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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.
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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.
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Energia Mínima de Ignição
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.
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Energia Mínima de Ignição
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.
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Energia Mínima de Ignição
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.
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Energia Mínima de Ignição
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
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Energia Mínima de Ignição
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.
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Energia Mínima de Ignição
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.
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Energia Mínima de Ignição
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.
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Energia Mínima de Ignição
Fig. 6.1. Resultados de medições de distância de extinção e
energia mínima de ignição usando uma faísca obtida por
descarga capacitiva.
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Energia Mínima de Ignição
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.
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Energia Mínima de Ignição
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.
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Energia Mínima de Ignição
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.
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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
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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
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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).
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Energia Mínima de Ignição
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.
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Energia Mínima de Ignição
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).
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Energia Mínima de Ignição
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).
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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.
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Limites de Inflamabilidade
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.
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Limites de Inflamabilidade
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.
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Limites de Inflamabilidade
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
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Limites de Inflamabilidade
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.
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Limites de Inflamabilidade
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.
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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
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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).
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Regra de Le Châtelier
Regra de Le Châtelier
(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
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Regra de Le Châtelier
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
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Regra de Le Châtelier
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.
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Regra de Le Châtelier
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).
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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).
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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).
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Efeito da Pressão
Fig. 6.9. Limites de
inflamabilidade de
misturas ar-combustível
em função da pressão e
da riqueza da mistura.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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Pedro de F. V. Carvalheira, DEM-FCTUC 41
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.