COMBUSTÍVEIS E COMBUSTÃO

PROF. RAMÓN SILVA

Engenharia de Energia

Dourados MS - 2013

CHAMAS DIFUSIVAS

Ram

ón

Silv

a -

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13

2

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

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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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2

i

i2

ii

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.

Ram

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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

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

.

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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VELAR

am

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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

ón

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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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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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