combustÍveis e combustÃo · chama de uma vela. o calor proveniente da chama funde a parafina, que...
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INTRODUÇÃO
Chamas de difusão turbulentas tipo jato de gás
são bastante comuns em aplicações industriais.
Há inúmeros exemplos de utilização de
combustíveis gasosos, entre eles os diversos
processos envolvendo a produção de aço, cobre,
vidro e produtos químicos.
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INTRODUÇÃO
Sempre que possível, o uso de um combustível
gasoso é preferível sobre o de combustíveis
líquidos ou sólidos, em virtude do menor excesso
de ar necessário e da quantidade reduzida de
poluentes atmosféricos formados durante a
combustão
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INTRODUÇÃO
A combustão de um jato de combustível saindo de
um tubo é um processo controlado por difusão.
Em todos os pontos nos quais o combustível e o
oxidante encontram-se em proporções
estequiométricas, a combustão ocorre muito
rapidamente.
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INTRODUÇÃO
Em uma chama ideal, a zona de reação é tão
estreita que ela pode ser considerada como uma
superfície de espessura nula que é impermeável
ao combustível de um lado e ao oxidante do outro
lado.
Em teoria, portanto, combustível é encontrado
apenas de um lado da chama e oxidante do outro.
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INTRODUÇÃO
Conhecer a forma de chama, comprimento e
perfis de concentração e temperatura é
fundamental para o engenheiro, pois permitirá o
cálculo das taxas de transferência de calor e a
determinação dos requisitos de materiais da
câmara de combustão.
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INTRODUÇÃO
Os parâmetros da chama são funções das
propriedades químicas e termodinâmicas do
combustível e do oxidante, bem como do regime
de escoamento na saída do queimador (se laminar
ou turbulento).
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JATOS FRIOS
Quando um fluido é ejetado de um tubo, ele
forma um jato ao interagir com o fluido externo.
O jato pode ser dividido em quatro regiões,
conforme mostrado na figura:
núcleo potencial,
região de mistura,
região de transição e
região completamente desenvolvida
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JATOS FRIOS
Estimativas dos comprimentos dessas regiões são
indicadas na figura;
eles podem variar dependendo das condições
iniciais do fluido na saída do tubo, tais como:
níveis de turbulência e
propriedades termodinâmicas.
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JATOS FRIOS
No núcleo potencial, o fluido retém a velocidade e
composição que ele tinha dentro do tubo.
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JATOS FRIOS
A mistura com o fluido externo começa na região
de mistura e continua ao longo da região de
transição
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JATOS FRIOS
Jatos turbulentos formados pelos mesmos fluidos
interno e externo apresentam regiões
completamente desenvolvidas similares.
Isto significa que jatos formados, por exemplo,
por metano descarregando em ar, apresentam
equações similares para perfis de velocidade e
concentração, independente do diâmetro do tubo
e da velocidade inicial do jato.
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PERFIS DE VELOCIDADE
Para um jato circular descarregando em ar parado, a variação da concentração com o raio, r, e com a distância axial, x, é dada por (Beer e Chigier, 1972):
C e Ci são as concentrações médias temporais em pontos (r,x) e na saída do tubo, respectivamente,
ri é a massa específica do combustível na saída do tubo,
rar é a massa específica do ar externo e
di é o diâmetro do tubo.
O valor de K1 varia entre 54 e 57.
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2
i
i1
ii
ari
d
x
d
r
K -exp
1,5 - d
x0,22
1 =
C
C
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PERFIS DE VELOCIDADE
O campo de velocidades tem uma equação similar
àquela da concentração:
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2
i
i2
ii
ari
d
x
d
r
K -exp
1,5 - d
x0,16
1 =
u
u
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PERFIS DE VELOCIDADE
O campo de velocidades tem uma equação similar
àquela da concentração:
onde u e ui são as velocidades médias temporais nos
pontos (r,x) e na saída do tubo, respectivamente, e
K2 varia entre 82 a 92.
