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UNESP
Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá
Guaratinguetá
2007
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ANA MAURA ARAUJO ROCHA
ESTUDO EXPERIMENTAL DE CHAMAS DIFUSIVAS LIVRES
TURBULENTAS DE GÁS NATURAL SUBMETIDAS A OSCILAÇÕES ACÚSTICAS
Tese apresentada à Faculdade de Engenharia do
Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual
Paulista, para a obtenção do título de Doutor em
Engenharia Mecânica na área de Transmissão e
Conversão de Energia.
Orientador: Prof. Dr. Pedro Teixeira Lacava
Co-orientador: Prof. Dr. João Andrade de Carvalho
Júnior
Guaratinguetá
2007
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R672e
Rocha, Ana Maura Araujo
Estudo experimental de chamas difusivas livres turbulentas de gás
natural submetidas a oscilações acústicas /Ana Maura Araujo Rocha –
Guaratinguetá [s.n], 2007
195f. : il.
Bibliografia: f. 176-182
Tese(doutorado) – Universidade Estadual Paulista, Faculdade de
Engenharia do Campus de Guaratinguetá, 2007
Orientador: Prof. Dr. Pedro Teixeira Lacava
1. Combustão pulsante. 2. Chama turbulenta. 3. Emissão de
poluentes. 4. Tomografia de chama. I. Título
CDU 662.9
DADOS CURRICULARES
ANA MAURA ARAUJO ROCHA
NASCIMENTO 25.05.1972 – Silveiras / SP
FILIAÇÃO José Jair Rocha
Maria de Lourdes Araujo Rocha
1992/1997 Curso de Graduação em Engenharia Industrial Química
na Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de
São Paulo.
2000/2002 Curso de Pós-Graduação em Engenharia e Tecnologia
Espaciais, nível de Mestrado, no Laboratório Associado
de Combustão e Propulsão do Instituto Nacional de
Pesquisas Espaciais.
2002/2007 Curso de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica,
área de Transmissão e Conversão de Energia,
nível de Doutorado, na Faculdade de Engenharia do
Campus de Guaratinguetá da Universidade Estadual
Paulista.
à minha mãe, meus irmãos, meu amado pai
e ao meu querido Anton, que sempre me
incentivaram e nunca me deixaram desistir,
principalmente quando as “variáveis da
vida pareciam insolúveis”.
AGRADECIMENTOS
A Deus e à minha família.
ao Dr. João Andrade de Carvalho Júnior por acreditar em meu potencial e ter me
aceitado como sua orientada, obrigada pelo constante apoio profissional, bem como
pessoal e pela luta para conseguir “o melhor” para seus orientados.
ao Dr. Pedro Teixeira Lacava pela orientação nos ensaios experimentais, na análise
de resultados e pela paciência por estas orientações via celular nos sábados, domingos e
feriados.
ao LCP/INPE por permitir a realização de todos os testes experimentais no
Laboratório, por todo o apoio técnico e toda a infra-estrutura.
em especial ao chefe do LCP Dr. Demétrio Bastos Netto, este grande pesquisador e
ser humano, obrigada pelo apoio científico, profissional e pessoal durante todos estes anos
de pesquisa no LCP.
a todos os meus professores da UNESP e também aos pesquisadores e/ou meus ex-
professores (atuais amigos) do INPE, muitíssimo obrigada a todos, por todo o apoio e
amizade, os quais foram consolidados no decorrer destes sete anos de convivência.
ao pessoal do Ensaios (Ely, Chico, Aureliano Kalú, Giovany, Soró e aos amigos que
se foram: Netto, Luiz Carlos e Alexandre), obrigada pelo apoio nos testes e construção de
equipamentos. Ao Eng. Carlos Guedes Neto do Laboratório Prof. Feng/ITA, pela
confecção e solda dos termopares de fio fino. Ao amigo e Dr. César Botura pelo apoio no
sistema de aquisição de dados.
à toda a equipe do LCP, Ignês e Cida pelas constantes consultas às referências que
faltavam, à Franciane, Vânia, Sr. Otávio, José Carlos, ao pessoal (amigos) do suporte de
informática (Cris e Robertinho), aos doutores Osny, David, Wilson, Fernando Costa,
Marcio Mendonça, Gobbo, José Augusto enfim a todos os funcionários, bolsistas e
estagiários do LCP, obrigada pela ajuda.
a todos os amigos da cúpula que tive o prazer de conviver nestes anos, obrigada por
me “aturarem”. Aos meus amigos Adriana e “Japa” por estarem sempre dispostos a me
ouvir nos momentos em que precisava ser ouvida.
ao meu querido Anton, por todo a força nos momentos difíceis, tanto pessoais como
profissionais, obrigada do fundo do coração, você foi fundamental para a realização deste
trabalho.
Este trabalho contou com apoio financeiro das seguintes entidades
- FAPESP - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo – através de Bolsa
de Doutorado, Processo: 02/12802-0.
- CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - através de
Projeto CTPETRO n
o
: 501882/2003.
"O destino não é uma questão de sorte,
é uma questão de escolha; não é algo a se
esperar, é algo a se conquistar"
William Jennings Bryan
ROCHA, A. M. A. Estudo Experimental de Chamas Difusivas Livres Turbulentas de
Gás Natural Submetidas a Oscilações Acústicas. 2007. 196 f. Tese (doutorado em
Engenharia Mecânica) – Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá,
Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2007.
RESUMO
O processo de queima que se utiliza um campo acústico (combustão pulsante) para obter
oscilação acústica, apresenta algumas vantagens já estabelecidas na literatura, tendo-se
por referência o processo de queima convencional, podendo ser o campo acústico
induzido por atuadores externos ou não. Exemplos destas vantagens incluem a
minimização da emissão de poluentes e dos custos de investimento/operação, incluindo a
redução de consumo de combustíveis e a maximização das taxas de transferência
convectiva de calor. Entretanto, para sua aplicação prática, torna-se necessário o estudo
dos fenômenos que envolvem o processo de combustão, ainda não devidamente
equacionados. Desta forma, o objetivo principal deste trabalho é realizar uma criteriosa
investigação experimental sobre como os diversos parâmetros que controlam ou
descrevem a situação de queima em uma chama difusiva livre turbulenta de gás natural se
comportam com a presença de um campo acústico. Para tal foi adaptada uma instalação
(queimador de Delft), disponível no Laboratório Associado de Combustão e Propulsão do
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, com um sistema de atuação acústica. Tal
sistema operacional possui chama turbulenta difusiva de gás natural, tipo jato, tendo sido
escolhido, devido à sua geometria de chama ser mais simples e por apresentar na
literatura um banco de dados já disponível, no que se refere aos processos físicos e
químicos que ali se desenvolvem na situação sem atuação acústica, o que possibilita uma
melhor compreensão da influência acústica sobre tais processos.
PALAVRAS-CHAVE: Combustão pulsante, chama turbulenta difusiva, queimador de
Delft, redução na emissão de poluentes, gás natural, tomografia de chama.
ROCHA, A. M. A. Experimental Research of Natural Gas Diffusion Turbulent
Flames submitted to Acoustics Oscillations. 2007. 196 f. Tese (doutorado em
Engenharia Mecânica) – Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá,
Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2007.
ABSTRACT
A burning process using an acoustic field to obtain pulse combustion presents
potential advantages over the conventional combustion process. The acoustic field can be
introduced by external actuators or not. Examples of these advantages include
minimization of pollutants emission rates as well as of investment and operation cost
reductions and maximization of convective heat transfer rates. However, for practical
applications of pulse combustion it is necessary to further study the phenomena involved
in this process, which are still not properly known yet. The main objective of this work is
to conduct a though experimental investigation on the parameters that control and
describe combustion in a free turbulent diffusion flame of natural gas under an acoustic
field. An existing Delft burner was adapted for the study. This system was chosen
because, besides its simplicity, there is also an extensive data set in the literature,
describing the physical and chemical processes that occur under conventional combustion
operation, allowing a better understanding of the influence of the acoustic field.
KEYWORDS: Pulsating combustion, diffusion Turbulent Flame, Delft burner, decrease
in pollutants emissions, natural gas, flame tomography.
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 – Comparação de medidas da concentração de OH (mol/cm ) na chama III.
3
..............................................................................................................17
FIGURA 2 – Efeito da correção da interferência sobre a concentração média de OH a x
= 150mm na chama III .........................................................................17
FIGURA 3 – Comparação de medidas de temperatura a x = 200 mm (esquerda) e a
(esquerda) e a 100 mm (direita) na chama III......................................18
FIGURA 4 – Esquerda: Resultados dos sinais de interferência, mostrados através da
dispersão dos pontos a 615 nm (S ) versus fração de mistura em
x=50mm na chama III.A linha vertical mostra a posição da fração
estequiométrica da mistura
F615
ξ
=,071......................................................19
FIGURA 5 – Reservas provadas de petróleo, segundo regiões geográficas, 2005 (bilhões
b).....
......................................................................................................22
FIGURA 6 – Reservas provadas de gás natural, segundo regiões geográficas, 2005
(trilhões m )..
3
...........................................................................................22
FIGURA 7 – Distribuição percentual das reservas mundiais de gás natural..............23
FIGURA 8 – Distribuição percentual das reservas provadas de gás natural, segundo
regiões geográficas, 2005..
...................................................................23
FIGURA 9 – Mecanismo de Fenimore . .....................................................................31
FIGURA 10 – Emissão de poluentes em função da razão de equivalência..................32
FIGURA 11 – Esquema da saída do Queimador de Delft (à esquerda) e da estrutura
experimental, composta pela garganta e câmara que circundam o
queimador.
............................................................................................34
FIGURA 12 – Queimador de Delft original do LCP /INPE, (a) saída do queimador; (b)
montagem experimental e (c) fotografia da montagem.
.......................34
FIGURA 13 – Instalação Experimental do Queimador alterada para inclusão de sistema
acústico: (a) esquema, (b) fotografia e (c) detalhe da saída do queimador,
com a chama piloto acesa.
....................................................................36
FIGURA 14 – Esquema do Sistema de Atuação Acústica............................................39
FIGURA 15 – Sistema de Posicionamento (a) visão frontal, (b) visão lateral. ............40
FIGURA 16 – Esquema da Sonda dos Gases (dimensões em mm)..............................42
FIGURA 17 – Sistema de posicionamento acoplado com a Sonda de Gases...............43
FIGURA 18 – Esquema Geral da Instalação Experimental..........................................44
FIGURA 19 – (a) Esquema do Termopar Tipo R no interior do Tubo Cerâmico (b) e
Esquema da Sonda do Termopar de Fio Fino.
.....................................46
FIGURA 20 – (a) Sonda fixada no suporte, (b) Detalhe da extremidade onde são fixados
os fios de 38µm.
...................................................................................47
FIGURA 21 – Amostragem da tela do sistema de aquisição de dados.........................48
FIGURA 22 – Esquema do sistema de aquisição de imagens: 1) Chama a ser estudada; 2)
Filtro Ótico; 3) Câmera CCD; 4) Computador.
......................................49
FIGURA 23 – Esquema do Processo de Quimiluminescência e suas respectivas linhas de
emissão.
................................................................................................50
FIGURA 24 – Formação da imagem no sistema óptico e os principais parâmetros de uma
lente
......................................................................................................54
FIGURA 25 –Esquema do Tomógrafo inicialmente projetado para este trabalho.......57
FIGURA 26 – Esquema do segundo Tomógrafo..........................................................58
FIGURA 27 – Segundo tomógrafo acoplado com a CCD (a) Arranjo Experimental, (b)
detalhe deste próximo ao queimador.
......................................................59
FIGURA 28 - Esquema representando raios de luz sendo transformados em sinais
elétricos por uma câmera CCD (Charge Coupled Device), (Silva, 1999).
61
FIGURA 29 – Conjunto responsável pela aquisição de imagens para tomografia.......62
FIGURA 30 – Freqüências x Amplitudes de Pressão para o tubo, sem vazão de ar e sem
queima e temperatura ambiente de 26 C.
o
...............................................78
FIGURA 31 – Freqüências x Amplitudes de Pressão na Condição I, com escoamento de
ar primário, sem queima e temperatura ambiente de 24 C.
o
...................79
FIGURA 32 – Freqüências x Amplitudes de Pressão na Condição II, com escoamento de
ar primário, sem queima e temperatura ambiente de 24 C.
o
...................79
FIGURA 33 – Comparação das Freqüências x Amplitudes de Pressão para os testes
realizados.
.............................................................................................80
FIGURA 34 – Variação da amplitude de pressão com relação à freqüência dos
harmônicos no tubo, para as Condições I e II com e sem a Chama Piloto.
..............................................................................................................85
FIGURA 35 – Variação da tensão aplicada ao alto-falante, com relação à freqüência dos
harmônicos no tubo, para as Condições I e II com e sem a Chama Piloto.
..............................................................................................................86
FIGURA 36 – Comprimento da chama com a atuação acústica em 96 Hz e diferentes
amplitudes de pressão para a Condição II.
...........................................92
FIGURA 37 – Comparação do comprimento da chama para as Condições I e II, para
diferentes freqüências e diferentes amplitudes de pressão.
..................93
FIGURA 38 – Concentração dos gases para a situação com e sem a utilização do Ar
secundário.
............................................................................................96
FIGURA 39 – Concentração de CO a 97 Hz e 5,5 mbar. .............................................98
FIGURA 40 – Concentração de CO a 97 Hz e 10 mbar. ..............................................99
FIGURA 41 – Concentração de CO a 97 Hz e 15 mbar. ............................................100
FIGURA 42 – Concentração de CO a 181 Hz e 21 mbar. ..........................................101
FIGURA 43 – Concentração de CO a 282 Hz e 23 mbar. ..........................................101
FIGURA 44 – Concentração de NO a 97 Hz e 15 mbar.
x
...........................................102
FIGURA 45 – Concentração de NO a 181 Hz e 21 mbar.
x
.........................................103
FIGURA 46 – Concentração de NO a 282 Hz e 23 mbar.
x
.........................................103
FIGURA 47 – Concentração de O a 97 HZ e 15 mbar.
2
.............................................105
FIGURA 48 – Concentração de O em 181 HZ – 21 mbar.
2
........................................105
FIGURA 49 – Concentração de O em 282 Hz – 23 mbar.
2
........................................106
FIGURA 50 – Concentração de CO a 97 Hz – 15 mbar.
2
...........................................107
FIGURA 51 – Concentração de CO em 181 Hz - 21mbar.
2
.......................................107
FIGURA 52 – Concentração de CO em 282 Hz – 23 mbar.
2
......................................108
FIGURA 53 - Chama na Condição I (a) sem atuação acústica e (b) com atuação acústica.
............................................................................................................109
FIGURA 54 – Comprimento da chama com a atuação acústica em 181 Hz e diferentes
amplitudes de pressão para a Condição I.
..........................................111
FIGURA 55 – Distribuição radial da porcentagem volumétrica de CO a 96 Hz e 11 mbar
na Condição II.
...................................................................................112
FIGURA 56 – Distribuição radial da porcentagem volumétrica de CO a 96 Hz e 21 mbar
na Condição II.
...................................................................................113
FIGURA 57 –Distribuição radial da porcentagem volumétrica de CO a 96 Hz e 31 mbar
na Condição II.
...................................................................................113
FIGURA 58 – Distribuição radial da porcentagem volumétrica de CO a 181 Hz e 25 mbar
na Condição II.
...................................................................................114
FIGURA 59 – Distribuição radial da porcentagem volumétrica de CO a 283 Hz e 38 mbar
na Condição II.
...................................................................................115
FIGURA 60 – Distribuição radial da porcentagem volumétrica de NO a 181 Hz e 25
mbar na Condição II.
X
..........................................................................116
FIGURA 61 –Distribuição radial da porcentagem volumétrica de O a 181 Hz e 25 mbar
na Condição II.
2
...................................................................................116
FIGURA 62 – Distribuição radial da porcentagem volumétrica de CO a 181 Hz e 25
mbar na Condição II.
2
..........................................................................117
FIGURA 63 – Distribuição radial da porcentagem volumétrica de CO na Condição I em
181 Hz e 21 mbar (a) sem correção e (b) com correção para 3%O .
2
2
.120
FIGURA 64 – Distribuição radial da porcentagem volumétrica de CO na Condição I em
181 Hz e 21 mbar (a) sem correção e (b) com correção para 3%O .
2
.121
FIGURA 65 – Distribuição radial da porcentagem volumétrica de NO na Condição I em
181 HZ e 21 mbar (a) sem correção e (b) com correção para 3%O .
x
2
122
FIGURA 66 – Esquema do queimador, destacando o eixo central (medidas em mm).123
FIGURA 67 – Distribuição radial da porcentagem volumétrica de CO corrigidos os
valores da amplitude de pressão e da concentração para 3% de O para (a)
Condição I (b) Condição II.
2,
2
................................................................124
FIGURA 68 – Distribuição radial da porcentagem volumétrica de CO, corrigidos os
valores da amplitude de pressão e da concentração para 3% de O para (a)
Condição I (b) Condição II.
2
................................................................125
FIGURA 69 – Distribuição radial da porcentagem volumétrica de NO , corrigidos os
valores da amplitude de pressão e da concentração para 3% de O para (a)
Condição I (b) Condição II.
x
2
................................................................127
FIGURA 70 – Distribuição radial da porcentagem volumétrica de O para: (a) Condição I
(b) Condição II
2
....................................................................................128
FIGURA 71 – Distribuição radial da Temperatura na Condição I, corrigidos os valores da
amplitude de pressão em 181 HZ e (a) 8,5 mbar (b) 16 mbar e (c) 21 mbar
............................................................................................................131
FIGURA 72 – Distribuição radial da Temperatura na Condição II para 181 Hz e: (a) 8,5
mbar (b) 17 mbar e (c) 25 mbar.
.........................................................133
FIGURA 73 – Intensidade da Fuligem sem atuação acústica.....................................136
FIGURA 74 – Intensidade da Fuligem a 97 Hz – 15 mbar.........................................136
FIGURA 75 – Intensidade da Fuligem a 181 Hz – 21 mbar.......................................137
FIGURA 76 – Intensidade da Fuligem a 282 Hz – 23 mbar.......................................137
FIGURA 77 – Intensidade do Radical C sem atuação acústica
2
.................................139
FIGURA 78 – Intensidade do Radical C a 97 Hz – 15 mbar
2
.....................................139
FIGURA 79 – Intensidade do Radical C a 181 Hz – 21 mbar
2
...................................140
FIGURA 80 – Intensidade do Radical C a 282 Hz – 23 mbar
2
...................................140
FIGURA 81 – Intensidade do Radical CHsem atuação
..............................................141
FIGURA 82 – Intensidade do Radical CHa 97 Hz – 15 mbar
....................................142
FIGURA 83 – Intensidade do Radical CHa 181 Hz – 21 mbar
..................................142
FIGURA 84 – Intensidade do Radical CHa 282 Hz – 23 mbar
..................................143
FIGURA 85 – Chama não atuada e com atuação a 97 Hz para várias amplitudes de
pressão.
