combustÍveis e combustÃo‡Ão-2013 3 a queima de uma gota de combustível em um ambiente...
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COMBUSTÍVEIS E COMBUSTÃO
PROF. RAMÓN SILVA
Engenharia de Energia
Dourados MS - 2013
COMBUSTÃO DE LÍQUIDOS
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INTRODUÇÃO
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A Queima de uma Gota de Combustível em um Ambiente Estacionário
Na queima de uma gota individual em uma atmosfera oxidante: o combustível é
evaporado da superfície do líquido e difunde para a chama, enquanto o oxigênio
difunde do ambiente também para a chama.
Esquema de uma gota singular de combustível
queimando em atmosfera estacionária.
Forma da chama: pode ser esférica ou não.
Chamas não esféricas: ocorrem devido ao movimento
relativo entre a gota e os gases circundantes.
Gotas muito pequenas: facilmente arrastadas pelos gases;
velocidade relativa quase nula; chama de difusão esférica.
GOTA ESFÉRICA
O processo de combustão do diesel é heterogêneo,
pois na câmara de combustão o combustível está
em estado líquido e o oxigênio do ar no estado
gasoso.
Quando o combustível foi injetado primeiramente
ocorre a dispersão dele em pequenas gotículas,
depois gotículas aquecem-se entrando em contato
físico com o ar quente.
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GOTA ESFÉRICA
Devido à transferência do calor as
gotículas se-aquecem.
Sabemos que o diesel é uma mistura de
vários hidrocarbonetos. Mais leves têm a
temperatura de ebulição por volta de 200
°C e mais pesados até a 400 °C.
A medida do aquecimento da gotícula a
temperatura dela aumenta e da superfície
da gotícula começam evapora-se
primeiramente frações mais leves do diesel
e depois mais pesadas até a evaporação
completa da gotícula
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GOTA ESFÉRICA
Os vapores de combustível misturam-se como ar, aquecem-se até a temperatura deinflamação e inflamam na zona de Φ =1.
Uma frente de chama de difusão estabelece-se em torno da gotícula em uma distância dasuperfície da gotícula.
Em torno da gotícula forma-seuma camada de vapores que se difundepara o meio em redor da gotícula.
Ao encontro do vapores difunde o oxigênio do ar
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GOTA ESFÉRICA
A final em uma distância Rest da
superfície da gotícula estabelece-se a
relação estequiométrica entre os vapores
de substâncias evaporadas do combustível
e o oxigênio do ar.
Exatamente aqui se estabelece a frente da
chama que forma uma esfera em torno da
gotícula.
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GOTA ESFÉRICA
O valor de raio estequiométrico Rest é de 4
- 10 vezes maior que o diâmetro da
gotícula Rest=(4 - 10)Rg,, pois o valor do
raio Rest, fortemente depende do raio da
gotícula Rg
Também, depende da temperatura na zona
de combustão e da pressão na câmara de
combustão.
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GOTA ESFÉRICA
Com aumento da temperatura e da pressão o raio diminui Em uma distância R<Restprevalecem vapores de combustível e a mistura é rica.
A concentração dos vapores diminui com o aumento da distância de gotícula.
Na zona, onde R>Rest estão produtos de combustão em mistura com o ar que se difunde em direção a chama.
Na frente da chama (Rchama = Rest) a temperatura é máxima, ela diminui em ambos os lados de Rest .
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GOTA ESFÉRICA
A temperatura diminui mais bruscamente
em direção a gotícula por causa do gasto
do calor com o aquecimento da gotícula e a
evaporação do combustível.
Na teoria de combustão é considerado que
a velocidade da combustão de uma gotícula
é determinada pela:
- velocidade de evaporação da gotícula da
superfície;
- velocidade de reações químicas;
- velocidade de difusão do ar para a zona de
combustão.
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GOTA ESFÉRICA
A velocidade das reações químicas é muito alta em comparação
com outros processos que ocorrem na câmara de combustão, por
isso ela não influi sobre a velocidade de combustão da gotícula.
A quantidade do oxigênio que se difunde para a zona de
combustão, depende do raio Rest ao quadrado (área de esfera é
de 4=R2 ), e a falta do oxigênio só aumenta o Rest.
Por isso o fator dominante que determina o tempo de combustão
da gotícula é o tempo de evaporação da gotícula.
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GOTA ESFÉRICA
O tempo de evaporação do combustível na câmara de combustão
depende da área da superfície total das gotículas.
Quanto maior for a área total das gotículas tanto mais rápido
será o aquecimento, evaporação e combustão delas.
Por isso para assegurar a combustão rápida é necessário
pulverizar bem o combustível.
Quanto mais fino for pulverizado o combustível, tanto maior será
a área total de superfície das gotículas e tanto mais rápido elas
se queimam.
