COMBUSTO - ? SMITH, J. M. e VAN NESS, H. C. Introduo a Termodinmica da Engenharia Qumica.

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  • 1

    COMBUSTO

    JOS EDUARDO MAUTONE BARROS Professor Adjunto da Universidade Federal de Minas Gerais

    Coordenador do Laboratrio de Combustveis e Combusto

    Doutor em Engenharia Mecnica - Trmica (UFMG)

    Doutor em Engenharia Aeronutica - Energia (ITA)

    Engenheiro Qumico (UFMG)

    www.mautone.eng.br mautone@demec.ufmg.br

    http://www.mautone.eng.br/

  • 2

    SUMRIO

    INTRODUO

    DEFINIES BSICAS

    COMBUSTVEIS

    CLASSIFICAO DE CHAMAS

    REGIMES DE COMBUSTO

    QUEIMADORES INDUSTRIAIS

    EMISSES

    MODELAGEM AVANADA

  • 3

    MODELAGEM AVANADA

    Cintica qumica

    Modelo de cintica qumica

    Modelo de escoamento reativo permanente

    Modelo de onda de combusto (escoamento

    reativo transiente)

    Modelo de combusto turbulenta

    Mtodos numricos de soluo de

    escoamentos reativos

  • 4

    MODELAGEM AVANADA

    Cintica qumica

    Fundamentos

    Mecanismos de reao

    Teoria de reatores qumicos

    LEVENSPIEL, vol. 1, 1974, Cap. 1, 2 e 5

  • 5

    MODELAGEM AVANADA

    Modelo de cintica qumica

    BARROS, Dissertao de mestrado, 1993, Cap. II.2 e II.3

    ZUCROW et HOFFMAN, vol. 2, 1997, Cap. 14.1, 14.2,

    14.3

    Exemplo: formao de NOx

  • 6

    MODELAGEM AVANADA

    Modelo de escoamento reativo permanente

    Unidimensional

    Velocidade de combusto constante e emprica

    Uso do CHEMKIN

    Uso do ODK

    BARROS, Dissertao de mestrado, 1993, Cap. II.4 e

    apndice I

    Exemplo: reator tubular para queima de mistura H2/O2

  • 7

    MODELAGEM AVANADA

    Modelo de onda de combusto

    Escoamento reativo transiente

    Unidimensional

    ZUCROW et HOFFMAN, vol. 1, 1997, Cap. 9.4

    SHARMA, S. P. et MOHAN, 1984, Cap. 5

    BARROS, Tese de doutorado, 2003, Cap.

  • 8

    MODELAGEM AVANADA

    Modelo de combusto turbulenta

    Mdia de Reynolds

    Mdia de Favre

    Equaes para regime permanente multidimensional

    Equaes para regime transiente multidimensional

  • 9

    MODELAGEM AVANADA

    Mtodos numricos de soluo de

    escoamentos reativos

    Mtodos de integrao numrica

    Implementao numrica

    Mtodos especficos para integrao de escoamentos

    reativos

  • 10

    MODELAGEM AVANADA

    Mtodos numricos de soluo de

    escoamentos reativos

    Apostila de Mtodos Numricos, disponvel em

    www.mautone.eng.br

    BARROS, Dissertao de mestrado, 1993, Cap. II.4.3

    ORAN et BORIS, 1991, Cap. 4, RADHAKRISHMAN, K.

    Combustion Kinetics and Sensitivity Analysis

    Computations

    REACTION DESIGN, CHEMKIN PRO Manual, CK-THE-

    15082-0809-UG-1, Numerical Solution Methods, Cap. 15

  • 11

    BIBLIOGRAFIA

    ASSOCIAO BRASILEIRA DE NORMAS

    TCNICAS. NBR 5484: Motores alternativos de

    combusto interna de ignio por compresso

    (Diesel) ou ignio por centelha (Otto) de

    velocidade angular varivel Ensaio Mtodo de

    ensaio. Rio de Janeiro, 1985.

    BARROS, J. E. M. Estudo de Motores de

    Combusto Interna Aplicando Anlise Orientada a

    Objetos. Belo Horizonte: Tese de Doutorado,

    Engenharia Mecnica, UFMG, 2003.

  • 12

    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. Combusto sem Chama Visvel

    (Flameless Combustion). Palestra, II Escola de

    Combusto. So Jos dos Campos: RNC, 22-26

    de Junho de 2009.

    ESCOLA DE COMBUSTO em

    http://redenacionaldecombustao.org/escoladecomb

    ustao/, jan/2011.

    http://redenacionaldecombustao.org/escoladecombustao/http://redenacionaldecombustao.org/escoladecombustao/

  • 13

    BIBLIOGRAFIA

    GARCIA, R. Combustveis e Combusto Industrial.