...............................................................................................144
FIGURA 86 – Chama com atuação a 181 Hz para várias amplitudes de pressão. .....144
FIGURA 87 – Chama com atuação a 282 Hz para várias amplitudes de pressão. .....144
FIGURA 88 – Localização na chama das alturas axiais de 50, 150 e 250mm. ..........147
FIGURA 89 – Variação das Intensidades máximas das imagens projetadas com o
aumento na amplitude de pressão.
......................................................157
FIGURA 90 – Referência gradativa para interpretação das intensidades mínimas e
máximas da reconstrução tomográfica.
..............................................161
FIGURA 91 - Aplicação Back-Projection sobre o perfil de intensidades da chama, em
diversos ângulos.................................................................................161
FIGURA 92 - Resultado da reconstrução tomográfica da seção transversal da chama, através
da aplicação da convolução nas imagens da Figura 91.........162
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 – Características de algumas chamas estudadas no queimador de Delft.13
TABELA 2 – Medidas e estimativas escalares de diferentes chamas no queimador de
Delft.
.....................................................................................................15
TABELA 3 – Condições de entrada para as chamas III e IV de Delft........................16
TABELA 4 – Composição média do G.N. comercial da Califórnia e da Holanda.....16
TABELA 5 – Propriedades químicas e físicas do gás natural (Bacia de Campos/RJ).25
TABELA 6 – Especificações técnicas para o gás natural no Brasil............................26
TABELA 7 – Banda de emissão quimiluminescente de alguns radicais....................51
TABELA 8 – Radicais analisados neste trabalho e comprimentos de onda dos filtros
interferométricos respectivos a tais radicais.
........................................52
TABELA 9 – Condições de alimentação a serem utilizadas no trabalho. ..................67
TABELA 10 – Condições de entrada dos gases de alimentação. .................................68
TABELA 11 – Vazão mássica dos gases de alimentação da chama principal e chama
piloto.
....................................................................................................70
TABELA 12 – Freqüências correspondentes aos cinco primeiros harmônicos do
queimador de Delft, em função da temperatura.
..................................72
TABELA 13 - Comparação dos valores calculados e experimentais das freqüências dos
harmônicos em função da temperatura.
................................................81
TABELA 14 – Condições Acústicas oriundas de testes para verificar o ponto “lift” da
chama.
...................................................................................................82
TABELA 15 – Condições Acústicas de Ensaio a serem seguidas para a Condição I e II.
..............................................................................................................84
TABELA 16 – Valores corrigidos para Condições Acústicas de Trabalho para Condição I
e II.
........................................................................................................88
TABELA 17 – Seqüência Acústica de Testes para os Ensaios, com valores corrigidos, a
serem seguidas para a Condição I e II.
.................................................89
TABELA 18 – Altura da Chama e composição dos Gases para a Condição I e II em sua
extremidade superior.
...........................................................................91
TABELA 19 – Relação das posições para varredura da chama....................................95
TABELA 20 – Comprimento de onda das espécies analisadas neste trabalho...........146
TABELA 21 – Imagem projetada do radical C sem atuação acústica para condição I em
50 mm (a), 150 e 250mm (b).
2
.............................................................148
TABELA 22 - Imagem projetada do radical C com atuação de 8,5 mbar para Condição I
em 50mm (a), 150 e 250mm (b).
2
........................................................149
TABELA 23 - Imagem projetada do radical C com atuação de 16 mbar para Condição I
em 50mm (a), 150 e 250mm (b).
2
........................................................150
TABELA 24 - Imagem projetada do radical C com atuação de 21 mbar para Condição I
em 50mm (a), 150 e 250mm (b).
2
........................................................151
TABELA 25 - Imagem projetada do radical CH no ângulo de projeção de 0 sem atuação
acústica e com atuação na mínima, média, e máxima amplitude de pressão
em 181 Hz na condição I em 50mm (a), 150 e 250mm (b).
o
...............152
TABELA 26 - Imagem projetada da fuligem no ângulo de projeção de 0 sem atuação
acústica e com atuação na mínima, média, e máxima amplitude de pressão
em 181 Hz na condição I em 50mm (a), 150 e 250mm (b).
o
...............153
TABELA 27 – Intensidades máximas para a condição sem atuação acústica e para 181Hz.
............................................................................................................155
TABELA 28 - Imagem projetada do radical C , no ângulo de projeção de 0 sem atuação e
com atuação na mínima, média, e máxima amplitude de pressão em 181
Hz nas Condições I e II em (a) 50mm e (b) 150 e 250mm.
2
o
...............158
TABELA 29 - Imagem projetada do radical CH no ângulo de projeção de 0 sem atuação
e com atuação na mínima, média, e máxima amplitude de pressão em 181
Hz nas Condições I e II em (a) 50mm e (b) 150 e 250mm.
o
...............159
TABELA 30 - Imagem projetada da Fuligem no ângulo de projeção de 0 sem atuação e
com atuação na mínima, média, e máxima amplitude de pressão em 181
Hz nas Condições I e II em (a) 50mm e (b) 150 e 250mm.
o
...............160
TABELA 31 - Reconstrução Tomográfica do Radical C em 50mmsem atuação e com
atuação na mínima, média, e máxima amplitude de pressão em 181 Hz na
Condição I.
2
..........................................................................................162
TABELA 32 – Reconstrução Tomográfica do Radical CH em 50mmsem atuação e com
atuação na mínima, média, e máxima amplitude de pressão em 181 Hz na
Condição I.
..........................................................................................163
TABELA 33 – Reconstrução Tomográfica da Fuligem em 50mmsem atuação e com
atuação na mínima, média, e máxima amplitude de pressão em 181 Hz na
Condição I.
..........................................................................................163
TABELA 34 – Reconstrução Tomográfica do Radical C em 150mmsem atuação e com
atuação na mínima, média, e máxima amplitude de pressão em 181 Hz na
Condição I.
2
..........................................................................................163
TABELA 35 – Reconstrução Tomográfica do Radical CH em 150mmsem atuação e com
atuação na mínima, média, e máxima amplitude de pressão em 181 HZ na
Condição I.
..........................................................................................164
TABELA 36 – Reconstrução Tomográfica da Fuligem em 150mmsem atuação e com
atuação na mínima, média, e máxima amplitude de pressão em 181 HZ na
Condição I.
..........................................................................................164
TABELA 37 – Reconstrução Tomográfica do Radical C em 250mmsem atuação e com
atuação na mínima, média, e máxima amplitude de pressão em 181 Hz na
Condição I.
2
..........................................................................................164
TABELA 38 – Reconstrução Tomográfica do Radical CH em 250mmsem atuação e com
atuação na mínima, média, e máxima amplitude de pressão em 181 Hz na
Condição I.
..........................................................................................165
TABELA 39 – Reconstrução Tomográfica da Fuligem em 250mmsem atuação e com
atuação na mínima, média, e máxima amplitude de pressão em 181 Hz na
condição I.
..........................................................................................165
TABELA 40 – Reconstrução Tomográfica do Radical C em 50mmsem atuação e com
atuação na mínima, média, e máxima amplitude de pressão em 181 Hz na
Condição II.
2
........................................................................................167
TABELA 41 – Reconstrução Tomográfica do Radical CH em 50mmsem atuação e com
atuação na mínima, média, e máxima amplitude de pressão em 181 Hz na
Condição II.
........................................................................................167
TABELA 42 – Reconstrução Tomográfica da Fuligem em 50mmsem atuação e com
atuação na mínima, média, e máxima amplitude de pressão em 181 Hz na
Condição II.
........................................................................................167
TABELA 43 – Reconstrução Tomográfica do Radical C em 150mmsem atuação e com
atuação na mínima, média, e máxima amplitude de pressão em 181 Hz na
Condição II.
2
........................................................................................168
TABELA 44 – Reconstrução Tomográfica do Radical CH em 150mmsem atuação e com
atuação na mínima, média, e máxima amplitude de pressão em 181 HZ na
Condição II.
........................................................................................168
TABELA 45 – Reconstrução Tomográfica da Fuligem em 150mmsem atuação e com
atuação na mínima, média, e máxima amplitude de pressão em 181 Hz na
Condição II.
........................................................................................168
TABELA 46 – Reconstrução Tomográfica do Radical C em 250mmsem atuação e com
atuação na mínima, média, e máxima amplitude de pressão em 181 Hz na
Condição II.
2
........................................................................................169
TABELA 47 – Reconstrução Tomográfica do Radical CH em 250mmsem atuação e com
atuação na mínima, média, e máxima amplitude de pressão em 181 Hz na
Condição II.
........................................................................................169
TABELA 48 – Reconstrução Tomográfica da Fuligem em 250mmsem atuação e com
atuação na mínima, média, e máxima amplitude de pressão em 181 Hz na
Condição II.
........................................................................................169
LISTA DE SÍMBOLOS
AL abertura efetiva da lente
AP
lida
amplitude de Pressão lida no amplificador de carga Vrms
AP
real
amplitude de Pressão corrigida Vrms
C
n
número de Sutherland
De Diâmetro equivalente m
f distância focal
F ponto focal entre a lente e o objeto
F’’ ponto focal entre a lente e a imagem
RP
o
h entalpia padrão de combustão kJ/gmol
L
θ
tamanho da micro-escala
L
f
comprimento visível da chama m
L
k
representa a escala de Kolmogorov
L
U
escala do comprimento integral mm
t
m vazão mássica do fluido kg/s
M massa molar kg/kg-mol
comb
M massa molecular do combustível kg/kgmol
M
n
massa molecular do gás
n índice de refração do meio
n
n
número de moles do gás % volumétrica
PCI poder calorífico inferior kcal/m
3
PCI
CP
poder calorífico inferior da chama piloto kJ/kg
comb
PCS Poder calorífico superior kcal/m
3
Pr número de Prandtl
P
prin
e P
prin
” pontos principais da lente
P’ pressão acústica (pressão média)
P1 distância do objeto ao ponto principal P
prin
P2 distância da imagem ao ponto principal P
prin
”
p média de qualquer propriedade do escoamento
p (t) valor instantâneo de uma propriedade qualquer
)t('p flutuação correspondente à diferença entre o valor instantâneo da propriedade
e seu valor médio
)t(p
p
Q taxa de energia instantânea adicionada
r posição radial mm
Re número de Reynolds
Re
BO
número de Reynolds do jato de combustível no blowoff
Re
t
número de Reynolds turbulento
t tempo s
T temperatura K
T temperatura média K
Tc
n
temperatura crítica do gás K
T
adiabática
Temperatura adiabática de chama K
V velocidade de saída média m/s
v’ representa as flutuações de velocidade m/s
BO
v velocidade de blowoff m/s
P
v velocidade do gás reagente da chama piloto m/s
J
v velocidade principal m/s
J
D/x posição radial e axial na chama
[O
2
] concentração de O
2
moles/cm
3
[N
2
] concentração de N
2
moles/cm
3
[NO] concentração de NO moles/cm
3
β
realreaçãonaOxigêniodeátomosden
tricaestequioméreaçãonaOxigêniodeátomosden
°
°
ΔH tamanho do objeto
ΔH” tamanho da imagem
t
Δ
intervalo de tempo
∫
denota a integração sobre um ciclo de oscilação
ξ
fração de mistura
ξ
estequiométrica
fração de mistura na estequiometria
P
ξ fração de mistura da chama piloto
S
ξ fração de mistura estequiométrica do combustível principal
ξ fração de mistura média
ξ ’ flutuações na fração de mistura
4/1
t
Re
'
2
ξ
≅ξ∑
Ø
G
razão de equivalência global
μ
viscosidade do fluido kg/m.s
o
μ
viscosidade absoluta a O
o
C x 10
-6
p
n
μ
= viscosidade absoluta do gás à temperatura t
σ
diâmetro efetivo de colisão entre duas moléculas Å
μ
Ω integral de colisão para a viscosidade
u
2
L
''v2
ξ
≅χ
representa a taxa de dissipação escalar s
-1
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
CARS Coherent anti-Stokes Raman spectroscopy
CFC’s clorofluorcarbonetos
GN Gás Natural
INPE Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
IREAT Infra-Red Emission/Absorption Tomography
LIF Laser-Induced Fluorescence
LIF Limite de inflamabilidade inferior
LSF Limite inflamabilidade superior
PDF Probability density function
TUDelft Universidade Técnica de Delft
UHC Unburned Hydrocarbons
VOC Volatile Organic Compounds
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS
LISTA DE TABELAS
LISTA DE SÍMBOLOS
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO..........................................................................................................1
1.1) CHAMAS DIFUSIVAS .......................................................................................1
1.2) COMBUSTÃO PULSANTE.................................................................................4
1.3) QUEIMADOR DE DELFT...................................................................................7
1.4) RESULTADOS OBTIDOS NO QUEIMADOR DE DELFT SEM ATUAÇÃO
ACÚSTICA...................................................................................................................9
1.5) GÁS NATURAL...................................................................................................20
1.6) POLUENTES GASOSOS ATMOSFÉRICOS.....................................................26
CAPÍTULO 2
ESTRUTURA EXPERIMENTAL DO TRABALHO............................................33
2.1) MONTAGEM EXPERIMENTAL.......................................................................33
2.2) DESCRIÇÃO DA METODOLOGIA E ESPECIFICAÇÕES EXPERIMENTAIS
UTILIZADAS..............................................................................................................38
2.2.1) Sistema de atuação acústico............................................................................38
2.2.2) Sistema de posicionamento e monitoramento da chama..............................39
2.2.3) Análise de gases.................................................................................................41
2.2.3.1) Sonda para captação de gases..........................................................................41
2.2.3.2) Instrumentação para análise dos gases.............................................................43
2.2.4) Sistema de medição de temperatura ..............................................................45
2.2.5) Sistema de aquisição de dados ....................................................................47
2.2.6) Tomografia de chama ..................................................................................48
2.2.6.1) Quimiluminescência.....................................................................................49
2.2.6.2) Análise teórica do sistema óptico ................................................................52
2.2.6.3) Tomógrafo ...................................................................................................56
2.2.6.4) Equipamentos constituintes do sistema de análise tomográfica...................59
2.2.6.5) Algoritmo usado na análise tomográfica .....................................................63
CAPÍTULO 3
DETERMINAÇÃO DAS CONDIÇÕES DE TRABALHO.................................66
3.1) CÁLCULOS INICIAIS......................................................................................66
3.1.1) Vazões dos Gases de Alimentação................................................................66
3.1.1.1) Velocidade do ar secundário e vazão do ar primário ...................................67
3.1.1.2) Vazões dos gases da chama piloto (CP).......................................................68
3.1.2) Cálculo dos Harmônicos no Queimador de Delft........................................71
3.1.3) Cálculo do número de Reynolds para o ar primário e o gás natural nas
condições de entrada................................................................................................73
3.1.3.1) Cálculo do número de Reynolds para o ar primário.....................................73
3.1.3.2) Cálculo do número de Reynolds para o gás natural......................................75
3.2) DEFINIÇÃO DAS CONDIÇÕES DE TRABALHO.........................................77
3.2.1) Verificação experimental dos harmônicos do queimador..........................77
3.2.2) Ponto de “lift” da chama - Definição das condições acústicas de
trabalho......................................................................................................................81
3.2.3) Influência da chama piloto sobre a estabilidade da chama principal........84
3.3) CORREÇÕES DAS MEDIDAS NO SISTEMA DE ATUAÇÃO
ACÚSTICO.................................................................................................................87
CAPÍTULO 4
METODOLOGIA, RESULTADOS E COMENTÁRIOS DOS ENSAIOS
EXPERIMENTAIS.................................................................................................90
4.1) COMPRIMENTO DA CHAMA E POSIÇÕES AXIAIS E RADIAIS PARA
VARREDURA DA CHAMA...................................................................................90
4.1.1) Comprimento da chama...............................................................................90
4.1.2) Posições axiais para varredura da chama..................................................94
4.2) INTERFERÊNCIAS DO AR SECUNDÁRIO NA CHAMA
PRINCIPAL..............................................................................................................95
4.3) RESULTADOS DA ANÁLISE DOS GASES .................................................97
4.3.1) Análise dos gases na condição I....................................................................98
4.3.2) Análise dos gases na condição II................................................................112
4.3.3) Correções na concentração dos gases para as condições I e II...............118
4.3.4) Comparação da concentração dos gases para as condições I e II, corrigidos os
valores para 3% O
2
...........................................................................................123
4.4) CAMPO DE TEMPERATURA PARA AS CONDIÇÕES I E II....................129
4.5) RESULTADOS DA ANÁLISE TOMOGRÁFICA DE CHAMA...................134
4.5.1) Intensidades luminosas da chama..............................................................135
4.5.2) Reconstrução tomográfica da chama.........................................................145
4.5.2.1) Imagens médias obtidas da chama em escala de cinza...............................145
4.5.2.2) Utilização do algoritmo para reconstrução da chama.................................161
CAPÍTULO 5
CONCLUSÕES.......................................................................................................171
REFERÊNCIAS.....................................................................................................176
ANEXO I.................................................................................................................183
I.1) CÁLCULO DAS VAZÕES DOS GASES DA CHAMA PILOTO................183
ANEXO II.............................................................................................................187
II.1). CÁLCULO DO NÚMERO DE REYNOLDS PARA O AR PRIMÁRIO E O GÁS
NATURAL NAS CONDIÇÕES DE ENTRADA.........................................187
II.1.1) Cálculo do número de Reynolds para o ar primário.............................187
II.1.2) Cálculo do número de Reynolds para o gás natural .............................189
ANEXO III...........................................................................................................193
III.1) MEDIDAS DE FREQÜÊNCIA E PRESSÃO ACÚSTICA........................193
1
CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO
Este trabalho utiliza chamas difusivas turbulentas de gás natural atuadas
acusticamente em um queimador conhecido como “Queimador de Delft”.
As chamas difusivas turbulentas são empregadas na maioria dos sistemas
práticos de combustão, principalmente por propiciar o controle das chamas. Um
exemplo a ser destacado são os sistemas de “flare” de plataformas marítimas, onde tais
chamas têm de resistir a ventos laterais de até 60 km/h, têm de ser capazes de queimar
elevadas vazões de gás e também de emitir o mínimo de energia por radiação para a
própria plataforma, sendo desejável ainda, que haja baixa emissão de poluentes, como
o CO e o NO
x
.
Por outro lado os indícios de que a utilização da combustão pulsante promove
redução da emissão de poluentes, maior transferência de calor por convecção e
redução dos custos, torna este trabalho bastante atraente do ponto de vista ambiental e
econômico.