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GOTA ESFÉRICA
Períodos distintos durante a queima de uma gota de
combustível
Retardo de ignição. Não há ainda combustão; a gota é vaporizada
pelos gases quentes em seu redor até atingir mistura capaz de
sustentar combustão.
Queima da gota propriamente dita. Durante este período, que
corresponde à maior parte da queima, a gota é consumida de acordo
com a lei D2.
Queima residual. A gota já não existe mais; são queimados os gases
residuais de sua vaporização.
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LEI D2 DA EVAPORAÇÃO
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tDD 20
2 D: diâmetro instantâneo da gota,
D0: diâmetro inicial da gota,
t: tempo,
λ: constante de evaporação.
Na combustão, a lei D2 também vale.
Neste caso, é chamada constante de queima, e situa-se no intervalo
3,6x10-3 cm2.s-1 – 35,6x10-3 cm2.s-1.
Para hidrocarbonetos queimando em ar, temos = (10 2) cm2.s-1.
LEI D2 DA EVAPORAÇÃO
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Tempo de queima
O tempo de queima, tq, desconsiderando o retardo de ignição e a
queima residual, é obtido fazendo D = 0:
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q
Dt
LEI D2 DA EVAPORAÇÃO - EXEMPLO
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Hidrocarbonetos em ar: tq = 100 D02 (para D0 inserido em cm);
tq = D02 (para D0 inserido em mm).
Ordem de grandeza de tq (hidrocarbonetos em ar)
D0 (mm) tq (s)
10 100
1 1
0,1 0,01
0,01 0,0001
SPRAYS
Tamanho de Partículas em Sprays
Durante a combustão de um spray as gotas não estão mais em uma atmosfera
totalmente oxidante. O comprimento de chama é controlado pelo:
a) processo de vaporização das gotas ou
b) processo de difusão do oxigênio.
Se a taxa de vaporização das gotas for muito maior que a taxa de difusão do
oxigênio, a combustão será governada por leis de chamas de difusão do gás.
Na combustão de um spray, depende do projeto do injetor e da distribuição
inicial das gotas.
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SPRAYS
Tamanho de Partículas em Sprays
Há diferentes maneiras de descrever o tamanho característico das partículas em
um spray.
Diâmetro mediano de volume, VMD: diâmetro para o qual 50 % do volume total do líquido
nebulizado é composto de gotas menores que o próprio VMD.
Diâmetro mediano de massa, MMD: definição similar à do VMD.
Diâmetro médio de Sauter, SMD: também chamado de D32, é o diâmetro de uma gota do spray que
possui a mesma razão volume/área superficial do spray global:
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i
2ii
i
3ii
32Dn
Dn
DSMD Obs.: na prática, MMD/SMD = 1,20, com um erro de 5%.
ATOMIZAÇÃO
A queima de combustíveis líquidos se processa nos seguintes
estágios sucessivos:
1) atomização, onde o combustível é desagregado, por processos mecânicos, em
pequenas gotículas;
2) vaporização, onde o combustível atomizado passa para a fase gasosa, através
do calor conduzido da chama para as gotas;
3) mistura, onde o combustível, na fase gasosa, é misturado com o comburente,
constituindo a mistura inflamável;
4) combustão, na qual a mistura queima produzindo reações exotérmicas.
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ATOMIZAÇÃO
Exemplo
Raio da gotícula 5 x 10-4
Número de gotas
Aumento de área
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ATOMIZAÇÃO
Exemplo
A área das gotas aumentou 60.000 vezes
Ou seja, a atomização é um processo muito
eficiente para promover o aumento da superfície
para queima.
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ATOMIZAÇÃO
Sprays podem ser produzidos de vários modos.
Essencialmente o que se precisa é de uma alta velocidade
relativa entre o líquido a ser atomizado e o ar ou gás
circundante.
Alguns atomizadores fazem isso descarregando o líquido a
alta velocidade em uma corrente de ar ou gás movendo-se
lentamente.
Um modo alternativo é expor uma folha ou jato de líquido
em baixa velocidade a uma corrente de ar em alta
velocidade.
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ATOMIZAÇÃO
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ATOMIZAÇÃO
Quando o combustível líquido é injetado a alta pressão o
jato desintegra-se através da formação de ondas de
instabilidade.
Este modelo é conhecido como mecanismo de Rayleigh e
promove a quebra consecutiva das gotas até que um
diâmetro ótimo seja atingido.
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ATOMIZAÇÃO
Dois parâmetros adimensionais importantes na formação
de instabilidades do mecanismo de Rayleigh são:
o número de Reynolds, relação entre forças inerciais e
viscosas, e
o número de Weber, razão entre as forças de momento e a
tensão superficial.
