Combustão-Ignicao e Inflamabilidade

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Combustão

Ignição de Misturas Oxidante-Combustível e Extinção de Chamas

de Pré-Mistura

Pedro de Figueiredo Vieira Carvalheira

Professor Auxiliar, DEM-FCTUC

Combustão - Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica - 4º Ano - Ano Lectivo 2012-2013

Pedro de F. V. Carvalheira, DEM-FCTUC 2

Ignição de Misturas Ar-Combustível

A ignição de misturas ar-combustível pode ser provocada

ou espontânea.

A ignição provocada tem origem num fornecimento

localizado de energia à mistura ar-combustível.

A ignição espontânea tem origem no aquecimento

progressivo da mistura ar-combustível causado pelas

reacções químicas que ela vai sofrendo.

Entre as formas mais habituais de ignição provocada

temos: a descarga eléctrica (faísca), a chama piloto e a

superfície quente.



Energia Mínima de Ignição

A energia mínima de ignição é a menor quantidade de

energia que deve ser adicionada a um sistema para iniciar a

propagação de chama.

O seu valor é bastante dependente da taxa local, do método

de adição de calor e da geometria da fonte de calor.

A distância de extinção é definida como a maior dimensão

do canal que tão só impedirá a propagação de chama se

não houver uma diferença de pressão elevada ao longo do

canal. Os valores da distância de extinção são dependentes

da geometria experimental.




As misturas ar-combustível podem ser inflamadas

homogeneamente em experiências com recipientes e

também podem ser iniciadas por adição rápida de calor

numa região localizada do gás.

Neste último caso a ignição bem sucedida pode dar origem

à propagação de uma chama ou de uma detonação. À

medida que a quantidade de energia é reduzida para

qualquer técnica de ignição, a detonação directa deixa de

ocorrer e poderão observar-se chamas a propagar-se a

partir da fonte.




Reduzindo ainda mais a quantidade de energia que é

adicionada ao fluido continua a produzir-se propagação de

chama ordinária até que a energia mínima de ignição para

essa configuração de fonte é atingida. Neste ponto somente

uma pequena quantidade de gás combustível é convertida

em produtos e a energia é dissipada de modo inofensivo

por condução térmica.




Uma grande diversidade de fontes e configurações de fontes de ignição foram usadas para estudar a ignição de chamas experimentalmente.

Contudo uma faísca obtida por descarga capacitiva deu de modo consistente as menores energias de ignição para qualquer mistura combustível específica.

Para a determinação experimental da energia de ignição utilizam-se condensadores de elevado desempenho (geralmente de folga de ar) de tal modo que a quase totalidade da energia armazenada no condensador apareça na faísca.




A energia armazenada no condensador pode ser calculada

utilizando a Eq. (6.1).

(6.1)

Onde C é a capacitância do condensador e V a diferença de

potencial entre os eléctrodos imediatamente antes do gás

ser atravessado pela faísca.

2

2

1CVE




A faísca deve ser sempre produzida por uma ruptura

espontânea da folga porque um circuito de disparo

electrónico ou um eléctrodo de disparo poderiam impedir a

medição da energia da faísca ou alterar consideravelmente

a geometria da fonte de ignição.

Descobriu-se experimentalmente que para este tipo de

faísca espontânea até 95 % da energia armazenada aparece

no núcleo quente em menos de 10-5 s.




As perdas pensa-se que são devidas primariamente a

condução de calor para os eléctrodos.

Uma vez que a energia total armazenada pode ser variada

mudando quer a capacidade quer a tensão, o espaçamento

dos eléctrodos (que é proporcional à tensão na ruptura)

pode ser variado como um parâmetro independente.




Surgem agora dois problemas: se o espaçamento do

eléctrodo é muito pequeno os eléctrodos interferirão com a

propagação da chama incipiente e a energia aparente de

ignição aumentará.

Se, contudo, o espaçamento for muito grande a geometria

da fonte tornar-se-á essencialmente cilíndrica e a energia

de ignição também aumentará porque a área da chama

incipiente é grandemente aumentada nesta geometria. Esta

condição é mostrada esquematicamente na Fig. 6.1.




Fig. 6.1. Resultados de medições de distância de extinção e

energia mínima de ignição usando uma faísca obtida por

descarga capacitiva.




O facto de que o aumento da energia mínima de ignição é

devido a extinção para folgas dos eléctrodos pequenas

pode ser confirmado usando eléctrodos com flanges com

material isolante eléctrico.

A Fig. 6.1 mostra o efeito de usar eléctrodos com flanges

na energia de ignição para pequenas folgas. Note que

abaixo de um dado espaçamento, à medida que a folga é

reduzida a energia requerida para iniciar a massa de gás

aumenta muito mais rapidamente para pontas com flanges.