Outra característica a ser notada neste trabalho, já mencionada, refere-se ao
Queimador de Delft, visto que este possui banco de dados disponível com diversos
resultados referentes a esta configuração sem atuação acústica, o que permite uma
melhor caracterização da situação de queima sem o campo acústico.
Mediante a relevância dos temas supracitados, os subitens apresentam uma breve
descrição sobre chamas difusivas turbulentas, combustão pulsante, queimador de Delft
e alguns resultados obtidos no queimador de Delft sem atuação acústica.
1.1 CHAMAS DIFUSIVAS TURBULENTAS
Chamas difusivas podem ser definidas como aquelas onde ocorre a mistura entre
o combustível e o oxidante apenas na zona de reação, ou seja, estes não entram em
contato previamente. Na zona de reação os escoamentos de combustível e oxidante
2
encontram-se em proporção estequiométrica e a combustão ocorre de forma
extremamente rápida.
Segundo Turns (1993) um escoamento é denominado turbulento, quando as
instabilidades neste não são atenuadas, o campo de vorticidade é aleatório no tempo.
Cada ponto no escoamento exibe flutuações randômicas (aleatórias) no tempo. Em
escoamentos turbulentos com combustão têm-se também flutuações na temperatura,
massa específica e concentrações das espécies formadas. Assim, o escoamento
turbulento pode ser caracterizado através da definição da média de uma propriedade
em um intervalo de tempo suficientemente grande e da intensidade de flutuação das
grandezas envolvidas, respectivamente definidas por:
∫
Δ
≡
2
1
t
t
dt)t(p
t
1
p
, . (1)
()
t'pp)t(p += , (2)
onde:
•
p é a média de qualquer propriedade do escoamento (por exemplo
velocidade, temperatura, pressão, etc.)
• é o intervalo de tempo;
12
ttt −=Δ
• (t) é uma propriedade qualquer do escoamento, como, velocidade,
temperatura, pressão, etc.;
p
• é a flutuação, correspondente à diferença entre o valor instantâneo da
propriedade e seu valor médio
)t('p
. p)t(p
Existe atualmente uma vasta gama de aplicação das chamas difusivas
turbulentas, tipo jato, em diversos setores industriais, como na produção de aço, vidro,
produtos químicos, nos incineradores de resíduos hospitalares e industriais, assim
3
como em sistemas de “flare” de plataformas marítimas de extração de petróleo, o que
torna a compreensão e otimização da combustão turbulenta essencial e interessante.
Segundo Pope (1990), a combustão turbulenta é um dos mais complicados objetos de
estudo da física macroscópica moderna.
A combustão turbulenta é caracterizada por uma complexa interação entre as
reações químicas e o escoamento turbulento. O escoamento turbulento introduz
flutuações, alterando quantitativamente propriedades termoquímicas tais como
temperatura, concentrações e taxas de reação. Essas propriedades por sua vez, afetam
o escoamento através da variação da massa específica e demais propriedades de
transporte da mistura.
Atualmente, o grande desafio da pesquisa em combustão turbulenta é o
desenvolvimento de uma teoria quantitativa que faça a previsão da interação entre os
processos físicos e químicos. Para que seja validado um modelo teórico é necessário
que ele possa ser usado com segurança em aplicações práticas tais como nos projetos
de queimadores. Isto é normalmente obtido através da comparação entre os modelos
teóricos e os dados experimentais obtidos. Para se realizar análise experimental em
combustão turbulenta é necessário que o arranjo experimental seja bem definido e
controlado de modo que as condições de contorno não sejam ambíguas e possam ser
impostas nas simulações. O queimador de Delft apresenta-se como instrumento que
permite satisfazer tais requisitos, visto que possui condições de contorno bem
definidas.
Na prática, a maioria dos combustores utiliza escoamento turbulento tendo por
objetivo a obtenção de altas taxas de energia de combustão liberada por unidade de
volume. A velocidade de queima é limitada pela taxa de mistura dos reagentes, isso
porque as reações químicas são tipicamente mais rápidas que a taxa de mistura.
As chamas difusivas são geralmente mais luminosas que as pré-misturadas, pois
a presença de fuligem, a qual ocorre com maior incidência do que em chamas
difusivas, atribui-lhe uma coloração amarelada. Em contrapartida, chamas azuladas
têm menor tendência à formação de fuligem, como é o caso do metano (CH
4
),
principal componente do gás natural, utilizado neste trabalho.
4
Whol et al. (1949) realizando experimentos com chamas difusivas, onde foi
estudado o efeito da taxa de escoamento de combustível e do diâmetro inicial do jato
sobre a altura da chama, concluíram que para uma vazão de combustível baixa (tendo-
se portanto escoamento laminar), a altura da chama independe do diâmetro do tubo do
jato, dependendo apenas da sua vazão. À medida que é aumentada a vazão e se obtêm
chamas turbulentas completamente desenvolvidas,a turbulência passa a influenciar na
altura da chama, resultando em chamas mais curtas.
1.2 COMBUSTÃO PULSANTE
Zinn (1996) define combustão pulsante como o processo de queima onde
pressão, temperatura ou outras variáveis de estado que caracterizam a zona de queima
mudam periodicamente com o tempo, ou seja, ocorrem sob condições oscilatórias.
Segundo Tyndall (1970), Higgins em 1777 observou que som era produzido pela
queima difusiva de hidrogênio em um tubo aberto na extremidade inferior, a
denominada “singing flame”, desencadeando o início do estudo sobre combustão
pulsante. A “singing flame” ocorre pela excitação do modo acústico fundamental do
tubo, ou de um de seus harmônicos.
Segundo Rayleigh (1945), Rijke (1859) percebeu que ao colocar uma tela
metálica a ¼ do comprimento de um tubo vertical, aberto em ambas as extremidades,
som era produzido pela expansão do ar. Rijke acreditou que a rápida expansão do ar
ao passar pela tela, seguida de uma rápida compressão pelo contato com a parede fria
do combustor, era o responsável pela produção desse som, concluindo ainda que o
escoamento deveria necessariamente utilizar-se da convecção natural, pois o som
cessava quando o tubo era colocado na horizontal. Porém, não conseguiu explicar o
porque não havia a produção de som quando a tela era colocada a ¾ do tubo e o
porque segundo Tyndall (1970), Sondhaus (1850) produziu som usando um tubo
aberto em apenas uma das extremidades, sem utilizar-se da convecção natural.
5
Como foi descrito por Rayleigh (1945), paralelamente, Bosscha e Riess (1859),
ao passar ar aquecido por uma tela refrigerada a ¾ de um tubo aberto na extremidade
inferior, obtiveram oscilações acústicas.
Segundo Zinn (1986) e Carvalho et al.(1989) é possível pela geometria de alguns
combustores, obter oscilação acústica através do próprio processo de combustão,
como é o caso de Rijke e de Bosscha e Riess, mas esses combustores são
operacionalmente instáveis, pois as instabilidades acústicas ocorrem apenas em
algumas condições específicas, restringindo sua operação. Assim, segundo Botura
(1998) podem ser utilizados processos onde a oscilação acústica é obtida por meio de
atuadores externos, como alto-falantes, os quais poderão amplificar ou atenuar o sinal
acústico
A ocorrência da amplificação ou atenuação do sinal acústico pela adição de calor
pode ser definida pelo “critério de Rayleigh”, cuja forma matemática foi desenvolvida
por Putnam e Dennis (1953), estabelecendo que ocorrerá amplificação na oscilação de
pressão somente quando:
∫
Q P’ dt >0 (3)
onde:
• Q é a taxa de energia instantânea adicionada;
• P’ é a pressão acústica (pressão média);
• t é o tempo;
denota a integração sobre um ciclo de oscilação.
∫
•
Esta integral também foi obtida através das equações de conservação por Chu
(1956), representando o aumento da energia total após cada ciclo de oscilação para um
aquecedor plano.
6
Em seu critério, Rayleigh (1945), diz que ocorre uma amplificação da oscilação
de pressão quando energia térmica é adicionada ao processo de combustão no instante
de máxima compressão, ou retirado calor no momento de máxima rarefação e o
contrário denota atenuação na oscilação de pressão. Esta é uma condição necessária
mas não suficiente, pois não explica o mecanismo responsável pelo surgimento das
oscilações.
Os problemas ambientais (redução da espessura da camada de ozônio, chuva
ácida, efeito estufa, etc.), aliados à necessidade de economia de combustível e à
escassez de energia elétrica, levam ao desenvolvimento de novas tecnologias e de
novas formas de obtenção de energia que minimizem a emissão de poluentes e
reduzam os custos de investimento. A combustão pulsante tem se mostrado como uma
possibilidade para conciliar tais fatores em dispositivos que utilizam a combustão
como fonte de energia térmica.
Segundo Carvalho et al. (1987) a combustão pulsante possui algumas vantagens
sobre o processo de combustão convencional, pois se obtém uma melhor mistura entre
combustível e oxidante, havendo uma redução na quantidade de combustível utilizada,
uma diminuição nas emissões de poluentes, aumento nas taxas de transferência de
calor convectiva e conseqüentemente, uma redução nos custos de investimento.
Segundo Chao e Jeng. (1992), a excitação acústica altera substancialmente as
características da chama, como por exemplo, pode melhorar a estabilidade de uma
chama suspensa “lifted flame”.
Em seus trabalhos com chama difusiva livre Bastos (2001) conseguiu estender o
limite de “blowout” em mais de 25% e em algumas condições específicas de trabalho,
obteve uma chama azul, onde outrora era amarela, devido a uma melhor taxa de
mistura entre combustível e oxidante, diminuindo as quantidades de fuligem geradas.
Lacava et al. (1999), através do processo de tomografia em chamas pulsadas,
observou que, com o aumento da amplitude, as pulsações acústicas promovem uma
compactação na chama, enquanto que o aumento da freqüência pouco altera o
comprimento da chama; entretanto, há uma dispersão da região de intensidade
luminosa, as quais caracterizam as reações químicas, que passam a se desenvolver ao
7
longo de toda a região de recirculação, e não somente em uma estreita faixa,
demonstrando a sensibilidade da estrutura da chama às oscilações.
Ferreira (2001) estudou a influência da atuação acústica sobre a linha de pré-
mistura do queimador para chamas confinadas. Verificou-se que em chamas
predominantemente difusivas (16 a 25% de pré-mistura), não houve muita alteração na
emissão de NO
x
com a atuação acústica, mas as emissões para chamas difusivas foram
um pouco menores que para as pré-misturadas com ou sem atuação. Para β=0,9 e
β=1,0 em chamas difusivas, há redução de CO.
Amplitudes elevadas desfavoreceram a mistura entre combustível e oxidante,
dispersando parte do desenvolvimento das reações das proximidades do queimador,
conseqüentemente tem-se uma combustão incompleta com aumento nas emissões de
CO e diminuição nas de NO
x
. Notou-se ainda pela análise tomográfica que em chamas
parcialmente pré-misturadas (50 e 60% de pré-mistura), para β = 0,9 e β = 1,0, com e
sem atuação, não houve presença de fuligem; entretanto, em chamas difusivas (15 e
25% de pré-mistura), a presença da fuligem foi reduzida pela presença do campo
acústico, isso devido à melhor taxa de mistura entre os reagentes.
Em chamas difusivas, segundo Glassman (1987) há sempre uma extensa variação
da razão de equivalência, variando de mistura muito rica à mistura muito pobre, o que
possibilita a ocorrência de combustão rica com temperaturas elevadas, favorecendo a
formação de fuligem nesse tipo de chama.
1.3 QUEIMADOR DE DELFT
O sistema de combustão a ser utilizado neste trabalho é conhecido como
queimador de Delft, “Piloted Jet Burner”. Ele é do tipo jato com chama piloto e tem
como base o queimador utilizado por Starner e Bilger (1985), tendo sido caracterizado
por diversos grupos de pesquisa em combustão que utilizam esta configuração em seus
estudos, como a Sydney University, a Sandia’s Combustion Research Facility, em
8
Livermore, CA, a General Electric, em Schenectady, NY, a TUDelft e no Brasil o
INPE, em Cachoeira Paulista/SP em trabalho desenvolvido por Andraus (2003).
O queimador produz um escoamento parabólico e usa chamas pré-misturadas
para estabilizar o jato principal na saída do queimador (chama piloto). Nele são
utilizados jatos co-correntes e possui condições de contorno simples, o que é
fundamental para a redução das características complexas do escoamento, como a
turbulência, a formação de poluentes, a cinética química, a radiação térmica, etc.
Quando não há possibilidade da medição direta das condições de contorno iniciais,
assume-se escoamento laminar para os gases da chama piloto e escoamento turbulento
completamente desenvolvido para o escoamento do jato de combustível principal.
O queimador de Delft produz um jato axissimétrico turbulento centrado em um
anel rodeado pelas chamas piloto. O jato de combustível é rodeado por dois
escoamentos de ar (ar primário e secundário) concêntricos. Existem dois mecanismos
de estabilização para a chama principal, que são respectivamente: as chamas piloto e a
zona de recirculação que se estabelece entre o combustível e a saída do ar primário.
A chama principal utiliza como combustível o gás natural, queimando
difusivamente com o ar primário, enquanto na chama piloto tem-se como combustível
uma mistura de acetileno / hidrogênio e como oxidante o ar.
A chama piloto pode ser facilmente contabilizada; equivale a 1% da potência da
chama principal e a razão C/H desta é a mesma da chama principal, não tendo notável
influência sobre a composição da chama.
A simplicidade do escoamento e a existência de uma região turbulenta
completamente desenvolvida onde os efeitos da cinética química são significativos,
fazem deste queimador, ideal para a realização de testes e desenvolvimento de
modelos computacionais.
Uma descrição detalhada do arranjo experimental é realizada no item 2.1 deste
trabalho.
9
1.4 RESULTADOS OBTIDOS NO QUEIMADOR DE DELFT SEM ATUAÇÃO
ACÚSTICA
Masri et al. (1996) recomendam que a geometria de um queimador para estudos
de chamas turbulentas sem pré-mistura não deve apresentar condições de contorno
complexas, permitindo simplificar as características do escoamento (estrutura
turbulenta, cinética química, radiação térmica, formação de poluentes, entre outras),
características estas inerentes ao queimador de Delft. Ao realizarem caracterizações
neste queimador, levaram em consideração o efeito da turbulência sobre as reações
químicas na chama, dividindo assim as chamas em duas classes:
a) Chamas que estão longe do “Blowoff”, onde se admite ocorrerem reações químicas
rápidas.
b) Chamas que se aproximam da extinção (“Blowoff”), onde os efeitos da cinética
química se tornam significativos.
As chamas do tipo (a) não estão em equilíbrio. Mesmo estando longe da
extinção, a concentração do radical OH permanece em equilíbrio, até mesmo em
tempos de residência relativamente longos. Os picos de temperatura e a fração
mássica das espécies estáveis desviam um pouco dos valores de equilíbrio. Em
chamas onde se tem como combustível o H
2,
esse desvio é menos significativo do que
em chamas de hidrocarbonetos, mas existem, principalmente para o OH (e
possivelmente outros radicais que ainda não foram quantificados experimentalmente).
A diferença entre a difusão das espécies e entre as difusividades de calor e de massa
aumentam ainda mais o desvio das composições de equilíbrio calculadas para uma
mistura de gases. Quanto maior a diferença de difusividade das espécies constituintes
da mistura do combustível, como por exemplo, o H
2
e CO
2
,
mais significativos serão
esses efeitos.
Segundo Smith et al. (1992), os efeitos das diferenças de difusão sobre a
estrutura das chamas são menos significativos em chamas turbulentas difusivas com
altos números de Reynolds.
10
Na tentativa de se estudar a estrutura espacial de chamas difusivas turbulentas
alguns resultados foram obtidos. Imagens de muitos radicais reativos como o CH, OH
e C
2
tem sido publicados e gradualmente as medidas vão se tornando quantitativas.
Para o OH, por exemplo, os cálculos para correção da extinção da chama são
aproximados para chama laminar como função da temperatura o que pode ser seguido
para outras espécies de radicais.
Masri et al. (1996) verificaram que o perfil do radical hidroxila é estreito na
região a jusante da chama, mas parece tornar-se mais largo próximo à extremidade
superior da chama e isto ocorre para todas as chamas, independente do tipo de
combustível. Imagens bidimensionais de jatos não reativos e controlados, usando
hipótese de equilíbrio químico estável, foram utilizados para produzir imagens dos
escoamentos e revelaram características similares na região acima da chama.
Isto foi confirmado por Clemens e Paul (1995) através de imagens de OH
obtidas em chamas difusivas turbulentas de hidrogênio. Entretanto, para as regiões
mais distantes da chama há contradições nas discussões dos pesquisadores e Bilger
(1976) sustenta que as zonas maiores de reação permanecem nessa região.
Imagens de C
2
e CH mostram perfis estreitos, os quais ocorrem geralmente em
regiões de mistura rica na chama. A largura destes perfis não parece variar muito com
a distância à jusante da base da chama, como foi previsto para a estrutura de uma
chama laminar. Acredita-se que o OH possui um perfil mais largo do que se acredita
atualmente e tem também um tempo de vida longo, tolerando temperaturas abaixo de
800 K. Radicais como o CH e C
2
, que tem tempo de vida curto, estão restritos às
zonas de reação rica com altas temperaturas, em chamas de hidrocarbonetos. Imagens
combinadas de CH e OH dão boas indicações do que ocorre na zona de reação,
principalmente para misturas ricas.
Para chamas do tipo (b), os picos de fração mássica de CO e H
2
são geralmente
maiores que os das chamas laminares em equilíbrio (estáveis), cujas magnitudes
dependem do tipo da mistura do combustível. Para as chamas de CH
4
a porcentagem
de CO é de 100% maior que os picos obtidos em queimadores com chama piloto e em
11
queimadores com chama estabilizada em “bluff-body”. A pressão local e a mistura
turbulenta impedem a oxidação do CO a CO
2
.
Imagens simultâneas do OH e da temperatura em jatos de queimadores com
chama piloto, utilizando-se combustíveis de hidrocarbonetos, realizando-se ajuste de
velocidade do nível mais baixo até próximo à extinção da chama, revelam que a
espessura do perfil de OH permanece quase constante com o acréscimo da taxa de
mistura turbulenta. Isto ocorre também com os cálculos efetuados para as chamas
laminares.
Segundo Masri et al. (1996) a extinção da chama ocorre somente na região à
jusante da região de estabilização, onde a interação entre a turbulência e a química é
alta.