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ATOMIZAÇÃO
Dois parâmetros adimensionais importantes na formação
de instabilidades do mecanismo de Rayleigh são:
o número de Reynolds, relação entre forças inerciais e
viscosas, e
o número de Weber, razão entre as forças de momento e a
tensão superficial.
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ATOMIZAÇÃO
De acordo com Reitz, foram encontrados os seguintes
quatro regimes de ruptura à medida que a velocidade era
progressivamente aumentada.
Ruptura de Rayleigh
Primeira ruptura por vento induzido
Segunda ruptura por vento induzido
Atomização
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ATOMIZAÇÃO
Ruptura de Rayleigh.
É causada pelo crescimento de oscilações
axissimétricas na superfície do jato, induzidas
pela tensão superficial.
Diâmetros das gotas excedem o diâmetro do
jato.
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ATOMIZAÇÃO
Primeira ruptura por vento induzido.
O efeito da tensão superficial é aumentado pela
velocidade relativa entre o jato e o gás
ambiente, que produz uma distribuição de
pressão estática através do jato, acelerando o
processode ruptura.
Como no regime 1 a quebra ocorre muitos
diâmetros a jusante dagarganta.
Os diâmetros das gotas são aproximadamente
da ordem do diâmetro do jato.
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ATOMIZAÇÃO
Segunda ruptura por vento induzido.
As gotas são produzidas pelo crescimento de
ondas curtas de superfície instáveis sobre a
superfície do jato causadas pelo movimento
relativo entre o jato e o gás ambiente.
Este crescimento da onda é contrariado pela
tensão superficial.
A quebra ocorre vários diâmetros à jusante da
garganta.
Os diâmetros das gotas formadas são muito
menores do que o diâmetro do jato.
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ATOMIZAÇÃO
Atomização.
O jato rompe-se totalmente na saída da
garganta.
As gotas são formadas aleatoriamente e com
diâmetros muito menores do que o diâmetro do
jato.
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ATOMIZADORES
Sprays podem ser produzidos de vários modos. Tudo o que se
necessita é uma alta velocidade relativa entre o líquido a ser
atomizado e o ar ou gás das circunvizinhanças.
Alguns atomizadores atingem esse objetivo pela descarga do
líquido em alta velocidade em um meio gasoso que se move
lentamente, tais como os atomizadores por pressão e
atomizadores rotativos o qual ejeta o líquido em alta
velocidade da periferia de um disco rotativo ou copo.
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ATOMIZADORES
Atomizadores por pressão
Quando um líquido é descarregado através de uma pequena
abertura sob uma alta pressão aplicada,
A pressão é convertida em energia cinética (velocidade)..
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ATOMIZADORES – ORIFÍCIO PLANO
Um orifício plano simples é usado para
injetar um jato cilíndrico no ar ou gás das
vizinhanças.
Atinge-se uma atomização bastante fina com
pequenos orifícios, mas na prática devido à
dificuldade de se obter líquidos livres de
impurezas sólidas (partículas) o orifício
mínimo situa-se no entorno de 0,3mm.
Aplicações típicas desse tipo de injetor são:
pós-queimadores de turbojatos, ramjets e
motores foguete.
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ATOMIZADORES – PRESSURE SWIRL
Este atomizador consta de um orifício circular de saída precedido de
uma pré-câmara dentro da qual vários orifícios ou ranhuras
tangenciais injetamcombustível.
O líquido girando cria um núcleo de ar ou gás que se estende do
orifício de descarga até o fundo da câmara de turbilhão.
O líquido emerge do orifício de descarga como um filme líquido de
formato cone oco que se desintegra em um spray fino.
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ATOMIZADORES – ROTATIVOS
Um dos tipos mais utilizados de atomizadores rotativos compreende
um disco em alta rotação com o líquido sendo alimentado no centro
do disco.
O líquido escoa radialmente para a periferia do disco e é
descarregado de sua periferia pela alta velocidade tangencial
adquirida.
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ATOMIZADORES – ASSISTIDO POR AR
Neste tipo de atomizador o líquido é exposto a uma corrente de ar
ou vapor de alta velocidade.
No tipo mistura interna,o gás e o líquido misturam-se dentro da
garganta antes de descarregar através do orifício de saída.
O líquido algumas vezes é alimentado através de ranhuras ou furos
tangencias para fornecer uma descarga de padrão cônico.
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REFERÊNCIAS
Andrade Jr.. J. A. Carvalho, McQuay, M. Q. Princípios de
Combustão Aplicada – UFSC – 2007
Lacava, P.T., AC-265 – Elementos de Combustão – Instituto
Tecnológico de Aeronáutica, 2009 .
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