    Rio de Janeiro: Intercincia, 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 Reaes

    Qumicas. So Paulo: Edgar Blucher, vol. 2, 1974.

  • 14

    BIBLIOGRAFIA

    REDE NACIONAL DE COMBUSTO (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. Introduo a

    Termodinmica da Engenharia Qumica. Rio de

    Janeiro: Guanabara Dois, 3 Ed.,1980.

    STREHLOW, R. A. Combustion Fundamentals. New

    York: McGraw-Hill, 1988.

    http://redenacionaldecombustao.org/

  • 15

    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.

  • 2008 JEMB

    Modelos Dinmicos Equaes de Conservao

    S.C. Vnd A t V.C. d V =0

    S.C. eP

    Vnd A t V.C. e d V =

    Qc t

    Q p t

    W t

    e=uV2

    2gz

    S.C. V Vnd A t V.C. V d V = F externas

  • 2008 JEMB

    Modelos Dinmicos Simulao para obter PxTempo e TxTempo

    mcd V

    dt=0

    c V c AcVd dt

    d Vdt

    =0

    d dt =

    c V c AcV

    d uV dt

    = Qc t

    =mc hc

    uV d dt

    V d udt

    =mc hc

    Gs Ideal

    P= RT

    u=cv T

    cv=R

    1

    c p=

    1R

  • 2008 JEMB

    Modelos Dinmicos Simulao para obter PxTempo e TxTempo

    d uV dt

    = Qc t

    =mc hc

    uV d dt

    V d udt

    =mc hc

    u mc Vd udt

    =mc hc

    Vd cv T

    dt =mc hccv T

    d Tdt

    = 1 RV

    mc hc RT 1

    Gs Ideal

    ln P=ln RT

    1P

    dPdt

    = 1d dt

    1T

    dTdt

    dPdt

    = Pd dt

    PT

    dTdt

  • 2008 JEMB

    Modelos Dinmicos Definio de Deflagrao e Detonao, ver Cap. 5 do livro Glassman, I . Combustion. New York: Academic Press, 1977.

    Modelo de onda de combusto generalizado, ver Barros, 2003

    Modelo de onda de combusto turbulenta

  • 2008 JEMB

    Modelos DinmicosDEFINIES

    MDIA DE REYNOLDS: g g g onde g= + =, 0 MDIA DE FAVRE: g g g onde g e g g= + =~ , ~ /0 (MDIA PONDERADA PELA MASSA - para escoamentos compressveis e reativos)

    ( )

    ( )

    ( )

    ( )

    ( )

    xu

    uux x

    u uPx

    g

    uYx x

    J u Y

    uhx x

    J u hDPDt

    ukx x

    u u k u

    b

    ii i i

    iQ

    ~

    ~~

    ~~

    ~~

    ~~

    =

    + + = +

    =

    =

    + + =

    0

    Px

    u uux k

    +~

    Equao da Conservao de Massa Equaes de Conservao da Quantidade de Movimento - com o Tensor de Reynolds como mdia de Favre, responsvel pelo transporte turbulento Equaes de Conservao para cada Espcie Qumica "i", em base mssica - com o termo de transporte turbulento das espcies qumicas e um termo fonte de produo ou destruio destas, que funo das reaes qumicas (somatrio de exponenciais - "stiffness") Equao de Conservao de Energia - com o termo de transporte turbulento de energia e um termo fonte de produo de energia devido as reaes qumicas Equao de Conservao da Energia Cintica Turbulenta - com o termo de dissipao de turbulncia

  • 2008 JEMB

    Modelos DinmicosEQUAES REDUZIDAS

    (MODELO UNIDIMENSIONAL, TRANSIENTE, TURBULNCIA POR MODELO ALGBRICO E REAO QUMICA POR MODELO GLOBAL ESTATSTICO)

    Equao de Conservao da Massa Equao de Conservao da Quantidade de Movimento - com o termo de transporte turbulento Equao de Conservao do Grau de Avano da Reao (c) - que representa a concentrao dos produtos, incluindo o termo de Razo de Reao Turbulenta (RF), que modela a reao qumica. Neste caso, RF modelado por uma funo de probabilidade (PDF) aplicvel ao regime de Flameletes.(Modelo de Bray-Moss-Libby) Equao de Conservao da Energia Total (e) - com o termo de dissipao turbulenta Obs: Aqui so apresentados alguns valores tpicos para as constantes do modelo algbrico de turbulncia e para o modelo estatstico de combusto.