Masri et al. (1996) obtiveram vários resultados para diferentes tipos de chama,
como pode ser verificado nas Tabelas 1 e 2. Os autores estudaram chamas com fração
de mistura variando de 0,055 a 0,353. O número de Reynolds para o “blowoff”, Re
BO
,
é baseado no diâmetro do jato de combustível principal, D
j
, e a fração de mistura da
chama piloto, , é geralmente equivalente à fração de mistura estequiométrica do
combustível principal, exceto onde se deixou ficar pouco rica para evitar o
superaquecimento do queimador.
P
ξ
Na tabela 1:
• é a fração de mistura estequiométrica do combustível principal,
S
ξ
é a velocidade de “blowoff”,
•
BO
v
é o número de Reynolds do jato de combustível no “blowoff”,
• Re
BO
é o comprimento visível da chama,
• L
f
• é a fração de mistura da chama piloto
P
ξ
P
v é a velocidade do gás reagente da chama piloto.
•
12
Em chamas que estão longe do “blowoff”, o uso de uma abordagem escalar onde
se assume que a temperatura e a fração mássica das espécies maiores são função
apenas da fração de mistura, sem levar em consideração a estrutura espacial nem a
espessura da zona de reação, tem sido bastante útil. Isto evidencia o fato da combustão
ser um fenômeno local e depender da composição estável local da mistura.
13
Tabela 1 - Características de algumas chamas estudadas no queimador de Delft (FONTE: Masri et al., 1996)
Combustível Principal
Composição volumétrica do
combustível
Re L (m)
S
ξ
BO
v (m/s)
BO f
Chama CH H CO N Ar
4 2 2
PF 01 100 0,055 68 29500 1,3-1,5
PF 09 5 15 23,5 56,5 0,37 92 38900 0,45-0,55
PF 10 10 16,2 73,8 0,37 50 21000 0,44-0,55
PF 11 2 38 60 0,47
PF 12 5 35 60 0,42
PF 13 7 26,5 66,5 0,42
PF 15 33,3 66,7 0,208
PF 16 25 75 0,267
PF 17 33,3 66,7 0,254
PF 18 25 75 0,353
Chamas Piloto
Composição Volumétrica das Chamas piloto
P
ξ
P
v
(m/s)
Chama C H H CO N Ar
2 2 2 2
PF 01 4,3 13,0 87,3 0,055 3,0
PF 09 6,2 18,5 16,6 58,7 0,37 1,0
PF 10 6,2 18,5 16,6 58,7 0,37 1,0
PF 11 4,3 13,0 83,7 0,055 3,0
PF 12 4,3 13,0 83,7 0,055 3,0
PF 13 4,3 13,0 83,7 0,055 3,0
PF 15 4,3 13,0 83,7 0,055 3,0
PF 16 4,3 13,0 83,7 0,055 3,0
PF 17 4,3 13,0 83,7 0,055 3,0
PF 18 4,3 13,0 83,7 0,055 3,0
14
A Tabela 2 mostra as medidas e estimativas de medidas escalares de vários
parâmetros, realizadas em algumas condições para as chamas PF 09 e PF 10 com
misturas de combustíveis CH
– CO - H - N
4 2 2
.
Na tabela 2:
, representa a velocidade do jato de combustível;
•
J
v
, representa a velocidade de blowoff;
•
BO
v
• , representa a posição radial e axial na chama;
J
D/x
, representa a temperatura média;
•
T
, representa a fração de mistura média;
•
ξ
• ’, representa as flutuações na fração de mistura;
ξ
• v’, representa as flutuações de velocidade;
• L representa a escala do comprimento integral, sendo:
U,
L
U
=L
k
/(Re
t
3/4
), onde, L representa a escala de Kolmogorov, definido por:
k
L
k
=L . Pr
3/4
, onde L é o tamanho da micro-escala e “Pr” é o número de Prandtl
θ θ
• Re
t
, representa o número de Reynolds turbulento;
4/1
t
Re
'
2
ξ
≅ξ∑
;
•
u
2
L
''v2 ξ
≅χ
, representa a taxa de dissipação escalar.
•
15
Tabela 2 - Medidas e estimativas escalares de diferentes chamas no queimador de Delft. (FONTE: Masri et al.,
1996)
χ
ξ
∑
L Re
v’
Chama
ξ
R
r
J
D
x
’
T
ξ
J
v
BO
J
v
v
(m/s)
U t
(K)
(m/s)
(s
-1
(mm)
)
PF 09 61,4 0,67 15 1,67 1292 0,440 0,165 8,0 5,8 259 0,058 75
PF 09 73,7 0,80 15 1,67 1186 0,410 0,162
PF 09 81,9 0,89 15 1,67 900 0,354 0,164
PF 09 81,9 0,89 15 1,94 850 0,258 0,147
PF 09 86,0 0,94 15 1,67 701 0,305 0,147
PF 09 90,0 0,98 15 1,67 536 0,270 0,137 12,0 6,0 1714 0,030 76
PF 10 32,7 0,65 15 1,67 1296 0,489 0,166 4,0 5,0 111 0,072 44
PF 10 40,9 0,82 15 1,67 1081 0,441 0,184
PF 10 45,0 0,90 15 1,67 940 0,399 0,183
PF 10 49,1 0,98 15 1,67 808 0,373 0,184 5,7 5,4 366 0,060 72
Em outro experimento, Nooren et al. (2000), utilizando o queimador de Delft,
obtiveram medidas de temperatura, concentração de espécies e dos radicais OH e NO,
e a fração da mistura, utilizando-se das técnicas de medida Raman–Rayleigh–LIF, em
chamas turbulentas difusivas, tipo jato, de gás natural.
Em seus trabalhos Nooren et al. (2000) analisou dois tipos de chamas,
diferenciadas entre si pelas condições de entrada, denominadas respectivamente,
chama III e chama IV de Delft, vistas na Tabela 3. A vazão do ar secundário foi
mantida constante em 0,3 m/s, para ambos tipos de chama. Nessa tabela, V é a
velocidade de saída média, T é a temperatura e Re é o número de Reynolds.
O gás natural comercial utilizado naquele trabalho, proveniente da Califórnia,
local onde foram realizados os experimentos, foi diluído com nitrogênio, para
assemelhar-se à composição do gás natural holandês, utilizado na chama de Delft,
como pode ser visto na Tabela 4, onde
ξ
estequiométrica
é a fração de mistura na
estequiometria. A chama piloto foi alimentada com acetileno / hidrogênio / ar, pré-
16
misturados, com β de 1,4. A taxa C/H foi a mesma do gás natural e o calor liberado
das chama piloto foi em torno de 1% da potência térmica total da chama III e IV.
Tabela 3 - Condições de entrada para as chamas III e IV de Delft (FONTE: Nooren, 2000)
Chama III Chama IV
V
combustível
(m/s) 21,9 21,9 Jato de Combustível
T
combustível
(K) 295 295
(G.N.)
Re
9700 9700
combustível
V
ar primário
(m/s) 4,4 8,0 Jato de Ar Primário
T
ar primário
(K) 295 295
Re
8800 16000
ar primário
Comprimento da chama (m) 0,85 0,70
Tabela 4 - Composição média do G.N. comercial da Califórnia e da Holanda (FONTE: Nooren, 2000)
G.N. da Califórnia G.N. da Califórnia (diluído com N ) G. N. da
Holanda
2
CH 94,7 81,7 81,3
4
C H 3,5 3,0 2,9
2 6
C H 0,1 0,1 0,6
n m
N 1,0 14,6 14,3
2
CO 0,7 0,6 0,9
2
T
adiabática
(K) 2247 2216 2216
0,057 0,071 0,071
ξ
estequiométrica
Alguns resultados do trabalho de Nooren et al. (2000) são apresentados a seguir
nas Figuras 1, 2, 3 e 4. A Figura 1 apresenta o perfil da concentração de OH, enquanto
a Figura 2 mostra o efeito da correção da interferência dos efeitos da fluorescência dos
hidrocarbonetos pesados. A Figura 3 apresenta uma comparação de medidas de
temperatura obtidas com várias técnicas. Nesta última figura, os símbolos representam:
17
temperatura média obtida por CARS (Coherent anti-Stokes Raman spectroscopy);
temperatura média obtida por Reynolds-averaged Raman-Rayleigh; temperatura média
obtida por Favre-averaged Raman Rayleigh. Esses mesmos símbolos vazados
representam o desvio padrão da temperatura.
Figura 1 - Comparação de medidas da concentração de OH (mol/cm
3
) na Chama III Os dados Raman-Rayleigh-
LIF são apresentados com linhas tracejadas, as linhas cheias são os perfis apresentados por Peeters et al. (1994).
(FONTE: Nooren et al., 2000).
Figura 2 – Efeito da correção da interferência da fluorescência sobre a concentração média de OH a x = 150mm
na chama III (FONTE: Nooren et al., 2000).
18
-30
-20
-10
0
10
20 30
300
600
900
1200
1500
r (mm)
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
(
K
)
0
-30
CARS
Reynolds-averaged Raman-Rayleigh
Favre-averaged Raman-Rayleigh
30
r (mm)
1500
1200
900
600
300
0
-30
-20
-10
0
10
20
CARS
Reynolds-averaged Raman-Rayleigh
Favre-averaged Raman-Rayleigh
Figura 3 – Comparação de medidas de temperatura a x = 200 mm (esquerda) e a 100 mm (direita) na chama III,
onde a linha cheia representa a temperatura média e a tracejada o desvio padrão da temperatura (FONTE:
Nooren et al., 2000).
O uso da técnica de Raman em chamas de gás natural mostra-se interessante
devido aos altos níveis de interferência da fluorescência, os quais foram identificados e
excluídos, sendo corrigidos através de correlações empíricas entre os sinais de Raman
e os sinais com interferência, sendo este procedimento adequado à maioria das
espécies. Entretanto, nos sinais de Raman para o CO não foi possível remover a
interferência, pois não foi encontrada nenhuma aproximação empírica. Isto também
influenciou os sinais de CO
2
e O
2
na chama III. A concentração destas espécies é
determinada usando aproximações alternativas. Devido às interferências fluorescentes,
o método Raman-Rayleigh-LIF tem certas limitações, como por exemplo, a ausência
de medidas de CO e O
2
na chama III. Os perfis de temperatura média e flutuações de
temperatura são os mesmos, quando comparado ao método CARS, realizado na chama
III. Quanto à concentração de OH, os resultados obtidos são semelhantes aos dados
existentes unidimensionais de LIF.
A Figura 4 mostra os sinais de interferência com relação a fração de mistura (
ξ
)
e a posição radial (r).
19
Esquerda:Figura 4 – Resultados dos sinais de interferência, mostrados através da dispersão dos pontos a 615 nm
(S
F615
) versus fração de mistura em x=50 mm na chama III. A linha vertical mostra a posição da fração
estequiométrica da mistura
ξ
Direita=0,071. : Perfis radiais do sinal da interferência fluorescente a 615 nm em
x=150 mm nas chamas III e IV (FONTE: Nooren et al., 2000).
Van den Bercken, (1998), caracterizou o queimador de Delft, através de
investigação experimental e numérica através de simulações PDF e Monte Carlo.
Obteve dados experimentais de temperatura e de fração volumétrica da fuligem e
adicionalmente a pressão parcial do vapor de água e acetileno (C
2
H
2
), através de
tomografia por absorção da emissão no infravermelho (IREAT – Infra-Red
Emission/Absorption Tomography), variando o comprimento de onda. Para validar os
dados, usou uma sonda de sucção para retirar amostras de gás da chama para obtenção
da fração volumétrica da fuligem, tendo sido retirada a água da amostra. Os dados
experimentais foram utilizados em simulações numéricas para verificar a relação entre
a fuligem e a transferência de calor por radiação. Obteve também medidas de
temperatura, através de termopar de fio fino e através de CARS. Estudou ainda a
influência da turbulência sobre os resultados obtidos, verificando que as medidas de
absorção são pouco influenciadas e que a influência sobre a emissão é considerável e
dependente do comprimento de onda, havendo grande diferença de temperatura para
comprimentos de onda menores.
Os resultados mostraram que a temperatura relativa à fuligem, medida através da
tomografia, é muito maior que a obtida por termopares. Qualitativamente, os vários
20
perfis estudados foram semelhantes aos resultados obtidos por simulação PDF
(Probability density function).
Andraus (2003), utilizando um queimador com as mesmas dimensões do
queimador de Delft (o mesmo usado neste trabalho), analisou as características de uma
chama difusiva turbulenta de gás natural, com intuito de investigar a formação de NO
x
.
Obteve o perfil de temperatura através de termopar de fio fino, através de anemômetro
de fio quente o perfil de velocidade, através de análise ótica com câmeras CCD’s e
posterior tratamento tomográfico, verificou a presença dos radicais C
2
, CH, CN e
obteve ainda o perfil da composição dos gases da exaustão para estudo das regiões de
formação de NO
x
térmico e imediato.
Através de diferentes combinações de combustível e ar, verificou que as
luminosidades dos radicais CH e C
2
possuem grande similaridade com o perfil de
temperatura.
Com relação à concentração de NO, esta é máxima na zona de reação onde se
tem temperaturas mais altas e a mais alta concentração de radicais. Em condições de
queima pobre, ou seja, com excesso de oxidante, o radical CN pode ser utilizado como
indicador do perfil de NO, pois quando não se observa a presença do radical CN, a
concentração de NO
x
deixa de variar indicando que menor quantidade de NO é
produzida. Próximo à estequiometria notou que, com a adição de um hidrocarboneto
insaturado na zona de reação foi possível erradicar o CN.
1.5 GÁS NATURAL
O gás natural é encontrado em reservatórios subterrâneos tanto em terra quanto
no mar, acumulado em rochas porosas, podendo ser encontrado juntamente com
petróleo (gás associado), ou sozinho (gás não associado). É um combustível fóssil,
obtido pela degradação da matéria orgânica por bactérias anaeróbias, pela degradação
da matéria orgânica e do carvão por temperatura e pressão elevada, ou pela alteração
térmica dos hidrocarbonetos líquidos.
21
A matéria orgânica fóssil é também chamada de querogêneo e pode ser de wdois
tipos: querogêneo seco, proveniente de matéria vegetal, e o querogêneo gorduroso,
proveniente de algas e matéria animal.
No processo de formação do planeta, a transformação da matéria orgânica
vegetal, celulose e lignina, produziu o querogêneo seco, que ao alcançar maiores
profundidades na crosta terrestre sofreu um processo gradual de cozimento,
transformando-se em linhito, carvão negro, antracito, xisto carbonífero e metano,
dando origem às reservas de carvão do planeta.
Já o querogêneo gorduroso não sofreu o processo de cozimento e deu origem ao
petróleo. Nos últimos estágios de degradação deste, o petróleo apresenta-se como
condensado volátil associado a hidrocarbonetos gasosos com predominância do
metano, é esta a razão de se encontrar o gás natural associado. Assim o gás natural
bruto é uma mistura variada de hidrocarbonetos, cujo principal componente é o
metano (CH
4
). O gás natural não associado apresenta maiores teores de metano,
enquanto que o associado apresenta maiores porcentagens de etano, propano, butano e
outros hidrocarbonetos mais pesados.
O gás natural não tem cor e é inodoro, sendo adicionado de compostos de
enxofre para se detectar vazamentos. Não se trata, portanto, de um produto derivado
do petróleo, mas sim de formação semelhante.
Enquanto as reservas mundiais de petróleo se concentram no Oriente Médio (ver
Figura 5), as reservas de gás natural estão mais distribuídas ao redor do mundo como
se pode ver nas Figuras 6 e 7. Isso permite que se tenha acesso ao gás natural em
diversas fontes diferentes, garantindo um mercado competitivo, com reservas
diversificadas e pouco dependentes de crises internacionais e políticas, com
estabilidade de preços e garantia de fornecimento, mesmo mediante conflitos políticos.
22
Figura 5 - Reservas provadas de petróleo, segundo regiões geográficas, 2005 (bilhões b).(FONTE: ANP/SDP;
BP Amoco, Tabela 1.1).
Figura 6 – Reservas provadas de gás natural, segundo regiões geográficas, 2005 (trilhões m
3
).(FONTE:
ANP/SDP; BP Amoco, Tabela 1.5).
23
40%
36%
8%
8%
4%
0%
4%
Oriente Médio
Europa & Eurasia
Ásia Pacífico
África
América do Norte
América do Sul
América Central
RESERVAS PROVADAS MUNDIAIS = 180 Trilhões m³
Figura 7 – Distribuição percentual das reservas mundiais de gás natural.(FONTE: BP Statistical Review of
World Energy 2005).
A Figura 8 mostra um panorama das reservas brasileiras de gás natural, segundo
unidades da Federação, tanto em terra quanto em mar.
Figura 8 – Distribuição percentual das reservas provadas de gás natural, segundo regiões geográficas,
2005.(FONTE: ANP/SDP, Tabela 2.4).
Com relação ao aspecto de segurança, pode-se destacar que possui massa
específica menor que a do ar, o que facilita sua dispersão para a atmosfera e para que
24
ele se inflame é necessário que seja submetido a uma temperatura superior à 620
o
C (o
álcool se inflama a 200
o
C e a gasolina a 300
o
C). Ele ainda não provoca asfixia, ou
seja, ele não se acumula nas camadas inferiores, pois se dissipa para a atmosfera.
Quanto à toxidade, o gás natural não é quimicamente tóxico se inalado ou
ingerido acidentalmente, pois ao contrário do CO que se combina com a hemoglobina
ocupando o lugar do oxigênio, transportando-o do pulmão para todo o organismo,
causando falência dos sistemas, o gás natural é inerte no corpo humano.
Observando-se a Tabela 5 pode-se verificar que seu limite de inflamabilidade
inferior é alto, ou seja, para se atingir as condições de auto-sustentação da combustão
se faz necessário uma quantidade significativa de combustível em relação à quantidade
total de ar em um ambiente e como este é menos denso que o ar, se dissipa
rapidamente. Observa-se ainda que a faixa entre os limites de inflamabilidade superior
e inferior é estreita, significando que mesmo que o limite de inflamabilidade inferior
seja atingido em um ambiente interno e se inicie a combustão, sua auto-sustentação é
logo perdida, pois rapidamente se atinge o limite de inflamabilidade superior e o gás
natural se torna diluente do ar.
Dos combustíveis utilizados atualmente, o gás natural é um dos mais ecológicos,
pois reduz bastante a emissão de poluentes em relação à queima de outros
combustíveis. Sua queima é limpa, praticamente isenta de resíduos tóxicos como o
SO
2
, sua redução é de até 98%. Possui menores emissões de CO, de hidrocarbonetos
não queimados ou parcialmente queimados, e uma grande redução de NO
x
, além de
formar pouca fuligem.
A Tabela 5 apresenta algumas propriedades do gás natural utilizado neste
trabalho, o qual é proveniente da Bacia de Campos/RJ.