Este espaçamento crítico das flanges é definido como a

distância de extinção de placa plana da chama. Assim, esta

experiência simples pode ser usada para determinar a

distância de extinção de placa plana e a energia mínima de

ignição para geometria esférica e pode ser usada para

avaliar se determinada fonte de ignição é essencialmente

esférica ou cilíndrica.




Deve-se notar que, em geral, as energias mínimas de

ignição são extremamente baixas - nalguns casos

correspondendo à passagem de uma faísca quase não

audível através da mistura. De facto, é bem conhecido que

faíscas electrostáticas podem provocar a ignição de muitas

misturas explosivas.



Distância de Extinção

A relação entre a distância de extinção característica e a

geometria do tubo de extinção foi desenvolvida

teoricamente e confirmada experimentalmente em muitas

ocasiões. A teoria prevê que o diâmetro de extinção de um

tubo circular deve-se relacionar com a distância de

extinção de placas paralelas pela Eq. (6.2).

(6.2) 0|| 65,0 dd



Distância de Extinção

Existe ainda uma correlação entre a energia mínima de ignição

e a distância de extinção entre duas placas planas paralelas,

para misturas ar-hidrocarboneto, que é traduzida pela Eq. (6.3)

e está representada na Fig. 6.2.

(6.3)

(6.4)

Onde Emin tem as unidades de mJ e d tem as unidades de

milímetros.

06,2

||min

06,2

|| 095,0035,0 dEd

06,2/1

min||

06,2/1

min

035,0095,0

Ed

E



Energia Mínima de Ignição e Diâmetro de Extinção

Fig. 6.2. Relação entre a

distância de extinção de placas

planas e a energia mínima de

ignição para um número de

misturas ar-hidrocarboneto (B.

Lewis and G. von Elbe,

Combustion, Flames and

Explosions of Gases, 1st ed.,

Academic, New York, 1951).




A energia mínima de ignição de uma mistura ar-

combustível depende do combustível, da riqueza da

mistura ar-combustível, da sua pressão inicial e da sua

temperatura inicial. A Fig. 6.3 mostra a evolução da

energia mínima de ignição de misturas ar-combustível com

a riqueza que incluem diferentes combustíveis, estando as

misturas à pressão inicial de 100 kPa e à temperatura

ambiente.




Fig. 6.3. Evolução da

energia mínima de

ignição com a riqueza

para várias misturas ar-

combustível, mostrando

os efeitos da difusão

preferencial (B. Lewis

and G. von Elbe,

Combustion, Flames and

Explosions of Gases,

2nd ed., Academic, New

York, 1961).




Fig. 6.4. Efeito da pressão,

diluição com nitrogénio e da

riqueza na distância de

extinção de placa plana, e na

energia mínima de ignição por

faísca de misturas propano-

oxigénio (B. Lewis and G. von

Elbe, Combustion, Flames and

Explosions of Gases, 2nd ed.,

Academic, New York, 1961).



Limites de Inflamabilidade

Salvo raras excepções, qualquer mistura gasosa

combustível-oxidante suportará propagação de chama de

pré-mistura somente se a concentração de combustível

estiver dentro de determinado intervalo, limitado por

algum limite superior e algum limite inferior. Fora deste

intervalo uma chama não se propagará uma grande

distância desde a fonte de ignição. Do ponto de vista da

segurança, quando o oxidante é o ar, o mais importante

destes limites é o limite de inflamabilidade inferior (lower

flammability limit, LFL, ou lower explosion limit, LEL,

usando a nomenclatura inglesa) LFL.




Do ponto de vista da segurança, quando o oxidante é o ar, o mais importante destes limites é o limite de inflamabilidade inferior (lower flammability limit, LFL, ou lower explosion limit, LEL, usando a nomenclatura inglesa) LFL.

O limite de inflamabilidade superior (upper flammability limit, UFL, ou upper explosion limit, UEL, usando a nomenclatura inglesa) UFL, pode ser importante sob determinadas condições, mas elas não são importantes de um ponto de vista de segurança porque a diluição com mais ar pode levar a que uma mistura rica não inflamável se torne inflamável.




O U.S. Bureau of Mines em Pittsburgh, Pennsylvania,

identificou uma técnica particular para determinar os

limites de inflamabilidade como sendo a sua técnica

padrão. Nesta técnica um tubo com 2“ (50,8 mm) de

diâmetro interior e 5 ft (1,524 m) de comprimento é

montado verticalmente e fechado na extremidade superior

ficando a extremidade inferior aberta para a atmosfera.