    ( )

    ( ) ( ) ( ) ( )

    ( ) ( ) ( )

    ( ) ( ) ( ) ( )

    t

    u

    x

    u

    t

    u

    xPx x

    u

    xk

    x

    c

    t

    u c

    x Sc x

    c

    xR

    e

    t

    u e

    xP

    u

    x x

    e

    x

    k

    F

    + =

    +

    = +

    + =

    +

    + = +

    =

    0

    43

    23

    3

    2

    Pr

    ( ) ( ) ( )( )( ) ( )[ ]

    2 0 09 0 04 0 75

    1 157 8 0 2380 01 0

    1 0 23 10 15100

    2 0 75 3 2

    9

    = = = = =

    = = == = >

    =

    u C k C Sc

    R C T c ck

    c c C cc se cc se c

    T min T

    r r

    F F F

    ,

    * *

    , , Pr ,

    ( ) , ,

    ; , exp

  • COMBUSTAOTURBULENTA.DOC

    COMBUSTO

    Introduo

    JOS EDUARDO MAUTONE BARROS

  • COMBUSTO

    JOS EDUARDO M. BARROS 2

    DESCRIO DO FENMENO FSICO

    COMBUSTO UM FENMENO FSICO-QUMICO

    CARACTERIZADO POR REAES DE OXIDAO, ONDE SO

    LIBERADAS GRANDES QUANTIDADES DE ENERGIA SOB A

    FORMA DE CALOR.

    A COMBUSTO OCORRE, EM GERAL, EM MEIO GASOSO COMPRESSVEL.

    A COMBUSTO ENVOLVE SEMPRE UM COMBUSTVEL E UM OXIDANTE.

    AS CHAMAS (ZONA DE COMBUSTO) SO CLASSIFICADAS EM DOIS TIPOS:

    CHAMAS DE DIFUSO X CHAMAS DE PRMISTURA

  • COMBUSTO

    JOS EDUARDO M. BARROS 3

    CHAMAS DE DIFUSO

    O COMBUSTVEL E O OXIDANTE SO INJETADOS NA CHAMA EM

    CORRENTES SEPARARADAS. A

    MISTURA DOS DOIS OCORRE POR

    DIFUSO LAMINAR OU

    TURBULENTA.

    NAS CHAMAS DE DIFUSO, A FRENTE DE CHAMA, ONDE

    OCORREM AS REAES, UMA

    REGIO DA ORDEM DE

    MILMETROS. ESTA REGIO

    SERVE DE SEPARAO ENTRE A

    OS GASES QUEIMADOS E OS NO

    QUEIMADOS.

    CHAMAS DE PRMISTURA

    O COMBUSTVEL E O OXIDANTE SO MISTURADOS PREVIAMENTE E INJETADOS NA CHAMA EM UMA CORRENTE NICA. NESTE CASO, O FENMENO DOMINANTE O TEMPO DAS REAES QUMICAS.

    NAS CHAMAS DE PRMISTURA, A FRENTE DE CHAMA UMA REGIO MUITO FINA, DA ORDEM DE 0,1 mm, ONDE OCORREM AS REAES. (HIPTESE DE CHAMA FINA)

    Gas es de Que ima

    Fren te de C hama (0 ,1 mm)

    Gas es de Que ima

    Ox idan te

    C ombus tv e l + Ox idan te

    C H AMA D E PR MISTU R A

    U o

    C H AMA D E D IFU SO

    C ombus tv e l

    U o

    Fren te de C hama (>1 mm)

  • COMBUSTO

    JOS EDUARDO M. BARROS 4

    REGIMES DE COMBUSTO LAMINAR X TURBULENTO

    A MEDIDA QUE A VELOCIDADE DO ESCOAMENTO AUMENTA A FRENTE DE CHAMA DEIXA DE SER

    PLANA E ESTVEL PARA SE

    TORNAR PLISSADA E OSCILANTE.

    PARMETROS IMPORTANTES:

    No. DE REYNOLDS e No. DE FROUDE:

    Re U D0 0

    Fr

    U

    gD 0

    2

    0

    COMPRIMENTO DE CHAMA - COMPRIMENTO AO LONGO DO

    EIXO, APS O QUAL, NO MAIS

    ENCONTRADA A PRESENA DO

    COMBUSTVEL

    L f FrF Re,

    VELOCIDADE DE PROPAGAO DE CHAMA LAMINAR - MEDIDA PELA INFLAMAO DE UMA MISTURA COMBUSTVEL ESTACIONRIA DENTRO DE EM TUBO LONGO UL