25
Tabela 5 – Propriedades químicas e físicas do gás natural da Bacia de Campos/RJ (FONTE: COMGAS/BR)
Composição Química do Gás Natural (% volumétrica)
Metano (CH
4
) 89,44 %
Etano (C
2
H
6
) 6,7 %
Propano (C
3
H
8
) 2,26 %
Pentano (C
5
H
12
) 0,31 %
Iso-Butano (
i
C
4
H
10
) 0,15 %
Nitrogênio (N
2
) 0,8 %
Dióxido de Carbono (CO
2
) 0,34 %
Propriedades Físico-Químicas do Gás Natural
Massa Específica (kg/m
3
) 0,741
Densidade 0,624
Poder calorífico inferior (PCI) 8283 kcal/m
3
Poder calorífico superior (PCS) 9400 kcal/m
3
Massa Molecular Aparente 17,367 g/mol
Velocidade de Chama (H
2
=346) 49,4 cm/seg
Limite inflamabilidade superior (LSF) 14,9 (% gás no ar)
Limite de inflamabilidade inferior (LIF) 4,8 (% gás no ar)
Relação Gás / Ar 1 / 9,96 (m
3
/m
3
)
As especificações do gás para consumo são ditadas pelo Regulamento Técnico
ANP Nº 3/2002, anexo à Portaria Nº 104, de 8 de julho de 2002, emitida pela Agência
Nacional do Petróleo (ANP). O gás natural, de origem nacional ou importada,
comercializado no Brasil é classificado por região geográfica conforme a Tabela 6.
26
Tabela 6 – Especificações técnicas para o gás natural no Brasil.
Especificação do Gás Natural
(1)
Limite
(2) (3)
Método
Característica Unidade
Norte Nordeste
Sul,
Sudeste,
Centro-
Oeste
ASTM ISO
kJ/ m³ 34.000 a 38.400 35.000 a 42.000
Poder calorífico superior
(4)
D3588 6976
kWh/m³ 9,47 a 10,67 9,72 a 11,67
Índice de Wobbe
(5)
kJ/m³ 40.500 a 45.000 46.500 a 52.500
-
6976
Metano, mín. % vol. 68,0 86,0 D1945 6974
Etano, máx. % vol. 12,0 10,0
Propano, máx. % vol. 3,0
Butano e mais pesados, máx. % vol. 1,5
Oxigênio, máx. % vol. 0,8 0,5
Inertes (N
2
+ CO
2
), máx. % vol. 18,0 5,0 4,0
Nitrogênio
% vol. Anotar 2,0
Enxofre Total, máx. mg/m3 70 D5504 6326-2
6326-5
Gás Sulfídrico (H2S), máx.
(6)
mg/m3 10,0 15,0 10,0 D5504 6326-2
6326-5
Ponto de orvalho de água a ºC -39 -39 -45 D5454 -
1atm, máx.
Observações:
(1) O gás natural deve estar tecnicamente isento, ou seja, não deve haver traços visíveis de partículas
sólidas e partículas líquidas.
(2) Limites especificados são valores referidos a 293,15 K (20 ºC) e 101,325 kPa (1 atm) em base seca,
exceto ponto de orvalho.
(3) Os limites para a região Norte se destinam às diversas aplicações exceto veicular e para esse uso
específico devem ser atendidos os limites equivalentes à região Nordeste.
(4) O poder calorífico de referência de substância pura empregado neste Regulamento Técnico encontra-se
sob condições de temperatura e pressão equivalentes a 293,15 K, 101,325 kPa, respectivamente em base
seca.
(5) O índice de Wobbe é calculado empregando o Poder Calorífico Superior em base seca. Quando o
método ASTM D 3588 for aplicado para a obtenção do Poder Calorífico Superior, o índice de Wobbe
deverá ser determinado pela fórmula constante do Regulamento Técnico.
(6) O gás odorizado não deve apresentar teor de enxofre total superior a 70 mg/m³.
1.6 POLUENTES GASOSOS ATMOSFÉRICOS
A necessidade de controle e redução dos poluentes atmosféricos se torna cada
vez mais relevante no cenário mundial. Estudos recentes desenvolvidos por
Scholze et
al. (2007) mostram que
as grandes florestas do mundo e principalmente a Amazônia,
serão seriamente perturbadas se o aquecimento global não for contido. U
m cenário
extremamente grave virá à tona se a temperatura global subir mais 3ºC por ano, em
27
média, até 2100. Assim, o impacto sobre a Terra, se nada for feito, estaria garantido
por pelo menos mais 200 anos. Até 88% dos biomas, que ocupam juntos mais de 5%
da superfície terrestre, seriam afetados. No caso dos biomas que ocupam mais de 10%
do planeta, 13% dessa área seria transformada. Está nessa lista boa parte das grandes
florestas tropicais do mundo. Além da região amazônica, os ecossistemas asiáticos
também seriam diminuídos.
Os poluentes gasosos atmosféricos sob regulamentação são o monóxido de
carbono (CO), os óxidos de nitrogênio (NO
x
), o dióxido de enxofre (SO
2
) e os
hidrocarbonetos não queimados ou parcialmente queimados, designados por UHC
(Unburned Hydrocarbons).
As emissões de NO
x
e de SO
2
contribuem para a formação da chuva ácida, pois
na presença da umidade do ar e do ozônio das baixas camadas, reagem formando
HNO
3
e H
2
SO
4
. A chuva ácida (pH menor ou igual a 5,5) libera do solo metais tóxicos
(como Zn, Pb, Cu, Cd, e Hg). Esses metais podem alcançar rios, ser ingeridos pelo
homem e causar sérios problemas à saúde. Além dos problemas ambientais, o H
2
SO
4
ataca as partes metálicas dos equipamentos, podendo causar altas taxas de corrosão.
O enxofre é encontrado na maioria dos combustíveis líquidos usados atualmente,
principalmente em frações pesadas da destilação do petróleo e em carvões minerais.
Neste trabalho foi utilizado o gás natural como combustível, o qual depois de
processado não possui enxofre em sua composição. Entretanto compostos de enxofre
em pequenas quantidades lhes é adicionado para a detecção de vazamentos.
Os principais gases responsáveis pelo efeito estufa são o CO
2
(encontrado em
maior quantidade), juntamente com CO, o metano e os CFC’s (clorofluorcarbonetos).
O efeito estufa é um processo que ocorre quando uma parcela dos raios
infravermelhos
refletidos pela superfície terrestre é absorvida por determinados gases
presentes na atmosfera. Como conseqüência disso, a
temperatura da Terra fica retida e
não é liberada ao espaço, permanecendo maior do que seria na ausência desse gases. O
efeito estufa dentro de uma determinada faixa é de vital importância pois, sem ele, a
vida como a conhecemos não existiria.
Embora esse fenômeno seja uma característica natural, a ação do homem tem
aumentado demasiadamente a concentração desses gases na atmosfera, principalmente
28
a partir da década de 80, fazendo com que a temperatura da Terra aumente de forma
excessiva. Segundo estudos do IPCC (“Intergovernmental Panel on Climate Change”),
a temperatura da Terra aumentou entre 0,3 a 0,6 graus Celsius nos últimos 100 anos.
As moléculas dos hidrocarbonetos reagindo com oxigênio se quebram formando
CO, que posteriormente se oxida a CO
2.
O processo de oxidação é bastante lento, salvo
se houver H
2
ou H
2
O presentes, pois CO reage mais rapidamente com OH do que com
O ou O
2
. Esse processo pode ser visto pelo mecanismo a seguir (Glassman,1987): a
primeira reação (4) é lenta, resultando em baixa taxa de formação de CO
2
, sendo este
formado em sua maior parte na terceira reação (6). As reações (7) e (8) correspondem
à presença de H
2
em quantidade considerável. Se tivermos alta pressão e na presença
de HO
2
ocorrerá a reação (10).
CO + O
2
CO
2
+ O (4)
O + H
2
O OH + OH (5)
CO + OH CO
2
+ H (6)
H + O
2
OH + O (7)
O + H
2
OH + H (8)
OH + H
2
H
2
O + H (9)
CO + HO
2
CO
2
+ OH (10)
A oxidação do CO a CO
2
, assim como a formação de UHC, são dependentes da
taxa de mistura entre oxidante e combustível e do tempo de residência suficiente
dentro do combustor e ambos possuem o mesmo comportamento com relação à sua
emissão e à taxa de reação.
NO
x
é o termo que designa a soma NO + NO
2
. Embora no processo de
combustão haja maior emissão de NO que NO
2
, ao entrar em contato com a atmosfera
há a oxidação do NO a NO
2
, segundo Lacava (2000). A emissão do NO e do NO
2
está
associada às altas temperaturas; portanto, torna-se necessário evitar picos de
temperatura, como o que ocorre em misturas estequiométricas.
Segundo Lyons (1982), em uma combustão onde haja um excesso de oxidante, se
ocorrer uma melhor mistura entre os reagentes, haverá redução na formação de NO
x
.
29
Dos poluentes atmosféricos, o NO
x
é aquele que de forma direta apresenta menores
riscos à saúde. No entanto, o NO
x
é o precursor principal da formação de “smog”
fotoquímico. “Smog” é uma névoa marrom amarelada que aparece primariamente
sobre áreas urbanas em dias ensolarados. Os componentes do “smog” incluem O
3
,
NO
x
, componentes orgânicos voláteis (“Volatile Organic Compounds - VOC”), SO
2
,
aerossóis, e material particulado. Esta mistura resulta a partir da reação entre poluentes
atmosféricos sob forte luz solar. O “smog” ocorre primordialmente em meses de verão,
quando há muita luz do sol e as temperaturas são maiores. Em quantidade, o “smog”
ameaça as pessoas, os animais e as plantas. O poluente atmosférico predominante no
smog ao nível do solo, encontrado em áreas urbanas é o ozônio (O
3
).
O NO
x
pode ser formado por três mecanismos distintos:
• Mecanismo de Zeldovich (NO
x
térmico), predominante em altas temperaturas
(acima de 1500
o
C), formado pela oxidação do N
2
atmosférico e numa faixa
ampla de razões de equivalência, formado principalmente na região de pós-
chama, ou seja, depois de ocorrer a oxidação completa do combustível, por
ser uma reação mais lenta do que o processo de combustão. Este mecanismo é
constituído das seguintes reações, segundo Hayhurst et al (1980):
O + N
2
NO + N (11)
N + O
2
NO + O (12)
N + OH NO + H (13)
Segundo Westemberg (1971), pode-se estimar a taxa de formação do NO
térmico, demonstrando a importância da temperatura na sua formação, através da
equação:
106.
dt
]NO[d
=
10 – 1/2
T . exp(-69090/T). [O ]
1/2
.[N ] (14)
2 2
30
onde:
t = tempo (s)
T = temperatura (K)
[O
2
] = concentração de O
2
(moles/cm
3
)
[N
2
] = concentração de N
2
(moles/cm
3
)
[NO] = concentração de NO (moles/cm
3
)
imediato (“prompt” NO
• NO
x x
), cujo mecanismo foi proposto por Fenimore
(1971), ver Figura 9. Ele se origina de forma mais rápida que o térmico,
formado na região de frente de chama, a partir de radicais de hidrocarbonetos
que não foram totalmente consumidos, principalmente CH e CH
2
, segundo
Blauwens et al. (1977) provenientes do combustível, com nitrogênio
atmosférico, para formar NO, cujas principais reações do mecanismo se
encontram na seqüência:
CH + N
2
HCN + N (15)
CH
2
+ N
2
HCN + NH (16)
CH
2
+ N
2
H
2
CN + N (17)
C + N
2
CN + N (18)
O HCN é então convertido em N através das seguintes etapas:
HCN NCO NH N (19)
Então o N se converte em NO seguindo os mecanismos:
N + O
2
NO + O (20)
N + OH NO + H (21)
31
O NO térmico representa mais de 70% de todo o NO formado, exceto quando se
tem combustão rica (excesso de combustível), quando se tem maior formação de NO
“prompt”, segundo Lacava (2000).
• NO
x
do combustível, resultante da oxidação do nitrogênio existente no
combustível, que em geral é quebrado em radicais de menor peso molecular
como o HCN, CN, NH
2
, NH e N, que posteriormente se converte em NO, por
reações que ocorrem no mecanismo proposto por Fenimore, apresentado por
Glarborg (1993), como mostra a Figura 9.
CH
3
C
2
H
3
+ OH,H
+O +C
+O
CH
2
HCCO
+
H,OH
+N
2
+O +H +OH
CH HCN NH N NO
+H +H +NO
+N
2
C CN NCO N
2
+CH,CH
2
+CH
3
+OH
+O
Figura 9 - Mecanismo de Fenimore (FONTE: Glarborg, 1993).
Pela Figura 10, nota-se que com a variação da razão de equivalência, tendo-se
como objetivo a diminuição das emissões de CO, pode-se obter um aumento nas
emissões de NO
x
, isso porque o NO térmico depende da relação entre a temperatura e
a razão de equivalência. Assim se torna necessário combater essas emissões
juntamente.
32
Figura 10 – Emissão de poluentes em função da razão de equivalência. (FONTE: Lefebvre, 1983)
Os hidrocarbonetos não queimados (UHC) podem ser definidos como aqueles
que são emitidos na atmosfera sem que tenham sido oxidados totalmente, ou os
resultantes da degradação térmica de hidrocarbonetos de maior peso molecular
naqueles de menor peso , segundo Lefebvre (1983). Normalmente, sua emissão está
associada à mistura entre combustível/oxidante e ao tempo de residência na câmara de
combustão, seu comportamento e as atitudes relacionadas ao seu controle, são
próximos aos tomados com relação às emissões de CO.
A emissão de fuligem está diretamente ligada à falta de oxigênio e a taxa de
mistura entre combustível e oxidante. Está associada às reações de craqueamento dos
hidrocarbonetos, reações que em fase gasosa geram núcleos condensados sólidos que
competem com o mecanismo de oxidação, ocorrendo mais significativamente em
misturas ricas e elevada temperatura, segundo Williams (1976).
33
CAPÍTULO 2 ESTRUTURA EXPERIMENTAL DO TRABALHO
Este capítulo apresenta os dispositivos referentes a toda a estrutura experimental
utilizada neste trabalho. Apresenta inicialmente a montagem experimental do
queimador e posteriormente faz uma descrição dos métodos usados para a realização
de medidas na região de chama, bem como dos equipamentos necessários e
especificações técnicas.
2.1 MONTAGEM EXPERIMENTAL
Como mencionado anteriormente, neste trabalho utilizou-se uma instalação com
a mesma configuração da instalação desenvolvida e caracterizada na Universidade
Técnica de Delft (TUDelft, Holanda), caracterizada também pela Sandia National
Laboratories (EUA) e pela Universidade de Sydney (Austrália).
Esta configuração é conhecida como queimador de Delft e tem sido utilizada
como configuração padrão para comparação de dados experimentais e de modelos
teóricos desenvolvidos. A Figura 11 apresenta o esquema do queimador de Delft,
utilizado pelas Instituições descritas acima. A montagem experimental original do
queimador utilizada neste trabalho encontra-se no Laboratório Associado de
Combustão e Propulsão (LCP) do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) de
Cachoeira Paulista, instituição esta que mantém convênio de pesquisa com a UNESP,
Campus de Guaratinguetá / SP. Tal instalação pode ser vista na Figura 12 e mostra: (a)
detalhe da saída do queimador, (b) esquema da estrutura experimental e (c) fotografia
desta montagem.
34
Queimador
Câmara
do Queimador
Ar
Ar
Ar
Combustível
Garganta
Figura 11–Esquema da saída do Queimador de Delft (à esquerda) e da estrutura experimental, composta pela
garganta e câmara que circundam o queimador (FONTE: Van den Bercken, 1998).
(a) (b) (c)
Figura 12 – Queimador de Delft original do LCP /INPE, (a) saída do queimador; (b) montagem experimental e
(c) fotografia da montagem.
35
Observa-se que a configuração original do queimador de Delft, possui a câmara
do queimador, que foi omitida do projeto desenvolvido no LCP / INPE, pois os testes
experimentais utilizados em trabalhos realizados neste queimador, necessitavam de
acesso direto à chama, o que seria inviabilizado pela câmara do queimador.
Este trabalho se propõe a utilizar a combustão pulsante no queimador de Delft,
através da excitação acústica do ar primário. Desta forma, foi construído um
queimador idêntico ao de Delft, tendo sido realizado neste, pequenas alterações para
adição do sistema acústico. Tal modificação refere-se, como mencionado, à linha de ar
primário que sofreu acréscimo em seu comprimento e na qual foram instalados o alto-
falante, responsável pela excitação acústica do ar, e a câmara de desacoplamento,
dispositivo este que simula tubo aberto para a atmosfera e permite a injeção do ar.
Ainda referente às modificações no queimador original, instalou-se um transdutor de
pressão e um medidor de temperatura PT 100, instalado na câmara de desacoplamento
e construiu-se uma estrutura para acesso à chama. Um esquema da montagem
experimental com as alterações realizadas pode ser visto na Figura 13 (a) e a fotografia
desta é mostrada na Figura 13 (b), enquanto a Figura 13 (c) apresenta um detalhe da
saída do queimador, com a chama piloto acesa.
36
36
Câmara
Desacoplament
o
Alto-Falante
PT-100
4
3
8
2
1
2
8
6
8
8
0
1
6
57
12
6
Entrada
Ar Primário
Entrada
Ar Secundári
o
Queimador
Te la
Tela
Colméia
Transdutor
Pressão
23
49
3
0
b)
(c)
(a)
Figura 13 – Instalação Experimental do Queimador alterada para inclusão de sistema acústico: (a) esquema, (b)
fotografia e (c) detalhe da saída do queimador, com a chama piloto acesa.
De uma forma geral, abaixo se encontram descritas as alterações realizadas no
queimador de Delft , conforme Figura 13 (a) para a inclusão do sistema acústico:
• Comprimento do tubo por onde flui o ar primário, de diâmetro 45 mm, foi
adicionado em 68 cm, através de flange, sendo fixado na parte inferior deste,
também através de flange, a câmara de desacoplamento e perpendicular ao
tubo, o alto-falante.
• Câmara de desacoplamento com diâmetro interno de 35 cm e altura de 16 cm,
foi adicionada e nesta foi colocada uma mangueira de ¾”, a 8 cm de sua base,
para a entrada de ar primário no arranjo experimental.
37
• O alto-falante foi instalado através de flanges, em posição estratégica, a qual
permite obter a maior amplitude de pressão possível no ar acusticamente
excitado, tendo sido colocado a 23 cm da extremidade superior da câmara de
desacoplamento.