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ari
d
x
d
r
K -exp
1,5 - d
x0,16
1 =
u
u
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PERFIS E VELOCIDADE
Consideremos um jato de metano em ar parado
para o qual desejamos desenhar a fronteira do
jato e o perfil de velocidades em uma distância
axial, digamos x/di = 50.
A fronteira do jato pode ser definida como o local
dos pontos onde a velocidade do escoamento é 1 %
da velocidade no eixo na mesma distância axial a
partir da seção de saída do tubo.
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PERFIS DE VELOCIDADE
Consideremos um jato de metano em ar parado
para o qual desejamos desenhar a fronteira do
jato e o perfil de velocidades em uma distância
axial, digamos x/di = 50.
A fronteira do jato pode ser definida como o local
dos pontos onde a velocidade do escoamento é 1 %
da velocidade no eixo na mesma distância axial a
partir da seção de saída do tubo.
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PERFIS DE VELOCIDADE
com r/di = 0 temos
onde ua é a velocidade do escoamento no eixo, na
posição x.
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1,5 - d
x0,16
1 =
u
u
ii
ari
a
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PERFIS DE VELOCIDADE
Dividindo a equação (8.2) pela resultado acima, considerando K = 92, obtemos, para a fronteira do jato, determinada pelos pontos (xf,rf):
Vemos, então, que a fronteira do jato é uma superfície cônica cuja posição não depende do tipo do gás ejetado pelo tubo nem do fluido externo.
O ângulo entre a fronteira do jato e o eixo x é a = atan(0,224) = 12,6°
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0,01 =
d
x
d
r
92 -exp = u
u
2
i
f
i
f
a
i
f
i
f
2
i
f
i
f
d
x 0,224 =
d
r
d
x
d
r
92 - = (0,01)ln
.
PERFIS DE CONCENTRAÇÃO
Dividindo a equação (8.2) pela resultado acima, considerando K = 92, obtemos, para a fronteira do jato, determinada pelos pontos (xf,rf):
Vemos, então, que a fronteira do jato é uma superfície cônica cuja posição não depende do tipo do gás ejetado pelo tubo nem do fluido externo.
O ângulo entre a fronteira do jato e o eixo x é a = atan(0,224) = 12,6°
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0,01 =
d
x
d
r
92 -exp = u
u
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i
f
i
f
a
i
f
i
f
2
i
f
i
f
d
x 0,224 =
d
r
d
x
d
r
92 - = (0,01)ln
.
VELA
Um exemplo clássico de chama difusiva é a
chama de uma vela.
O calor proveniente da chama funde a parafina,
que flui através do pavio e vaporiza.
O ar ambiente flui para região de chama devido à
convecção natural.
A zona de reação é estabelecida entre o ar e o
combustível.
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CHAMAS LAMINARES E
TURBULENTAS
Quando a velocidade do jato aumenta, as
características da chama mudam, conforme o
esquema da Figura 6.3.
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CHAMAS LAMINARES E
TURBULENTAS
Para os jatos de baixa velocidade a taxa de mistura com ar
estagnado é baixa e a chama é longa e suave (laminar).
O comprimento da chama laminar aumenta quase que
linearmente com a velocidade do jato até um ponto onde a chama
começa a se tornar turbulenta.
Deste ponto, o comprimento da chama diminui devido ao rápido
processo de mistura turbulenta.
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CHAMAS LAMINARES E
TURBULENTAS
Na região de completo desenvolvimento turbulento, o aumento do
número de Reynolds praticamente não afeta mais o comprimento
da chama, sendo que a justificativa para esse fato é que nessa
região o aumento da taxa de mistura entre combustível é
aproximadamente proporcional ao número deReynolds (Turns,
1996).
A chama turbulenta emite som mais intenso do que a chama
laminar e a luminosidade amarela devido à presença de fuligem
também reduz com a turbulência.