  • COMBUSTO

    JOS EDUARDO M. BARROS 5

    EXEMPLOS DE QUEIMADORES

    CHAMA LAMINAR DE DIFUSO:

    ISQUEIRO, VELA

    TUBO (TIPO BICO DE BUNSEN), CONFORME A VELOCIDADE DO GS

    CHAMA LAMINAR DE PRMISTURA:

    TUBO (TIPO BICO DE BUNSEN, COM PRMISTURA)

    CHAMA TURBULENTA DE DIFUSO:

    TUBO (TIPO BICO DE BUNSEN)

    CMARAS DE COMBUSTO DE TURBINAS

    QUEIMADORES INDUSTRIAIS

    CHAMA TURBULENTA DE PRMISTURA:

    TUBO (TIPO BICO DE BUNSEN)

    PSQUEIMADOR DE TURBOJATO

  • COMBUSTO

    JOS EDUARDO M. BARROS 6

    REGIMES DE COMBUSTO TURBULENTA

    OS REGIMES DE COMBUSTO TURBULENTA PODEM SER ANALISADOS COMPARANDO-SE

    O TEMPO CARACTERSTICO DA TURBULNCIA (t) E O TEMPO CARACTERSTICO DA

    COMBUSTO (c) , ATRAVS DO NMERO DE DAMKOHLER:

    DaU

    k

    t

    c

    L

    L

    1 2/

    ONDE, k = ENERGIA CINTICA TURBULENTA

    l = COMPRIMENTO CARACTERSTICO DA TURBULNCIA(ESCALA DOS GRANDES VRTICES)

    UL = VELOCIDADE LAMINAR DE PROPAGAO DA CHAMA

    L = ESPESSURA DA FRENTE DE CHAMA

    UMA DAS FORMAS DE CONTRUIR UM MAPA DE REGIMES USAR O NMERO DE

    REYNOLDS DA ESCALA DE KOLMOGOROV, ReK COMO ABCISSA E TERMO k1/2/UL COMO

    ORDENADA.

    NESTE GRFICO, lk/L = CONSTANTE SO RETAS E Da = CONSTANTE SO PARBOLAS

  • COMBUSTO

    JOS EDUARDO M. BARROS 7

    MAPA DE REGIMES DE COMBUSTO TURBULENTA

    lk/L < 1 - REGIO Ia e Ib - A ESTRUTURA DA CHAMA

    LAMINAR MODIFICADA PELA TURBULNCIA E A

    DIFUSO TURBULENTA DOMINANTE. O TEMPO QUMICO

    GOVERNA O FENMENO. O REGIME DE

    COMBUSTO DISTRIBUDA.

    lk/L < 1 e Da < 1- REGIO Ib - A MISTURA TURBULENTA

    OCORRE ANTES DA REAO. O REGIME DO REATOR

    HOMOGNEO.

    lk/L 1 - REGIO II - A ESTRUTURA DA CHAMA LAMINAR

    NO MODIFICADA PELA TURBULNCIA. A CHAMA

    CONVECTADA.

    lk/L 1 e k1/2

    /UL < 1- REGIO IIb - A CHAMA CONTROLADA

    PELA TURBULNCIA DOS GASES FRIOS. O REGIME

    CHAMADO DE CHAMA PLISSADA.

    lk/L 1 e k1/2

    /UL > 1- REGIO IIa - A CHAMA QUEBRADA

    PELA TURBULNCIA EM PACOTES DE GASES FRIOS. O

    REGIME CHAMADO DE COMBUSTO DE FLAMELETES.

    lk/L 1, Da 1 e Ret 1 - REGIO IIc - A TURBULNCIA

    CONTROLA O FENMENO. A CHAMA PODE SER CONSIDERADA UMA DESCONTINUIDADE SEPARANDO OS GASES

    QUENTES DOS GASES FRIOS. O REGIME AINDA CHAMADO DE COMBUSTO DE FLAMELETES.