• Todo o aparato experimental foi elevado a 75 cm do chão, através de vigas
em U, soldadas, formando uma estrutura para suportar o peso de todo o
arranjo. Foi também colocado um posicionador central para o queimador na
parte inferior da montagem, entre o transdutor de pressão e o alto-falante.
• Transdutor de pressão, colocado um a ¼ do comprimento do tubo de 45 cm,
ou seja, a 49 cm da extremidade superior da câmara de desacoplamento,
posição escolhida pela facilidade de acesso e por corresponder ao segundo
harmônico do tubo, possibilitando a medição das freqüências naturais do
queimador. O local onde foi fixado o transdutor de pressão foi
cuidadosamente calculado, de acordo com trabalho desenvolvido por Flügel
(2006). Este transdutor é responsável pela conversão do sinal de pressão
acústico em sinal elétrico.
• PT 100, com escala de 0 a 100
o
C, para se obter a temperatura do ar na
câmara de desacoplamento, colocado a 8 cm de sua base. A monitoração desta
temperatura se torna necessária para o cálculo dos harmônicos no queimador.
• Construção de estrutura com vigas em U (escada), tubos em aço inox
(corrimão), perfis retangulares de aço 1010 e chapa anti-derrapante
(plataforma) para acesso à chama com segurança para a realização dos testes
experimentais, conforme mostra a Figura 13 (b).
38
2.2 DESCRIÇÃO DA METODOLOGIA E ESPECIFICAÇÕES EXPERIMENTAIS
UTILIZADAS
Este item apresenta a metodologia e equipamentos utilizados no sistema
operacional. Inicialmente apresenta o sistema utilizado para a geração do campo
acústico a ser aplicado na chama e posteriormente, o sistema de posicionamento,
necessário à varredura axial e radial da chama o equipamento usado para monitorar a
chama. A seguir mostra a metodologia utilizada nos testes experimentais, bem como a
descrição e especificações dos equipamentos usados neste trabalho, referentes à
análise na região de chama, dos gases e da temperatura, assim como para a realização
de tomografia de chama.
2.2.1 Sistema de atuação acústica
Neste trabalho é aplicado um campo acústico diretamente sobre o ar primário do
sistema operacional. O esquema do sistema de atuação acústica, responsável pela
oscilação da chama, pode ser visto na Figura 14. A fonte do campo acústico é o alto-
falante Snake, modelo ESX 125 de 12”, com impedância nominal de 8 ohms e 400W
de potência, responsável pela excitação acústica do ar, suportando uma tensão de 30V,
monitorada por multímetro Minipa MS60. O sinal eletrônico responsável pela forma
da onda (senoidal) e pela freqüência é gerado em um gerador de funções Agilent
33120A, com amplitude de 1,4 Vrms (1,98 V de pico). Antes de ser injetado no
circuito do alto-falante, o sinal eletrônico passa por um amplificador Advanced
XT550.
Para se verificar a amplitude de pressão do ar excitado, colocou-se um transdutor
piezoelétrico Kistler 7261, que converte o sinal de pressão acústica em sinal elétrico.
Esse sinal proveniente do transdutor passa por um amplificador de carga Kistler 5006,
sendo na seqüência lido em multímetro Minipa 2082.
39
Gerador
Funções
Amplificador
Amplificador
Carga
Multímetro
Multímetro
Transdutor
Pressão
Alto-Falante
4
9
2
3
1
9
6
Figura 14 – Esquema do Sistema de Atuação Acústica.
2.2.2 Sistema de posicionamento e monitoramento da chama
O sistema de posicionamento permite que sejam feitas medidas tanto na direção
axial quanto radial da chama. A este sistema podem ser acoplados os medidores de
gases e de temperatura, possibilitando a varredura da chama, característica
fundamental para a realização deste trabalho. Uma descrição detalhada dos pontos de
varredura será apresentada no item 4.1.2.
A combinação de um conjunto de dispositivos, formado por uma mesa de
coordenadas, uma escala vertical e barra metálica (Graminho), resultou no sistema de
posicionamento, que permite leituras de até 1/10 mm tanto nas variações axiais quanto
radiais. A Figura 15 (a) mostra uma visão frontal do sistema de posicionamento (mesa
de coordenadas e parte da escala vertical e barra metálica) e (b) mostra a visão lateral
do sistema de posicionamento.
40
(a) (b)
Figura 15 – Sistema de Posicionamento (a) visão frontal, (b) visão lateral.
Para movimentar o sistema de posicionamento foi utilizado um dispositivo
mecânico, com comando através de micro computador, composto por um motor de
passo, Step Syn, Modelo: 103814–5242, DC: 2,5 V, 4,6 A, com 1.8 graus/passo, um
programa desenvolvido para este fim específico e um circuito eletrônico para interface
de controle de motor de passo. O programa para controle do motor de passo, existente
no LCP / INPE, foi desenvolvido em linguagem de programação Borland C++.
A fim de monitorar a chama, visto que o sistema de aquisição de dados está
fixado em local distante do queimador, foi utilizado um dispositivo de visualização
composto de mini câmera e aparelho de TV, sendo indispensável sua utilização, pois
uma possível extinção da chama poderia gerar riscos de explosão.
41
2.2.3 Análise de gases
2.2.3.1 Sonda para captação de gases
Neste trabalho foi utilizada uma sonda refrigerada para a realização da análise
dos gases na região de chama. Por esta metodologia constituir método intrusivo, no
desenvolvimento de seu projeto, levaram-se em consideração as possíveis influências
dinâmicas, químicas e térmicas sobre o escoamento reativo, com o intuito de se
minimizar tais efeitos.
A introdução de uma sonda em um escoamento, causa uma perturbação fluido-
dinâmica (altera a distribuição de pressão estática), mas isto ocorre principalmente em
escoamentos com baixa velocidade ou escoamentos com “swirl”. Neste trabalho, tem-
se escoamento turbulento, o que constitui portanto, um pré-requisito para minimização
de erros.
Segundo Bilger (1976), para minimizar a perturbação fluido-dinâmica da sonda,
a distância entre a extremidade e o corpo da sonda deve ser de no mínimo, sete vezes
o diâmetro da mesma e o ângulo de sua extremidade superior tem de ser pequeno o
suficiente para não distorcer a chama e a amostra de gás.
Outro fator que deve ser considerado é o material com que foi construída a
sonda, pois as características catalíticas de alguns metais poderão causar erros
significativos na medida da temperatura e da concentração das espécies químicas
segundo Bowman (1977). Apesar da atividade catalítica ocorrer em sondas metálicas,
foi observada sua ocorrência também em sondas de quartzo, conforme Collins e
Downs (1975) e de sílica de acordo com Allen (1975).
Levando em consideração todas estas observações e a viabilidade econômica,
optou-se por construir a sonda, com as mesmas dimensões da sonda existente no
LCP/INPE, utilizada no trabalho de Andraus (2003), seu esquema pode ser visto na
Figura 16.
42
A sonda foi construída em aço inoxidável 304 com canais isolados para
refrigeração, sendo este último requisito necessário para cessar as reações químicas
dos gases succionados e para manter as características mecânicas desta.
8
3
8
380
330
50
1
0
0
30
20
Entrada Água
Saída Água
5
3
Detalhe A
6
3,5
1
2
1
6
1
2,
5
Detalhe A
Ângulo
Cone: 14º
Figura 16 – Esquema da Sonda dos Gases (dimensões em mm)
Ela possui diâmetro de 1 mm, com um ângulo de cone de 14
o
, ou seja, menor
que 20
o
, condição necessária para sondas construídas em material com alta taxa de
perda de calor e/ou alta atividade catalítica em 100 kPa. A Figura 17 apresenta o
sistema de posicionamento e a sonda de gases.
43
Sonda
Gases
Sistema de
Posicionamento
Figura 17 – Sistema de posicionamento acoplado com a Sonda de Gases.
2.2.3.2 Instrumentação para análise dos gases
Para a obtenção das concentrações das espécies, foram utilizados um analisador
do tipo quimiluminescente, com erro de medida de ± 0,5% para análise do NO
x
,
analisadores do tipo infravermelho para as análises de CO 5% com erro de medida de
± 0,05%, de CO 10% com erro de medida de ± 0,1% e CO
2
com erro de medida de ±
0,2% e um analisador do tipo termomagnético para o O
2
com erro de medida de ±
0,2%.
A Figura 18 mostra o esquema global da montagem experimental com a sonda
refrigerada para análise dos gases, os analisadores de gases e o sistema de aquisição de
dados (ver item 2.2.5). Mostra também a chama a ser analisada e todo o percurso feito
pela amostra dos gases coletada da chama, através de bomba de diafragma, sendo
primeiramente retirada a água desta através de condensador. Posteriormente a amostra
passa por filtros montados em série para reter particulados maiores que 25µm e filtros
de membrana Milipore de fibra de vidro para particulados menores, até atingir os
analisadores, os quais utilizam gases de calibração.
44
Bomba Tipo
diafragma
Chama
Rotâmetro
Água
Água
Água
Água
Gás
Span
Gás
Zero
Exaustão
Condensador
FiltroFiltro
Transdutor
Pressão
Sonda
Refrigerada
Exaustão
Gás
Natural
N
Ox
CO O2
C
O2
12 bit A/D
Figura 18 – Esquema Geral da Instalação Experimental
A fim de determinar a vazão adequada para que sejam succionados os gases
apenas do ponto desejado e não da vizinhança, um cuidado especial foi adotado na
sucção das espécies majoritárias na chama. Sempre há a necessidade de se minimizar
as influências da introdução da sonda no escoamento da chama, o que é alcançada com
velocidade de sucção isocinética. Entretanto, as perturbações são mais significativas
em escoamentos matematicamente descritos por equações elípticas, sendo que, em
escoamentos parabólicos em que os erros nas medidas são minimizados. Como este
escoamento, sendo parabólico, faz com que não seja necessária amostragem
isocinética.
Neste trabalho foi utilizada a vazão de sucção proposta por Andraus (2003). Em
seu trabalho a fim de verificar a vazão de sucção ideal para a sucção dos gases da
chama e ao levar em consideração os analisadores de gases, notou que a vazão ideal
seria da ordem de 3 l/min, dividida em:
• 0,75 l/min para os analisadores de CO, CO
2
, montados em série;
• 0,25 l/min para o analisador de O
2
;
45
• l/min para o analisador de NO
x
.
Entretanto esta vazão se tornou inviável, ao ser levado em consideração, as
influências da sonda no escoamento, visto que havia a sucção dos gases da região
vizinha do ponto analisado na chama. Desta forma foi adotada a vazão de sucção da
sonda de 1 l/min, dividida em:
• 0,4 l/min para os analisadores de CO e CO
2
;
• 0,4 l/min para o analisador de NO
x
;
• 0,2 l/min para o analisador de O
2
.
2.2.4 Sistema de medição de temperatura
Os termopares constituem um dos instrumentos experimentais mais utilizados
em pesquisas realizadas em combustão. Podem ser utilizados para determinar
temperaturas locais médias e flutuações de temperatura (Andraus, 2003; van den
Bercken, 1998; van Maaren, 1994; Heitor e Moreira, 1985; Bradley e Matthews,
1968).
O sistema de medição de temperatura na chama é constituído de sonda, suporte
para sonda, termopar tipo R e suporte para todo este conjunto, necessário para acoplar
este dispositivo ao sistema de posicionamento, conforme mostrado na Figura 19. As
medidas de temperatura obtidas na chama, são enviadas para o sistema de aquisição
de dados, tópico este a ser tratado no item 2.2.2.5.
Este sistema de medição de temperatura construído, descrito acima, possui as
mesmas características do sistema anteriormente existente no LCP/INPE.
O termopar de fio fino, do tipo R, feito em liga Pt/PtRh 13% de 38µm, permite,
devido à sua pequena espessura, obter medidas de temperatura média no interior da
46
chama e das flutuações de temperatura, podendo ser utilizado em temperaturas de até
1900 K.
É constituído por um fio de 38µm e por outro fio com a mesma composição
química, porém com diâmetro maior, de 500µm, o qual que age como haste condutora,
necessária por ter maior resistência mecânica e por tornar mais fácil seu manuseio,
aumentando o tempo de vida útil do termopar. Este conjunto de fios é colocado no
interior de um tubo capilar cerâmico de alumina (Al
2
O
3
) com teor de pureza de 99,7%
e depois o tubo cerâmico é então colocado no interior de um tubo de aço inoxidável, o
qual age como uma sonda. A Figura 19 mostra os esquemas do (a) termopar tipo R e
(b) da Sonda do termopar de fio fino, respectivamente.
Pt Rh 13%, 38µm
Pt Rh 13%, 500µm
Pt , 38µm
Pt , 500µm
(a) (b)
Figura 19 – (a) Esquema do Termopar Tipo R no interior do Tubo Cerâmico (b) e Esquema da Sonda do
Termopar de Fio Fino.
Um cuidado especial foi tomado com relação à solda dos fios do termopar. Para
tal, foi utilizada uma bancada existente no Laboratório Professor Feng, no Instituto
Tecnológico de Aeronáutica (ITA). A soldagem foi feita colocando-se as extremidades
dos fios uma em frente à outra e passando-se uma corrente através dessas. É necessária
uma carga entre 90 e 120 mJ durante 400 ms para se soldar os fios Pt e Pt Rh 13% do
termopar tipo R.
47
A Figura 20 mostra (a) uma fotografia da sonda fixada no suporte e (b) o detalhe
da extremidade da sonda onde são acoplados os fios de 38µm.
(a) (b)
Figura 20 – (a) Sonda fixada no suporte, (b) Detalhe da extremidade onde são fixados os fios de 38µm.
2.2.5 Sistema de aquisição de dados
O Sistema de Aquisição de dados é formado por um módulo de condicionamento
de sinal da National Instruments, SCXI - 1102, composto por uma placa de aquisição
de dados, modelo PCI - AT-MIO 16E, com velocidade de aquisição de 1,25MS, com
32 Canais de Entradas para Termopares, 16 Canais de Entradas Analógicas, 10 Canais
de Entradas diferenciais, 6 Canais de Saídas digitais. A aquisição é feita em ambiente
Lab View, versão 6I.
48
A Figura 21 apresenta uma das telas do sistema de aquisição de dados utilizado
neste trabalho.
Os sinais provenientes das medidas das concentrações dos gases, da temperatura
e da freqüência e amplitude de pressão, aplicadas ao escoamento, são enviados para
este sistema de aquisição e armazenados.
A cada dois segundos é impressa em uma planilha, a leitura das medições das
concentrações das espécies majoritárias, da freqüência e amplitude de pressão, sendo
cada leitura impressa, a média de 100 leituras feitas. Para cada condição de teste
realizada esperou-se que o sistema entrasse em regime permanente e então se iniciava
a coleta de dados.
Figura 21 – Amostragem da tela do sistema de aquisição de dados
2.2.6 Tomografia de chama
Através da análise tomográfica, torna-se possível realizar o mapeamento de
propriedades físicas, como por exemplo, a distribuição dos radicais na chama, objeto
de estudo deste trabalho, sendo possível a verificação qualitativa dos mesmos, devido
á quimiluminescência.
De uma forma geral, a aquisição de imagens para a tomografia de chama, requer
a utilização de câmera CCD para a obtenção das imagens, filtros interferométricos e
49
computador, acoplado de placa de captura de imagens. A Figura 22 apresenta um
esquema do sistema de aquisição de imagens no processo tomográfico.
1
2
3
4
Figura 22 – Esquema do sistema de aquisição de imagens: 1) Chama a ser estudada; 2) Filtro Ótico; 3) Câmera
CCD; 4) Computador.
Para a realização da tomografia se tornou necessário a construção de um
tomógrafo. Segundo Veríssimo (2006), para a realização adequada do projeto de um
tomógrafo, é imprescindível uma análise teórica dos parâmetros do sistema óptico.
Com relação à reconstrução das imagens obtidas pela CCD, neste trabalho optou-se
pela utilização de um algoritmo desenvolvido no LCP/INPE.
Assim, os subitens a seguir, apresentam uma breve descrição sobre a
quimiluminescência, o estudo teórico do sistema óptico, o projeto do tomógrafo, o
algoritmo usado nesta análise e por fim apresenta a descrição técnica dos
equipamentos componentes do sistema de tomografia.
2.2.6.1 Quimiluminescência
A quimiluminescência ocorre quando moléculas eletronicamente excitadas
(radicais) decaem para o estado fundamental, emitindo uma luz (fóton).
50
Esses radicais emitem fótons em determinados comprimentos de onda. Para
identificar a presença e a distribuição dos radicais existentes nas chamas, há a
necessidade de se utilizar filtros ópticos, que deixam passar a luz dentro de um
intervalo de comprimento de onda especificado. Ao selecionar um determinado
comprimento de onda do filtro óptico, pode-se identificar a presença e a distribuição
do radical (correspondente aquele comprimento de onda) na chama.
As principais espécies químicas que emitem fótons, através da
quimiluminescência, em chamas são o C
2
, CH e OH.
Este trabalho apresenta os resultados da análise tomográfica realizada na região
de chama com filtros de interferência na região do visível para os radicais C
2
e CH e
também para a Fuligem.
A Figura 23 ilustra o processo de quimiluminescência, mostrando exemplos dos
mecanismos de reação do C
2
e CH, produzindo moléculas eletronicamente excitadas
(C
2
*
e CH*), respectivamente.
Figura 23 – Esquema do Processo de Quimiluminescência e suas respectivas linhas de emissão.
A Tabela 7 apresenta a banda da emissão quimiluminescente de alguns radicais.
51
Tabela 7 - Banda de emissão quimiluminescente de alguns radicais (FONTE: Peterson e Oh, 2000).
Radical
Banda de
emissão (nm)
CN
359 – 422
CH
420 – 440
C
2
438 – 516
OH
306 – 330
280 – 287
NH
320 – 340
Outra forma de energia radiante procedente da combustão é a chamada “radiação
de corpo negro”.
O corpo negro é definido como um corpo capaz de absorver toda radiação
eletromagnética de qualquer comprimento de onda que nele incida (absorvedor
perfeito). Por outro lado, em equilíbrio termodinâmico com o meio, o corpo negro,
pelo princípio da conservação da energia, deverá ser um emissor perfeito. A interação
das ondas eletromagnéticas com a matéria do corpo se dá devido ao fato de a matéria
ser formada de partículas eletricamente carregadas em constante movimento
oscilatório. Sempre que as cargas mudam seu estado de movimento há a emissão de
radiação eletromagnética.
A fuligem numa chama é composta por partículas de carbono que se formam pela
queima incompleta de combustível. Estes aglomerados têm, de maneira geral,
geometria esférica e vão se comportar como emissores de radiação térmica. Suas
emissões máximas de radiação dependerão da temperatura.