Fig. 6.5. (a) Tubo padrão em vidro para medição experimental dos

limites de inflamabilidade de gases pré-misturados e (b) a celeridade

de chama laminar em função da relação F/A e da temperatura inicial




A mistura ar-combustível cuja inflamabilidade se pretende testar é colocada no tubo e inflamada na extremidade inferior. Se a chama se propaga ao longo de todo o comprimento do tubo até à extremidade superior a mistura é dita inflamável.

Se a chama se extingue algures ao longo do tubo durante a propagação a mistura é dita não inflamável. A escolha desta técnica como técnica padrão é o resultado de muita investigação. Concretamente, sabe-se que a propagação na direcção ascendente num tubo deste tipo exibe limites de inflamabilidade mais largos que na direcção descendente.




De facto se colocarmos uma mistura cuja composição fica

entre a do limite na direcção ascendente e a do limite na

direcção descendente e a iniciarmos ao centro verifica-se

que a chama se propaga até ao topo do vaso e queima

somente uma fracção do material presente no vaso antes de

se extinguir, deixando uma quantidade bastante razoável

de mistura ar-combustível por queimar.



Limites de Inflamabilidade Tabela 6.1. Limites de inflamabilidade de algumas misturas ar-combustível e

O2-combustível comuns (% em moles de combustível)

Obtido de M.G. Zabetakis, Flammability Characteristics of Combustible Gases and Vapors, U.S. Department of Mines Bulletin 627 (1965).

Combustível Oxidante Limite de Inflamabilidade

Inferior

Limite de Inflamabilidade

Superior

Hidrogénio (H2) Ar 4,0 75,0

CO (Saturado em

água a 18 °C)

Ar 12,5 74,0

Acetileno (C2H2) Ar 2,5 100,0

Metano (CH4) Ar 5,0 15,0

Propano (C3H8) Ar 2,1 9,5

Butano (C4H10) Ar 1,8 8,4

Hidrogénio (H2) O2 4,0 95,0



Regra de Le Châtelier

Em 1898 Le Châtelier e Boudouard propuseram uma regra para determinar o limite de inflamabilidade inferior de uma mistura de dois gases combustíveis, a partir dos limites de inflamabilidade conhecidos dos constituintes da mistura.

Se designarmos por LFLm a percentagem em volume da mistura de combustível no limite de operação pobre e por LFL1, LFL2, …, LFLn a percentagem em volume dos limites de inflamabilidade inferiores dos n constituintes combustíveis e por x1, x2, …, xn a fracção molar de cada constituinte combustível na mistura, uma forma generalizada da Regra de Le Châtelier é dada pela Eq. (6.4).





(6.4)

Se o combustível contem um diluente inerte como o azoto

ou o dióxido de carbono o limite pobre pode ainda ser

calculado não incluindo o inerte na Eq. de Le Châtelier.

n

n

m

LFL

x

LFL

x

LFL

xLFL

...

1

2

2

1

1




Por exemplo o limite pobre para o metano no ar é 5 %. Se

o metano for diluído com um inerte e esta mistura for

usada como combustível o limite pobre para esta mistura

será:

(6.5)

Onde x1 é a fracção molar de CH4 na mistura combustível.

11

5

05

1

xxLFLm




A Eq. de Le Châtelier funciona bastante bem se a mistura

combustível contém hidrogénio, monóxido de carbono ou

hidrocarbonetos vulgares. Não dá bons resultados para

compostos fora do comum como disulfido de carbono, ou

quando estão presentes inibidores.




Fig. 6.6. O efeito de inertes e

inibidores nos limites de

inflamabilidade do metano e

dos alcanos. (adaptado de M.G.

Zabetakis, Flammability

Characteristics of Combustible

Gases and Vapors, U.S.

Department of Mines Bulletin

627 (1965).



Efeito da Pressão

Fig. 6.7. Zona de inflamabilidade de misturas ar-gás natural a pressões subatmosféricas (adaptado de Lewis e von Elbe, baseado no trabalho original de Jones e Kennedy do Bureau of Mines, Report of Investigation No. 3798, 1945).



Efeito da Pressão

Fig. 6.8. Limites de inflamabilidade de misturas ar-gás natural a pressões superiores à pressão atmosférica (adaptado de Lewis e von Elbe, baseado no trabalho original de Jones, Kennedy e Spolan do Bureau of Mines, Report of Investigation No. 4557, 1949).



Efeito da Pressão

Fig. 6.9. Limites de

inflamabilidade de

misturas ar-combustível

em função da pressão e

da riqueza da mistura.



