combustão industrial - mautone.eng.br€¦ · – o comprimento de chama (l f) é o comprimento ao...
TRANSCRIPT
1
Combustão Industrial
JOSÉ EDUARDO MAUTONE BARROS Professor Adjunto da Universidade Federal de Minas Gerais
Coordenador do Laboratório de Combustíveis e Combustão
Doutor em Engenharia Mecânica - Térmica (UFMG)
Doutor em Engenharia Aeronáutica - Energia (ITA)
Engenheiro Químico (UFMG)
www.mautone.eng.br [email protected]
2
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO A COMBUSTÃO
DEFINIÇÕES BÁSICAS
COMBUSTÍVEIS
CLASSIFICAÇÃO DE CHAMAS
REGIMES DE COMBUSTÃO
QUEIMADORES INDUSTRIAIS
EMISSÕES
3
REGIMES DE COMBUSTÃO
Combustão Laminar X Turbulenta – A medida que a velocidade do escoamento
aumenta a chama deixa de se plana e estável para
se tornar plissada e oscilante.
Re U D0 0
FrU
gD
02
0
Parâmetros:
No. de Reynolds
No. de Froude
4
REGIMES DE COMBUSTÃO
Combustão Laminar X Turbulenta
Vela
Chama
de Difusão
Laminar
Queimador de
Gás Natural
Chama de Difusão
Turbulenta
Queimador
de Óleo
Combustível
Chama de
Difusão
Turbulenta
5
REGIMES DE COMBUSTÃO
Combustão Laminar X Turbulenta – Características:
– O Comprimento de Chama (Lf) é o comprimento ao longo
do eixo, a partir do boca do queimador, após o qual não é
mais encontrada a presença de combustível.
– O Diâmetro da chama (Df) é o diâmetro transversal ao eixo
da chama, após o qual não é mais encontrada a presença
de combustível.
– A Velocidade de Chama (UL ou T) é a velocidade de
propagação da frente de chama em relação ao
escoamento da mistura oxidante/combustível.
Da,lCombustíve,,T,PfU
lCombustíve,,T,PfU
T
L
)swirl,Fr(Re,fD
)swirl,Fr(Re,fL
F
F
6
REGIMES DE COMBUSTÃO Combustão Laminar
– A velocidade de chama laminar é a
velocidade de propagação da
frente de chama num escoamento
em regime laminar da mistura
oxidante combustível.
– Ela é determinada
experimentalmente para cada
combustível em função da razão
de equivalentes.
– A condições padrões de
determinação da velocidade de
chama laminar são:
T0 = 298,15 K e P0 = 101325 Pa
Velocidade de Chama Laminar (UL)
7
REGIMES DE COMBUSTÃO Combustão Laminar
– Medida experimentais são feitas
em queimadores planares,
câmara de volume constante e
tubos de chama.
– Para outras pressões e
temperaturas deve-se corrigir a
velocidade padrão
0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8
Razão de Equivalentes Combustível/Ar
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
Ve
loc
ida
de
Pa
drã
o d
e C
ha
ma
(m
/s)
P = 101325 PaT = 298.15 K
Metanol
Gasolina C
Gasolina A
Isooctano
β
0
α
0
,0P
P
T
TUU
Velocidade de Chama Laminar (UL)
8
REGIMES DE COMBUSTÃO Combustão Laminar
– Em Heywood, 1988, é apresentada
uma correlação empírica para os
dados de velocidade padrão de
chama laminar.
Constantes para cálculo da velocidade de queima laminar
em condições padrões para vários combustíveis (Heywood, 1988)
Combustível Bmax (m/s) Bf (m/s) (1/l)max
Isooctano 0,2630 -0,8470 1,1300
Metanol 0,3690 -1,4050 1,1100
Gasolina A 0,3050 -0,5490 1,2100
Gasolina C* 0,3387 -0,7546 1,1574
* média ponderada pela concentração volumétrica gasolina/álcool (gasolina A/metanol)
2
max
φmax,0λ
1
λ
1B BU
Velocidade Padrão de Chama Laminar (UL,0)
9
REGIMES DE COMBUSTÃO Combustão Laminar
Exemplo – Calcular a velocidade padrão de queima
laminar do metanol para uma razão de equivalentes
de 1,0.
Exercício – Calcular a velocidade de queima laminar
do metanol para uma razão de equivalentes de 1,0 e
uma pressão de 10 bar e uma temperatura de 35 oC.
Os coeficientes de dependência da temperatura e
da pressão são 2,0 e -0,1, respectivamente.