Por este motivo, o mapeamento de radicais numa chama deveria ser executado
utilizando-se filtros interferométricos que permitissem a passagem de radiação na faixa
52
de comprimento de onda e como a fuligem emite radiação em todos os comprimentos
de onda, o estudo de radicais por emissão quimiluminescente, utilizando-se desses
filtros, deve ser feito em chamas limpas, ou seja, sem a presença de fuligem.
A Tabela 8 apresenta os filtros ópticos interferométricos, referentes aos
comprimentos de onda emitidos pelos radicais analisados neste trabalho.
Tabela 8 – Radicais analisados neste trabalho e comprimentos de onda dos filtros interferométricos respectivos a
tais radicais.
Radical
Comprimento de onda do Filtro Interferométrico
(nm)
CH 435,8
C
2
514,5
Visto que a fuligem é emitida em todos os comprimentos de onda, aqui se optou
por utilizar um filtro de 800 nm para a análise desta, visto que este comprimento
encontra-se distante de 516 nm, que corresponde ao máximo comprimento de onda no
qual ocorre emissão do radical C
2
e de 435,8 que corresponde ao radical CH, sendo
ambos os radicais analisados neste trabalho. Assim, provavelmente em 800 nm será
obtida somente a emissão da fuligem.
2.2.6.2 Análise teórica do sistema óptico
Para o desenvolvimento do projeto do Tomógrafo e a obtenção de resultados
confiáveis, provenientes da aplicação do algoritmo de reconstrução tomográfica, se
torna relevante levar em consideração alguns parâmetros ópticos, para se realizar o
adequado projeto do tomógrafo, utilizando-se para tal da Óptica Geométrica e da
Óptica de Fourier, segundo Veríssimo (2006). Desta forma, o estudo baseado na
Óptica Geométrica é apresentado a seguir.
53
Maiores detalhes sobre a Óptica de Fourier podem ser obtidos no trabalho de
Veríssimo (2006).
O conhecimento de tais fundamentos ópticos permite estimar a distância em que
a câmera deverá ser posicionada em relação à chama e verificar se a imagem formada
é aquela que contém todas as informações necessárias e confiáveis para a realização da
análise experimental, informações estas tais como, a resolução, a profundidade de
campo, “f number”, magnificação entre outras.
Mediante tais informações torna-se possível a minimização do erro causado pelo
sistema de aquisição de dados, a fim de se poder realizar a reconstrução confiável das
secções transversais, ou mesmo de uma estrutura tridimensional da chama.
Entende-se por resolução de um sistema óptico o menor detalhe do objeto que
pode ser distinguido na imagem. Por profundidade de campo entende-se como a
extensão da área da imagem que aparece totalmente no foco do sistema óptico, ou seja,
é a mínima e máxima distância em que um objeto pode ser posicionado em relação ao
sistema óptico, mantendo a nitidez da imagem neste sistema.
A magnificação é o tamanho da imagem formada em um plano, neste caso na
câmera CCD, e o “f number” é a relação entre a distância focal e a abertura da lente,
sendo este um número adimensional.
Assim, torna-se necessário estudar qual é a melhor abertura efetiva da lente, AL,
para obter a profundidade de campo maior que o objeto a ser estudado (chama), e
assim posicionar a câmera CCD de modo que obedeça a todos estes parâmetros,
formando uma imagem confiável em seu sensor.
O sensor da câmera é composto de vários elementos microscópicos que recebem
o nome de pixel.
Pixel vem do inglês “Picture” (Pix é a abreviatura em inglês para Picture) e
“Element”, ou seja, elemento da imagem, ao qual é possível atribuir-se uma cor. Ou
seja, um pixel é a menor unidade de uma imagem digital (CCD), sendo que o conjunto
de milhares de pixels formam a imagem inteira. Assim quanto maior for o número de
pixels, melhor a resolução que a imagem terá. Trata-se de um sensor de imagem
54
constituído, na verdade, pelo agrupamento de milhares ou milhões de minúsculos
sensores. Os pixels têm formato quadrado, correspondendo ao formato desses
minúsculos sensores que capturam a luz.
Entretanto pixel ao ser analisado um objeto, neste caso a chama, tem significado
diferente, cada pixel representa o valor da integração ao longo da chama e o mesmo
define a resolução da imagem formada pelo sistema óptico e conseqüentemente a
resolução da região de reconstrução.
Assim, a Figura 24 mostra o esquema da imagem formada no sistema óptico,
bem como os principais parâmetros de uma lente de câmera CCD, segundo a Óptica
Geométrica.
F
F’’
P1
P2
f
f
A
L
objeto
imagem
H
H
’’
P
prin
P’’
prin
Figura 24 –Formação da imagem no sistema óptico e os principais parâmetros de uma lente
Onde:
• F = ponto focal entre a lente e o objeto
• F’’ = ponto focal entre a lente e a imagem
• f = distância focal
e P ”= pontos principais da lente
• P
prin prin
• P1= distância do objeto ao ponto principal P
prin
55
• P2 = distância da imagem ao ponto principal P ”
prin
• ΔH = tamanho do objeto
• ΔH” = tamanho da imagem
• AL = abertura efetiva da lente
Assim, utilizando-se da Geometria Óptica, a profundidade de campo pode ser
calculada através da equação:
2
/#42 fRP
c
λ
==
AL
f
(22)
Onde:
= Profundidade de campo
• P
c
• R = Resolução do sistema óptico
• f = Distância focal
• AL = Abertura da lente
•
λ
= Propagação de onda no meio
=
número f, (f-number, na língua inglesa)
• f /#
Sendo:
/#22 fR
λλ
==
AL
f
(23)
, onde “n” é o índice de refração do meio (24) n
o
/
λ
λ
=
A
L
f
=/#f
(25)
56
Para o desenvolvimento do tomógrafo, foi necessário também levar em
consideração a Magnificação, denotada por Mag, definida pela relação:
P1
P2
=Mag
(26)
Desta forma, se o tamanho da imagem for menor do que o tamanho do objeto a
magnificação será menor do que um, se forem iguais a magnificação será igual a um e
se for maior, a magnificação será maior do que um.
Para o cálculo da distância do objeto até a lente (P1) e a distância da lente até o
plano-imagem (P2), tem-se:
2
1
1
1
PP
+=
f
1
(27)
Isolando P1 e P2 em (26) e substituindo-os respectivamente em (27), tem-se:
Mag
)Mag(
+
=
1
fP1 (28)
(29) )Mag( += 1fP2
2.2.6.3 Tomógrafo
O tomógrafo foi projetado para acoplar 6 (seis) câmeras CCD fixadas em
diversos ângulos em torno da chama, obtendo de forma simultânea e instantânea a
aquisição de imagens, ou para acoplar uma única câmera, girando em vários ângulos
ao redor da chama. Problemas técnicos com a placa de captura, utilizada para acoplar
as seis câmeras tornou inviável tal configuração. Optou-se então pela configuração
com uma câmera CCD, na qual a placa de captura utilizada, fornece a imagem
57
resultante da média das imagens obtidas na chama para a realização da reconstrução
tomográfica da chama.
Ao levar-se em consideração os parâmetros ópticos acima descritos, objetivando
a redução dos custos e principalmente a redução do tempo de realização deste projeto,
construiu-se o primeiro tomógrafo, como mostra a Figura 25. Para tal, utilizou-se um
anel em liga de alumínio de 64 cm, diâmetro interno de 58cm e altura de 2,5 cm,
tendo sido nele acoplado um braço em perfil retangular para adaptar a câmera CCD.
Testes iniciais, mostraram que tal estrutura em liga de alumínio não suportou a
massa do braço e da CCD devido à sua pequena espessura e pouca resistência,
dificultando seu giro nos diferentes ângulos a serem utilizados nos testes
experimentais. Além deste fato, a estrutura mostrou-se não estável com a utilização do
campo acústico, pois esta vibrava em demasia quando se iniciava a aplicação do
campo acústico, tornando assim, impossível a obtenção de imagens confiáveis,
capturadas pela CCD.
20cm
125cm
4,5cm
19cm
2,5cm
64cm
Ext
58cm
Int
140cm
Figura 25 –Esquema do Tomógrafo inicialmente projetado para este trabalho.
58
A partir dos estudos já realizados do sistema óptico, projetou-se o segundo
tomógrafo, utilizando-se algumas partes da estrutura do primeiro, mais robusto e de
forma a atender às necessidades de estabilidade e resistência para a realização dos
experimentos tomográficos, cujo esquema pode ser visto na Figura 26.
Figura 26 – Esquema do segundo Tomógrafo
O arranjo experimental do tomógrafo com a câmera CCD e um detalhe deste,
alocado próximo ao queimador podem ser vistos, respectivamente na Figura 27 (a) e
(b).
59
(
a
)
(
b
)
Figura 27 – Segundo tomógrafo acoplado com a CCD (a) Arranjo Experimental, (b) detalhe deste próximo ao
queimador.
O tomógrafo consiste em um anel de alumínio, com diâmetro externo de 50 cm,
diâmetro interno de 40 cm e altura de 5 cm, acoplado de braço com sistema de giro de
360 graus (obtido através do uso de rodas de nylon) e contra-peso para fixação de
CCD’s, através de suporte, a fim de posicionar a câmera CCD em diversos ângulos de
projeção a uma distância adequada da chama.
Optou-se, como já mencionado, pela utilização de uma câmera movimentando-se
ao redor da chama em diversos ângulos, de 0
o o o
a 170 , variando de 10 .
Para a montagem e instalação do sistema tomográfico foi necessário elevar a
estrutura experimental em 10 cm, através de perfis de aço, além da necessidade da
desmontagem e re-montagem de partes do arranjo experimental. Posteriormente,
centralizou-se e nivelou-se tanto o queimador quanto o tomógrafo, para garantir que a
câmera CCD capturasse os dados em um único plano perpendicular correspondente ao
eixo central do queimador. Posteriormente, a fim de garantir a mesma aquisição de
imagens pela câmera CCD para todas as condições de testes, realizaram-se testes em
todas as posições axiais e radiais utilizadas neste trabalho, verificando-se que para
todas as variáveis, não havia alterações nas imagens capturadas pela CCD.
60
Para a luminosidade não interferir nos resultados, o experimento foi realizado em
uma sala de cor preta fosca, tendo sido colocado no tomógrafo na posição de 180
o
em
relação à CCD, um fundo de zinco, com altura de 110 cm e largura de 46 cm, pintado
em preto fosco, sendo que este fundo gira à medida em que a CCD gira, ou seja, o
fundo gira junto com a CCD, garantindo assim, que para todos os testes em todos os
ângulos se mantivesse a mesma intensidade luminosa de fundo para a chama.
A fim de impedir a ocorrência de trepidações na câmera CCD, durante a captura
das imagens por ocasião da imposição do campo acústico, foram adaptados três
suportes de borracha anti-vibratório, posicionados entre este e a parede.
2.2.6.4 Equipamentos constituintes do sistema de análise tomográfica
A obtenção de imagens da chama para a realização da reconstrução tomográfica,
requer a utilização de equipamentos específicos e adequados, a fim de garantir a
correta captura e armazenamento dessas imagens para posterior reconstrução
tomográfica. Para tal, utiliza-se uma câmera CCD, sendo nesta acopladas uma lente
objetiva e posteriormente filtros interferométricos em comprimento de onda específico
para cada espécie a ser analisada. As imagens captadas pela CCD são processadas em
um computador, utilizando-se placa de captura de imagens. A Figura 28 mostra um
esquema do funcionamento de uma câmera CCD. Posteriormente, realiza-se então a
reconstrução tomográfica das imagens.
61
[
C
]
[A]
[B]
Filtro
Figura 28 - Esquema representando raios de luz sendo transformados em sinais elétricos por uma câmera CCD
(Charge Coupled Device). (FONTE:Silva, 1999).
A especificação técnica dos equipamentos utilizados na tomografia é descrita a
seguir:
• Câmera CCD Marshall V-1070-EIA, 480 linhas na vertical e 520 linhas na
horizontal com sensibilidade mínima de 0,02 LUX (unidade de medida da
intensidade da luz), sendo o tamanho do sensor CCD de 7,95mm x 6,45mm
com controle do seu tempo de exposição à luz entre 1/125 á 1/10000
segundos;
• Lente Objetiva Fujinon CF50B 1:1,4/50;
• Placa de captura Matrox Meteor/RGB com taxa de aquisição de até 42Mb/s;
• Filtro interferométrico, da Melles Griot, na região do visível de comprimento
de onda de 800 nm (para a fuligem); Tolerância de +3,0/-0 nm; FWHM (Full-
62
Width Half-Maximum): 10±2 nm; Pico de transmitância mínima de 45%;
Diâmetro de 50mm; P/N: 03 FII 004.
• Filtro interferométrico, da Melles Griot, na região do visível de comprimento
de onda de 514,5 nm (para o radical C
2
); Tolerância de +2,0/-0 nm; FWHM
(Full-Width Half-Maximum): 10±2 nm; Pico de transmitância mínima de
50%; Diâmetro de 25 mm; P/N: 03 FIL 004.
• Filtro interferométrico, da Melles Griot, na região do visível de comprimento
de onda de 435,8 nm (para o radical CH); Tolerância de +2,0/-0 nm; FWHM
(Full-Width Half-Maximum): 10±2 nm; Pico de transmitância mínima de
40%; Diâmetro de 25 mm; P/N: 03 FIM 004.
A Figura 29 apresenta o conjunto formado pelo sistema para aquisição de
imagens.
Lente
Objetiva
CCD
Filtro
Interferométrico
Suporte
Conjunto
Tomográfico
Suporte
Ebonite
para Filtro
Figura 29 – Conjunto responsável pela aquisição de imagens para tomografia.
Utilizou-se uma distância de trabalho de 140 cm entre a CCD e a chama,
conforme Figura 26, distância focal 1,5 e “f number” 4.
63
Os filtros interferométricos foram acoplados na objetiva através de suportes de
ebonite.
O tempo de aquisição e armazenamento dos dados no computador foi cerca de 40
segundos para uma média de 150 imagens e o tempo de posicionamento do braço
articulado em cada ângulo de projeção de aproximadamente 3 minutos, com o
obturador
(estrutura responsável pelo controle do tempo em que a luz irá incidir sobre
a CCD).
Foi utilizada a mesma abertura óptica e tempo de exposição dos pixels para
aquisição das imagens para todos os testes.
2.2.6.5 Algoritmo usado na análise tomográfica
Como mencionado acima, para a realização da análise tomográfica de chama,
optou-se aqui por utilizar o algoritmo para reconstrução bidimensional de chama
denominado “Retro-projeção”, ou na língua inglesa, “Back Projection”. O princípio
consiste em redistribuir as projeções, neste caso, coletadas pelo sensor de uma câmera
CCD, ao longo da região de reconstrução.
Este algoritmo, foi desenvolvido com correções e adaptações para a realização de
tomografia em chamas, utilizando-se de poucos ângulos, no Laboratório Associado de
Combustão e Propulsão - LCP do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais – INPE,
por Veríssimo (2002, 2003, 2004 e 2006).
Em princípio, o diagnóstico de chamas por tomografia é a reconstrução de uma
secção transversal da chama a partir de suas projeções. No sentido exato da palavra,
uma projeção em um dado ângulo é a integral da imagem na direção daquele ângulo.
Este algoritmo é baseado na transformada de Radon, segundo Radon (1917), ou
seja, a transformada inversa e possibilita, além da reconstrução de objetos
axissimétricos, a reconstrução de objetos sem simetria, utilizando-se de poucos
ângulos de projeção, obtendo-se resultados consideráveis com relação à distribuição
64
espacial dos radicais. Inicialmente é feita a aquisição de imagens através de câmera
CCD e posteriormente é realizada sua reconstrução tomográfica, através do algoritmo
“Back Projection”.
O princípio básico da Transformada de Radon é que são realizadas várias
integrais de linha em um ângulo fixo e o conjunto das integrais realizadas é
denominada projeção em um ângulo. O sensor da câmera é composto de vários
elementos microscópicos sensíveis à luz e cada elemento recebe o nome de pixel. O
valor em cada pixel é o resultado de todas as emissões das radiações provenientes da
chama, que representa a integração ao longo da mesma, porém, como o pixel tem uma
largura, entende-se que a integração é feita ao longo de uma faixa que atravessa a
chama. Com isso presume-se que o tamanho de cada pixel e a sua quantidade, define a
resolução da imagem formada pelo sistema óptico e conseqüentemente a resolução da
região de reconstrução.
Assim, o conjunto de integrais de linha em um ângulo fixo é a Transformada de
Radon naquele ângulo, chamada de projeção.
O conjunto das infinitas projeções denomina-se a Transformada de Radon da
função.
A Equação 30 descreve o operador “Back projection” sobre a função projeção.
∫
+==
π
φφφφφ
0
d),sinycosx(f),p(fB)y,x(b
((
(30)
O resultado é uma imagem “borrada” que não representa a função, que se deseja
reconstruir, em duas dimensões. Para obter a imagem real em duas dimensões é
preciso aplicar a convolução ao resultado da equação (30) com o inverso do raio, ou
seja:
()()
[
]
∫∫
∞
∞−
∞
∞−
−+−
==
2
1
22
1
'yy'xx
'dy'dx)'y,'x(f
r
**)y,x(f)y,x(b
(31)
65
Onde:
φ
cosrx =
φ
sinry = .
Este algoritmo permite a utilização de vários ângulos de projeção, desta forma,
este poderá ser utilizado ao se realizar a aquisição de imagens de várias câmeras CCD.
66
CAPÍTULO 3 DETERMINAÇÃO DAS CONDIÇÕES DE TRABALHO
3.1. CÁLCULOS INICIAIS
Este capítulo apresenta os cálculos necessários para se determinar as condições
iniciais do trabalho, tendo sido estas adotadas em todo o desenvolvimento que se
seguiu.
Inicialmente mostra-se o procedimento para obtenção das vazões dos gases de
alimentação da chama principal (gás natural e ar primário) e da chama piloto
(acetileno, hidrogênio e ar), através do balanço de massa. Em seguida, é mostrado o
cálculo dos cinco primeiros harmônicos no queimador de Delft, modificado, para a
inclusão do sistema acústico e por fim o cálculo do número de Reynolds para as
condições de entrada dos gases da alimentação da chama principal.
3.1.1 Vazões dos gases de alimentação
Na chama principal tem-se como combustível o gás natural (GN), proveniente de
cilindros de estocagem, queimando difusivamente com o ar primário, obtido por
compressor à pistão modelo MSWV 72 FORT / 425, marca SCHUZ. Na chama piloto
tem-se como combustível uma mistura de acetileno / hidrogênio e como oxidante o ar,
todos provenientes de cilindros, tendo suas vazões medidas por rotâmetros.