Ignição Térmica

A ignição espontânea tem origem no aquecimento

progressivo da mistura ar-combustível causado pelas

reacções químicas que ela vai sofrendo. Um parâmetro que

serve para caracterizar a ignição espontânea de uma

mistura oxidante-combustível é a temperatura de ignição

espontânea, designada na literatura anglo-saxónica por

autoignition temperature. A temperatura de ignição

espontânea varia com as características dos aparelhos (por

exemplo a geometria da superfície aquecida), as condições

do ensaios (por exemplo a pressão), e com o procedimento

utilizados para a sua medição.



Flash Point O flash point é um indicador da temperatura máxima à qual um

combustível líquido pode ser armazenado e manipulado sem um sério risco de incêndio. O flash point é a temperatura mínima à qual um combustível se inflamará rapidamente quando exposto a uma chama aberta localizada acima do líquido. Um exemplo da importância do flash point é a inflamabilidade da mistura acima do combustível líquido num reservatório de combustível parcialmente cheio. A gasolina, que tem um flash point de -43 ºC, é tão volátil que a mistura é demasiado rica para queimar. O gasóleo (Diesel fuel nº 2), que tem um flash point de 52 ºC, é tão pouco volátil que a mistura é demasiado pobre para queimar. Contudo, misturas de gasolina-gasóleo ou combustíveis alternativos como o metanol podem colocar um problema.



Flash Point Há dois tipos básicos de medições do flash point. Taça aberta e taça fechada.

Em dispositivos de taça aberta a amostra é contida numa taça aberta que é aquecida, e em intervalos uma chama é trazida sobre a superfície.

Os dois tipos de medidores de taça fechada são; os de não equilíbrio, como o de Pensky-Martens onde os vapores acima do líquido não estão em equilíbrio térmico com o líquido; e os de equilíbrio, tais como os de pequena escala onde os vapores do líquido são obrigados a estar em equilíbrio térmico com o líquido. Os testadores de taça fechada dão normalmente valores de flash point inferiores aos dos testadores de taça aberta (tipicamente 5-10 ºC).

Os métodos para medir o flash point de um líquido estão especificados em muitas normas. Por exemplo testar pelo método da taça fechada de Pensky-Martens está especificado nas normas ASTM D93, ISO 2719, DIN 51758 e outras. A determinação do flash point pelo método da taça fechada de pequena escala está especificado nas normas ASTM D3828, ASTM 3278, EN ISO 3679 e 4680, DIN 51758 e outras.



Temperatura de Ignição Espontânea

A temperatura de ignição espontânea é a menor temperatura requerida para iniciar uma combustão auto-sustentada num recipiente padrão em ar atmosférico na ausência de uma faísca ou chama. Por exemplo a temperatura de ignição espontânea da gasolina é 370 ºC. A tabela 6.1 apresenta valores para o flash point e a temperatura de ignição espontânea de combustíveis líquidos e gases puros seleccionados em ar

a 1 atm. A temperatura de ignição espontânea dos alcanos (parafínicos) diminui com o aumento da massa molar. O isooctano tem uma temperatura de ignição espontânea muito superior ao n-octano. O etano, o etileno e o etanol têm temperaturas de ignição espontânea progressivamente decrescentes. O monóxido de carbono tem uma temperatura de ignição espontânea elevada. Em geral a temperatura de ignição espontânea é um indicador da dificuldade relativa de queimar um combustível.



Flash Point e Temperatura de Ignição Espontânea

Substância Flash Point /ºC Temperatura de Ignição Espontânea /ºC

Metano -188 537

Etano -135 472

Propano -104 470

n-Butano -60 365

n-Octano 10 206

Isooctano -12 418

n-Cetano 135 205

Metanol 11 385

Etanol 12 365

Acetileno Gas 305

Monóxido de carbono Gas 609

Hidrogénio Gas 400

Tabela 6.1.

Flash point e temperatura de ignição espontânea de combustíveis puros no ar a 1 atm



Bibliografia

[1] Turns, S. R., An Introduction to Combustion, Concepts and

Applications, 2nd Ed., McGraw-Hill, 2000.

[2] Strehlow, R. A., Combustion Fundamentals, McGraw-Hill, 1985.

[3] B. Lewis and G. von Elbe, Combustion, Flames and Explosions of

Gases, 2nd ed., Academic, New York, 1961

[4] M.G. Zabetakis, Flammability Characteristics of Combustible

Gases and Vapors, U.S. Department of Mines Bulletin 627 (1965).

[5] Incropera, Frank P., and DeWitt, David P., Introduction to Heat

Transfer, 3rd Ed. John Wiley & Sons, Inc., New York, 1996.

Documents

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