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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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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