidade do
vértice.
A relação de emissão de C2* com a taxa de estiramento, não apresenta uma evolução monotónica.
Porém a compressão de chama tem influência nos mecanismos de quimiluminescência de CH*, fazendo
diminuir monotonicamente a sua intensidade com o aumento de |K|.
A razão de intensidades de sinal local de C2*/CH* apresenta, também, um aumento ao longo da segunda
zona, com o aumento de compressão, carecendo a sua utilização de algum cuidado, na determinação de
razões de equivalência de chamas sujeitas a compressão.
Como continuação deste trabalho sugere-se a medição do perfil de velocidades do escoamento,
possibilitando desta forma um cálculo mais rigoroso da taxa de estiramento experimental, bem como a
utilização de uma técnica de medição de quimiluminescência diferente, permitindo desta forma validar os
resultados obtidos para a espécie CH* e obter resultados conclusivos quanto ao comportamento de
C2* quando submetido à compressão. Por estudar ficaram as emissões de OH* e a sua razão com as
outras espécies apresentadas, bem como uma gama de razões de equivalência maior.
Também a influência de uma taxa de estiramento positiva, conseguida a partir de um queimador de
escoamento contra-corrente, poderá completar este estudo, na medida em que, ao perceber-se a
influência do estiramento nas emissões de quimiluminescência permitir-se-á estimativas mais apuradas de
parâmetros em chamas turbulentas, sujeitas quer a efeitos de compressão quer de estiramento.
-
34
Com o conhecimento e aperfeiçoamento da técnica caminha-se assim para a concretização quer de
sistemas de controlo, cada vez mais eficientes, capazes de monitorizar e caracterizar a combustão em
tempo real e de forma não intrusiva, quer de uma técnica de diagnóstico fiável, permitindo, desta forma,
regimes de funcionamento de queima pobre, emitindo menos poluentes e reduzindo consumos de
combustível.
-
35
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-
39
Anexos
Anexo A
Cálculo de Razão de Equivalência para Chamas de Propano/Ar
A definição de razão de equivalência em base molar é dada por:
stAFAF
=φ [0.1]
Da equação dos Gases perfeitos é sabido que o volume que um gás ocupa é proporcional ao seu
número de mol, logo a fracção molar da mistura pode ser substituída pelo quociente entre o caudal
volúmico de propano e o caudal volúmico de ar. Da reacção estequiométrica é também conhecido que
o valor de F/Ast = 0,042. A Eq. [0.1] pode ser apresentada da seguinte maneira:
042,083 arHC
VV &&=φ [0.2]
O erro absoluto, da razão de equivalência, associado à medição de caudais é calculado a partir da
equação de propagação de erro:
∑=
∆∂∂
=∆n
ii
i
xxfy
1
[0.3]
O erro absoluto associado à razão de equivalência é assim, expresso pela seguinte equação:
2042,0042,0 arcombar
ar
comb
VVV
VV
&
&&
&
& ∆−
∆=∆φ [0.4]
-
40
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