    1.0 10.0 100.0

    Re k

    0.1

    1.0

    10.0

    100.0

    k1

    /2/U

    L

    1.0E+0 1.0E+1 1.0E+2 1.0E+3 1.0E+4 1.0E+5 1.0E+6 1.0E+7 1.0E+8

    Re l

    Ia

    IIa

    CritrioKLIMOV-WILLIAMS

    Da = 10 6Da =10 4

    Da = 10 2

    Da = 1

    Da = 10 -2

    Ib

    IIbIIc

    l k = d

    L

    l k =10 d

    L

    l k = 0.3 d

    L

  • COMBUSTO

    JOS EDUARDO M. BARROS 8

    REGIMES DE TRABALHO PARA

    QUEIMADORES TPICOS

    ESPECTRO DE ENERGIA CINTICA

    TURBULENTA PARA A CHAMA E PARA O

    ESCOAMENTO

    ESCALA DE GIBSON - A ESCALA MNIMA PARA RUPTURA DA CHAMA

    0.0 4.0 8.0 12.0 16.0 20.0

    Re k

    0.0

    10.0

    20.0

    30.0

    40.0

    50.0

    60.0

    70.0

    80.0

    90.0

    100.0

    k1

    /2/U

    L

    0.0E+0 4.0E+4 8.0E+4 1.2E+5 1.6E+5

    Re l

    Da = 10 2

    Da = 10 4

    Da = 1

    Critrio Klimov-Williams

    I

    II

    Cmara de CombustoTurbojato

    Reator Homogneo

    Bico de Bunsen

    Motor de Combusto Interna

    1.0

    c GU

    e L 3

  • COMBUSTO

    JOS EDUARDO M. BARROS 9

    EQUAES DESCRITIVAS DEFINIES

    MDIA DE REYNOLDS: g g g onde g , 0

    MDIA DE FAVRE: g g g onde g e g g ~ , ~ /0

    (MDIA PONDERADA PELA MASSA - para escoamentos compressveis e reativos)

    EQUAES COMPLETAS (REGIME PERMANENTE)

    Equao da Conservao de Massa

    Equaes de Conservao da Quantidade de Movimento -

    com o Tensor de Reynolds como mdia de Favre,

    responsvel pelo transporte turbulento

    Equaes de Conservao para cada Espcie Qumica "i",

    em base mssica - com o termo de transporte turbulento das

    espcies qumicas e um termo fonte de produo ou

    destruio destas, que funo das reaes qumicas

    (somatrio de exponenciais "stiffness")

    Equao de Conservao de Energia - com o termo de

    transporte turbulento de energia e um termo fonte de

    produo de energia devido as reaes qumicas

    Equao de Conservao da Energia Cintica Turbulenta -

    com o termo de dissipao de turbulncia

    xu

    uu

    x xu u

    P

    xg

    uY

    x xJ u Y

    uh

    x xJ u h

    DP

    Dt

    uk

    x xu u k u

    b

    ii i i

    iQ

    ~

    ~~

    ~~

    ~~

    ~~

    0

    P

    xu u

    u

    xk

    ~

  • COMBUSTO

    JOS EDUARDO M. BARROS 10

    EQUAES REDUZIDAS

    (MODELO UNIDIMENSIONAL, TRANSIENTE, TURBULNCIA POR MODELO ALGBRICO E

    REAO QUMICA POR MODELO GLOBAL ESTATSTICO)

    Equao de Conservao da Massa

    Equao de Conservao da Quantidade de

    Movimento - com o termo de transporte turbulento

    Equao de Conservao do Grau de Avano da

    Reao (c) - que representa a concentrao dos

    produtos, incluindo o termo de Razo de Reao

    Turbulenta (RF), que modela a reao qumica.

    Neste caso, RF modelado por uma funo de

    probabilidade (PDF) aplicvel ao regime de

    Flameletes.(Modelo de Bray-Moss-Libby)

    Equao de Conservao da Energia Total (e) -

    com o termo de dissipao turbulenta

    Obs: Aqui so apresentados alguns valores tpicos

    para as constantes do modelo algbrico de

    turbulncia e para o modelo estatstico de

    combusto.

    t

    u

    x

    u

    t

    u

    x

    P

    x x

    u

    xk

    x

    c

    t

    u c

    x Sc x

    c

    xR

    e

    t

    u e

    xP

    u

    x x

    e

    x

    k

    F

    0

    4

    3

    2

    3

    3

    2

    Pr

    2 0 09 0 04 0 75

    1 157 8 0 2380 0

    1 0

    1 0 23 10 15100

    2 0 75 3 2

    9

    u C k C Sc

    R C T c ck

    c c C cc se c

    c se c

    T minT

    r r

    F F F

    ,

    * *

    , , Pr ,

    ( ) , ,

    ; , exp

  • COMBUSTO

    JOS EDUARDO M. BARROS 11

    EXEMPLOS DE

    APLICAES

    QUEIMA TRANSIENTE EM

    ZONA DE RECIRCULAO

    Determinao do Comprimento de

    Combusto e Tempo de Ignio

    FRENTE DE CHAMA

    PLANA TURBULENTA

    Determinao de

    Velocidade de Propagao

    da Chama (Velocidade de

    Queima) e Espessura da

    Chama

  • COMBUSTO

    JOS EDUARDO M. BARROS 12

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