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CHAMAS LAMINARES E
TURBULENTAS
A transição para uma chama completamente turbulenta é
caracterizada por um número de Reynolds, que é diferente para
cada tipo de combustível, indicando que além da mecânica dos
fluidos, a cinética química também tem um importante papel no
comportamento da chama.
Número de Reynolds de transição para chama de jato de
combustível em ar estagnado.
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CHAMAS LAMINARES E
TURBULENTAS
O intenso aumento da velocidade do jato pode atingir um ponto
onde a chama distancia-se da saída do orifício de injeção (“Lifted
flame” na língua inglesa), exibindo uma zona sem reação química
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CHAMAS LAMINARES E
TURBULENTAS
Um aumento ainda maior da velocidade do jato pode levar ao
“blowoff”, ou seja, a chama é levada pelo jato e se extingue.
A ocorrência de uma chama difusiva estável, lifited, ou blowoff,
dependerá do número de Reynolds do jato difusivo e do diâmetro
do orifício que emerge o jato.
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CHAMAS LAMINARES E
TURBULENTAS
A explicação para ocorrência do lift e do blowoff
ainda é assunto de discussão entre
pesquisadores.
Contudo, a teoria originalmente discutida por
Wohl et al. (1949) ainda é bastante aceita e
assume que para escoamentos com alta
velocidade a região próxima à saída do jato
comporta-se como uma chama pré-misturada
turbulenta.
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CHAMAS LAMINARES E
TURBULENTAS
A injeção do combustível em uma
atmosfera estagnada de oxidante
gera uma situação onde não há
controle sobre o processo de mistura
entre os reagentes.
No entanto, isso pode ser feito
utilizando dois tubos concêntricos,
onde o combustível flui no tubo
interno e o oxidante no externo.
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CHAMAS LAMINARES E
TURBULENTAS
Se os fluxos forem ajustados
com velocidade igual, uma
chama laminar será
estabelecida;
Por outro lado, diferentes
velocidades produzirão um
cisalhamento na interface dos
fluxos, induzindo a
turbulência.
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CHAMAS LAMINARES E
TURBULENTAS
O combustível move-se da região central do jato em direção à frente de chama, em função do gradiente de concentração, enquanto que o oxidante faz justamente o contrário.
Ambos são consumidos na zona de chama e os produtos e inertes difundem para ambos os lados
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LUMINOSIDADE
A luminosidade de uma chama difusiva é outra característica interessante de ser analisada.
Normalmente, a luminosidade da base da chama é bastante fraca e de coloração azulada, situação característica da não presença de fuligem.
Nesta região, em razão da velocidade do jato ainda ser relativamente alta, existe a possibilidade que o ar carreado para frente de chama misture-se adequadamente com o combustível, evitando zonas de combustão com temperatura elevada e deficiência local de oxidante, o que favorece a formação de fuligem.
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LUMINOSIDADE
Nos comprimentos mais elevados da chama,
considerável quantidade de fuligem pode existir, e
a chama apresenta uma coloração amarelada; Ram
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LUMINOSIDADE
Para combustíveis com menos propensão à formação de fuligem, como é o caso do metano, a presença de região de chama azulada é mais pronunciada do que a região amarelada da fuligem.
A menor formação de fuligem em chamas de metano e gás natural pode ser atribuída à intensa difusão de moléculas no envelope da chama, praticamente eliminando as condições para a pirólise das moléculas de CH4 e, conseqüentemente, a formação de micropartículas de carbono (Gitman, 1986).
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LUMINOSIDADE
A presença de fuligem ou não na região de chama
irá influenciar consideravelmente o total de calor
transferido da chama por radiação.
Para combustíveis com alta taxa de formação de
fuligem, o calor perdido por radiação em razão da
presença da fuligem representa uma grande
parcela do total de calor transferido por radiação.
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