Bmax (m/s) Bf (m/s) (1/lambda)max
Metanol 0,369 -1,405 1,11
phi 1,00
lambda 1,00
0,3520 m/sVelocidade Laminar
10
REGIMES DE COMBUSTÃO Combustão Turbulenta
Regimes de Combustão Turbulenta – São definidos usando o número de Damköhler e a
energia cinética turbulenta (k½) relativa a velocidade
de chama laminar (UL).
– O número de Damköhler é a razão entre o tempo característico da turbulência (tt) e o tempo
característico da combustão (tc).
– l é diâmetro dos grandes vórtices turbulentos no escoamento e dL é a espessura da chama laminar.
Uδ
k
τ
τDa
cc
t2
1
11
REGIMES DE COMBUSTÃO Combustão Turbulenta
Regimes de
Combustão Turbulenta – Combustão distribuída:
Região Ia e Ib
Alta turbulência
Vórtices pequenos (rel. a chama)
“Flameless
Combustion”
Baix
o N
Ox
12
REGIMES DE COMBUSTÃO Combustão Turbulenta
Regimes de
Combustão Turbulenta – Combustão de
chama plissada:
Região IIb e IIc
Baixa turbulência
Vórtices grandes (rel. a chama)
13
REGIMES DE COMBUSTÃO Combustão Turbulenta
Regimes de
Combustão Turbulenta – Combustão de flameletes:
Região IIa
Média turbulência
Vórtices grandes (rel. a chama)
14
REGIMES DE COMBUSTÃO Combustão Turbulenta
Típicos Regimes de
Combustão Turbulenta
nos Equipamentos
Queimadores
Industriais
15
REGIMES DE COMBUSTÃO Combustão Turbulenta
Velocidade de Chama Turbulenta (UT)
– Um Fator de Turbulência (ft) é aplicado a
velocidade de chama laminar para calcular
a velocidade turbulenta de chama.
– O fator de turbulência é função do inverso
do número de Damköhler.
– A velocidade de chama é aumentada pela
turbulência em torno de 10 a 20 vezes a
velocidade laminar de chama.
– A mistura turbulenta favorece o contato
do oxidante e do combustível.
– A turbulência também favorece a
transferência de calor da frente de chama
para a mistura combustível.
– A área de queima também é aumentada
pela turbulência.
Da
Cf
UfU
1T
LTT
16
BIBLIOGRAFIA
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS
TÉCNICAS. NBR 5484: Motores alternativos de
combustão interna de ignição por compressão
(Diesel) ou ignição por centelha (Otto) de
velocidade angular variável – Ensaio – Método de
ensaio. Rio de Janeiro, 1985.
BARROS, J. E. M. Estudo de Motores de
Combustão Interna Aplicando Análise Orientada a
Objetos. Belo Horizonte: Tese de Doutorado,
Engenharia Mecânica, UFMG, 2003.
17
BIBLIOGRAFIA
BAUKAL Jr., C. E. Air-oxy/Fuel Burners. In:
Industrial Burners Handbook, BAUKAL Jr., C. E.
(ed.). Boca Raton: CRC Press, 2003.
COSTA, M. Combustão sem Chama Visível
(Flameless Combustion). Palestra, II Escola de
Combustão. São José dos Campos: RNC, 22-26
de Junho de 2009.
ESCOLA DE COMBUSTÃO em
http://redenacionaldecombustao.org/escoladecomb
ustao/, jan/2011.
18
BIBLIOGRAFIA
GARCIA, R. Combustíveis e Combustão Industrial.
Rio de Janeiro: Interciência, 2002.
GLASSMAN, I. Combustion. New York: Academic
Press, 1977.
KUO K. K. Principles of Combustion. New York:
John Willey & Sons, 1986.
LEFEBVRE, A. Gas Turbine Combustion.
Philadelphia: Taylor&Francis, 1998.
LEVENSPIEL, O. Engenharia das Reações
Químicas. São Paulo: Edgar Blucher, vol. 2, 1974.
19
BIBLIOGRAFIA
REDE NACIONAL DE COMBUSTÃO (RNC) em
http://redenacionaldecombustao.org/, jan/2011.
SHARMA, S. P. et MOHAN, C. Fuels and
Combustion. New Delhi: Tata McGraw-Hill, 1984.
SMITH, J. M. e VAN NESS, H. C. Introdução a
Termodinâmica da Engenharia Química. Rio de
Janeiro: Guanabara Dois, 3ª Ed.,1980.
STREHLOW, R. A. Combustion Fundamentals. New
York: McGraw-Hill, 1988.
20
BIBLIOGRAFIA
TURNS, S. R. An Introduction to Combustion:
Concepts and Applications. Boston: McGraw-Hill,
2000.
WILLIAMS, F. A. Combustion Theory. New York:
Benjamin Cumings Pub., 1985.