Foram determinadas a priori, as vazões dos gases reagentes. Assim pré definiu-se
a vazão mássica de gás natural veicular e a razão de equivalência global (Ø
G
), tendo
sido adotados os valores propostos por Andraus (2003). As vazões de alimentação dos
demais gases reagentes foram então calculadas a partir destes parâmetros, utilizando-
se do princípio de conservação de massa.
67
Desta forma, a Tabela 9, apresenta os parâmetros pré-definidos com relação à Ø
G
e à vazão de alimentação do GN, utilizadas neste trabalho. A seguir são apresentados
os cálculos referentes às vazões dos demais reagentes.
Tabela 9 – Condições de alimentação a serem utilizadas no trabalho.
Condição Razão de Equivalência Global
(Ø
Gás Natural (GN)
G
)
(g/s)
I 0,82 0,21
II 0,95 0,29
3.1.1.1 Velocidade do ar secundário e vazão do ar primário
O ar secundário é fornecido por compressor radial, com vazão de ar constante
para ambas as condições de trabalho e velocidade aproximada de 0,35 m/s, garantindo
um escoamento laminar.
Com relação ao cálculo do ar primário, tem-se na estequiometria, para a reação
de 1 mol de GN com ar:
+ 0,067 C
0,8944 CH
4 2
H
6
+ 0,0226 C
3
H
8
+ 0,0046 C
5
H
12
+ 0,008 N
2
+ 0,0034 CO
2
+
+ 2,1731 (O
+ 3,76 N
2 2
) 1,1226 CO
2
+ 2,1078 H
2
O + 8,178856 N
2
Para Ø menor ou igual a 1,0 pode-se usar para cálculo da vazão de ar equação:
G
()
ProdutosN 3,76 O
Ø
1731,2
GNV1
22
G
→++
68
Sendo a massa molecular do O = 32 g/gmol, do GN = 17,999 g/gmol e do N
2 2
=
28 g/gmol, tem-se na Tabela 10, o balanço de massa para a reação do gás natural, do ar
primário para as vazões e razões de equivalência adotadas, bem como a potência das
respectivas chamas e a velocidade do ar secundário.
Tabela 10 – Condições de entrada dos gases de alimentação.
Fração
molar
O
Vazão
mássica Ar
Primário
Potência
da
chama
Condição Vazão
mássica
Fração
molar
GN
Fração
molar
N
Velocidade Ar
Secundário
2 2
GN
(g/h) % (kW) (kg/h) % % (m/s)
I 756 7,35 10,3 15,3 19,47 73,11 0,35
II 1044 8,41 14,3 18,2 19,24 72,35 0,35
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
H
C
Para a chama principal, tem-se que a razão Carbono / Hidrogênio para o
GN da ordem de:
26630
21564
12261
,
,
,
H
C
==
3.1.1.2) Vazões dos gases da chama piloto (CP)
Os cálculos das vazões dos gases da chama piloto são apresentados
detalhadamente no Anexo I.
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
H
C
Mantendo a mesma relação Carbono / Hidrogênio
da chama principal, para
a chama piloto tem-se:
69
5103,72663,0
2
=⎯→⎯== x
xH
C
Na reação estequiométrica para a chama piloto tem-se então:
C
2
H + 2,7552 H + 3,8776 (O + 3,76N
2 2 2 2
) 2 CO
2
+ 3,7552 H
2
O + 14,5798 N
2
Assim, tem-se:
A) Cálculo da vazão mássica de acetileno (C
2
H
2
) e hidrogênio (H
2
) piloto.
A potência da chama piloto (P
CP
) é 1% da potência da chama principal. A
potência da chama piloto pode ser definida como:
P
CP
= m
&
CP
x PCI
CP
(32)
Onde:
•
PCI representa o poder calorífico inferior da chama piloto (kJ/kg
CP, comb
),
definido por:
comb
RP
o
M
h
PCI
CP
= - (33)
RP
o
h , representa a entalpia padrão de combustão, ou seja, a diferença entre o
somatório do número de moles dos produtos multiplicado pelas suas
respectivas entalpias padrão, menos o número de moles dos reagentes
multiplicado pelas suas respectivas entalpias padrão, (kJ/gmol);
•
• , representa a massa molecular do combustível (kg/kgmol).
comb
M
70
Para a Condição I, tem-se:
m
&
C2H2 + H2
= 6,12 g/h
comb
= 4,49 g/h
m
&
H2
= 1,63 g/h
m
&
C2H2
B) Cálculo da vazão mássica de ar da chama piloto
Adotando Ø
= 1,4 na chama piloto tem-se:
G
realreaçãonaoxigênion
tricaestequioméreaçãonaoxigênion
o
o
Ø
= (34)
G
m
&
Assim: = 73,85 g/h
Ar Piloto
Para a Condição II, tem-se:
m
&
C2H2 + H2
= 8,44 g/h
= 1,63 g/h m
&
C2H2
= 6,19 g/h m
&
H2
= 101,84 g/h m
&
Ar Piloto
Tem-se na Tabela 11 um resumo das condições de vazão de alimentação dos
gases a serem utilizadas neste trabalho.
Tabela 11 – Vazão mássica dos gases de alimentação da chama principal e chama piloto.
Condição GN Ar Primário C H Piloto H Piloto
Ar Piloto
2 2 2
(g/h) (kg/h) (g/h) (g/h) (g/h)
I 756 15,3 1,63 4,49 73,85
II 1044 18,2 2,25 6,19 101,84
71
3.1.2 Cálculo dos harmônicos no queimador de Delft
Para a realização desses cálculos, foram levados em consideração alguns
parâmetros e descritos outros, como se segue:
• Tubo com ambas as extremidades abertas;
= 1,4;
•
γ
Ar
• Massa molecular do ar: M
= 0,029 kg/kmol;
Ar
• Constante Universal dos Gases: R = 8,314 J/mol;
• Comprimento do tubo (L) = 1,96 m;
• Temperatura ambiente (T): 293 K;
m/s;
• Velocidade do som no ar: v =
ArAr
M/RTγ
= nv/2L, para n = 1,2,3,4...etc.
• Freqüência dos harmônicos: f
n
Foram calculadas as freqüências correspondentes aos cinco primeiros harmônicos
do queimador de Delft utilizado neste trabalho, para várias temperaturas. Estas
freqüências são apresentadas na Tabela 12.
As correções dos efeitos de borda, não foram necessários nestes cálculos, em
razão do comprimento do tubo (196 mm) ser muito maior que seu diâmetro (45 mm),
portanto, essas correções se tornam negligenciáveis para esse caso.
72
Tabela 12 – Freqüências correspondentes aos cinco primeiros harmônicos do queimador de Delft, em função da
temperatura.
Temperatura Velocidade
Freqüência dos Harmônicos (Hz)
(
o
C) (K) (m/s) f
1
f
2
f
3
f
4
f
5
19,0 292,0 342,3 87,3 174,7 262,0 349,3 436,7
20,0 293,0 342,9 87,5 175,0 262,4 349,9 437,4
21,0 294,0 343,5 87,6 175,3 262,9 350,5 438,2
22,0 295,0 344,1 87,8 175,6 263,3 351,1 438,9
23,0 296,0 344,7 87,9 175,9 263,8 351,7 439,6
24,0 297,0 345,3 88,1 176,2 264,2 352,3 440,4
25,0 298,0 345,8 88,2 176,5 264,7 352,9 441,1
26,0 299,0 346,4 88,4 176,7 265,1 353,5 441,9
27,0 300,0 347,0 88,5 177,0 265,6 354,1 442,6
28,0 301,0 347,6 88,7 177,3 266,0 354,7 443,3
29,0 302,0 348,2 88,8 177,6 266,4 355,3 444,1
30,0 303,0 348,7 89,0 177,9 266,9 355,8 444,8
31,0 304,0 349,3 89,1 178,2 267,3 356,4 445,5
32,0 305,0 349,9 89,3 178,5 267,8 357,0 446,3
33,0 306,0 350,5 89,4 178,8 268,2 357,6 447,0
34,0 307,0 351,0 89,5 179,1 268,6 358,2 447,7
35,0 308,0 351,6 89,7 179,4 269,1 358,8 448,5
36,0 309,0 352,2 89,8 179,7 269,5 359,4 449,2
37,0 310,0 352,7 90,0 180,0 270,0 359,9 449,9
38,0 311,0 353,3 90,1 180,3 270,4 360,5 450,6
39,0 312,0 353,9 90,3 180,5 270,8 361,1 451,4
40,0 313,0 354,4 90,4 180,8 271,3 361,7 452,1
73
3.1.3 Cálculo do número de Reynolds para o ar primário e o gás natural nas
condições de entrada
Os cálculos para o número de Reynolds são apresentados detalhadamente no Anexo II.
3.1.3.1 Cálculo do número de Reynolds para o ar primário
Condições de Entrada
Vazão de Ar Primário:
Condição I: 15,3 g/h = 0,00425 kg/s
Condição II: 18,2 kg/h = 0,00506 kg/s
e
t
D..
m.
μπ
4
μ
ρ
De.v.
= (35)
Re =
Sendo:
• = vazão mássica do fluido (kg/s)
t
m
•
μ
= viscosidade do fluido (kg/m.s)
• = Diâmetro equivalente (m)
De
Cálculo do D
e
-3
D
e
= 42,4x10 m
Cálculo da viscosidade absoluta (
μ
) à temperatura “t”
Utilizando-se a fórmula de Sutherland, a viscosidade de um gás é dada por:
tC
C
.)
t
(.
n
n
ogás
++
+
+
=
273
273
273
273
μμ
(36)
74
Fazendo uso da fórmula de Herning-Zipperer, tem-se para a viscosidade da
mistura:
nnn
nnn.n
Tc.M.
.
mistura
Tc.Mn...Tc.M.nTc.M.n
Tc.Mn...Tc.M..nn
+++
+++
=
222111
2222
1
1
11
μμμ
μ
(37)
Onde:
o -6
= viscosidade absoluta a O C (x 10 p)
•
o
μ
o
• t = temperatura (
C)
• C
n
= número de Sutherland
• n
n
= número de moles do gás (% volumétrica)
= viscosidade absoluta do gás à temperatura t
•
n
μ
• M
n
= massa molecular do gás
• Tc
n
= temperatura crítica do gás (K)
Dados:
• Composição do ar: 79% N
2
e 21% O
2
o
• Temperatura “t” = 25
C
• Tc
= 126,2 K
nitrogênio
• Tc
= 126,2 K
oxigênio
-6
•
o
μ
nitrogênio
= 166 x 10 p
-6
•
o
μ
oxigênio
= 192 x 10 p
Assim:
Para a Condição I (
φ
=0,82)
Re = 6922,2
ar primário
Para a Condição II (
φ
=0,95)
= 8241,5
Re
ar primário
75
3.1.3.2 Cálculo do número de Reynolds para o gás natural
Dados:
• Composição do Gás Natural: 89,44%CH
4
; 6,7%C
2
H
6
; 2,26%C
3
H
8
;
0,34%CO
2
; 0,8%N
2
; 0,15%
i
C
4
H e 0,31%C
10 5
H
12
o
• Temperatura “t” = 25
C
• Tc
CH4
= 190,8 K
• Tc
C2H6
= 305,3 K
• Tc
C3H8
= 369,8 K
• Tc
CO2
= 304,2 K
• Tc
N2
= 126,2 K
• Tc i
C4H10
= 408,1 K
• Tc
C5H12
= 469,9 K
-6
•
o
μ
CH4
= 100 x 10 p
-6
•
o
μ
C2H6
= 86,1 x 10 p
-6
•
o
μ
C3H8
= 75 x 10 p
-6
•
o
μ
CO2
= 138 x 10 p
-6
•
o
μ
N2
= 166 x 10 p
Assim:
-6
= 107,87 x 10 p
•
μ
CH4
-6
= 93,73 x 10 p
•
μ
C2H6
-6
= 81,9 x 10 p
•
μ
C3H8
-6
= 150,26 x 10 p
•
μ
CO2
-6
= 177,6 x 10 p
•
μ
N2
Para o cálculo das
μ
C4H10
e
μ
C5H12
, utilizando-se a expressão de Chapman e
Enskog, calcula-se a viscosidade de um gás pode ser calculada usando o potencial
de Lennard-Jones:
76
μ
Ωσ
μ
.
t.M
x,
2
6
1066932
−
= (38)
onde:
• M = massa molar (kg/kg-mol)
• t = temperatura (K)
•
σ
= diâmetro efetivo de colisão entre duas moléculas (Å)
• = integral de colisão para a viscosidade (adimensional)
μ
Ω
Dados:
•
σ
C5H12
= 5,769 Å
•
σ
i
C4H10
= 5,341 Å
•
μ
Ω
C5H12
= 1,629
• i
μ
Ω
C4H10
= 1,587
Assim:
-6
μ
i = 75,52 x 10 p
C4H10
-6
= 68,11 x 10 p
μ
C5H12
Desta forma, tem-se para o gás natural:
-6
naturalgás
μ
= 10,545 x 10 Ns/m
2
Dados:
-3
• De
= 6 mm = 6x10 m
GN
-3
• (Condição I) = 756 g/h = 0,2 g/s = 0,2x10
kg/s m
&
-3
• (Condição II) = 1044 g/h = 0,29 g/s = 0,29x10
kg/s m
&
77
Para a Condição I (
φ
=0,82)
= 4025
Re
GN
Para a Condição II (
φ
=0,95)
= 5836
Re
GN
3.2 DEFINIÇÃO DAS CONDIÇÕES DE TRABALHO
Este item apresenta a metodologia utilizada nos ensaios iniciais, destinados a
definir as condições de trabalho a serem adotadas para todas as análises experimentais
que se seguiram, ou seja, para a análise dos gases, para a temperatura e tomografia de
chama.
Inicialmente, apresenta-se os harmônicos do queimador a frio, obtidos
experimentalmente através de análise da freqüência e do sinal de pressão acústica ,
usando somente o tubo do queimador, sem escoamento e posteriormente, com
escoamento de ar para as Condições I e II.
Então foram realizados ensaios à quente, para as Condições I e II, levantando-se
o ponto “lift” da chama. Posteriormente, avaliou-se a necessidade de utilização da
chama piloto para ancorar a chama principal, bem como a do ar secundário.
3.2.1 Verificação experimental dos harmônicos do queimador
Os ensaios iniciais se destinam à verificação das freqüências de trabalho a serem
utilizadas, correspondentes às maiores amplitudes de pressão obtidas no queimador.
Colocou-se, para todos os testes realizados, tensão de 1,4 V no gerador de funções, e
78
15 V no alto-falante. Inicialmente foram verificadas as freqüências correspondentes às
maiores amplitudes de pressão do tubo, sem vazão de ar e sem queima, cujos
resultados são apresentados na Figura 30.
A seguir, realizaram-se testes com o ar primário, de acordo com as vazões
estabelecidas na Tabela 11, sem queima, para as Condições I e II. Os resultados são
apresentados nas Figuras 31 e 32.
A comparação entre os testes realizados, pode ser visto na Figura 33.
Frequência x Amplitude de Pressão
(sem chama)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
65
115
165
215 265 315 365 415
465
Tubo
286
446
183
97
Frequência (Hz)
Temperatura: 26
C
Am
p
litude de Pressão
(
mbar
)
Figura 30 – Freqüências x Amplitudes de Pressão para o tubo, sem vazão de ar e sem queima e temperatura
ambiente de 26
o
C (Erro máximo: ± 0,56 mbar).
79
Frequência x Amplitude de pressão
(sem chama)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
65
115
165
215 265 315 365 415
465
Frequência (Hz)
Condição I
97
180
284
360
442
Temperatura: 24
C
Am
p
litude de Pressão
(
mbar
)
Figura 31 – Freqüências x Amplitudes de Pressão na Condição I, com escoamento de ar primário, sem queima e
temperatura ambiente de 24
o
C (Erro máximo: ± 0,56 mbar).
Frequência x Amplitude de Pressão
(sem chama
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
65
115
165
215 265 315 365 415
465
Frequência (Hz)
Condição II
96
182
284
360
443
Temperatura: 24
C
Am
p
litude de Pressão
(
mbar
)
Figura 32 – Freqüências x Amplitudes de Pressão na Condição II, com escoamento de ar primário, sem queima e
temperatura ambiente de 24
o
C (Erro máximo: ± 0,56 mbar).
80
Frequência x Amplitude de Pressão
(sem chama)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
65
115
165
215 265 315 365 415
465
Frequência (Hz)
Tubo
Condição I
Condição II
Am
p
litude de Pressão
(
mbar
)
Figura 33 – Comparação das Freqüências x Amplitudes de Pressão para os testes realizados (Erro máximo: ±
0,56 mbar).
A presença do escoamento de ar praticamente não altera o valor da freqüência
dos harmônicos e as amplitudes de pressão para as condições I e II, tomando-se como
referência aquelas obtidas no tubo, mostrando que o ar injetado não altera o
comportamento acústico do queimador, conforme mostra a Figura 33.
A Tabela 13 mostra os valores das freqüências correspondentes aos picos de
amplitude obtidas experimentalmente a frio, com suas respectivas temperaturas de
teste e os valores das freqüências dos harmônicos calculados, em função desta mesma
temperatura.
81
Tabela 13 - Comparação dos valores calculados e experimentais das freqüências dos harmônicos em função da
temperatura.
A pequena divergência existente entre as freqüências calculadas e as
experimentalmente obtidas, conforme Tabela 13, é causada por alterações existentes
no tubo, como por exemplo, a adição de todo o aparato necessário para a chama piloto,
ou mesmo a introdução da câmara de desacoplamento neste. Acredita-se serem os
resultados bastante satisfatórios, visto que os cálculos realizados levam em
consideração apenas, um tubo aberto em ambas extremidades, ou seja, o tubo utilizado
não é idealizado.
3.2.2 Ponto de “lift” da chama - definição das condições acústicas de trabalho
A seguir foram realizados testes à quente para as duas condições de trabalho, a
fim de verificar os harmônicos do queimador com a adição da chama, testes estes
destinados também, a verificar o ponto de “lift” da chama, ou seja, estabelecer as
condições de máxima amplitude de pressão a ser aplicada ao escoamento de ar
primário, que permitisse manter a chama ancorada, levando em consideração o limite
do alto-falante.
T = 26
o
C T = 24
o
C
Freqüência (Hz) Freqüência (Hz)
Experimental Teórica Experimental Teórica
Tubo Condição I Condição II
97 88
,
4 97 96 88
,
1
183 176
,
7 180 182 176
,
2
286 265
,
1 284 284 264
,
2
363 353
,
5 360 360 352
,
3
446 441
,
9 442 443 440
,
4
82
Uma chama pode ser ancorada (estabilizada) em determinados limites de
velocidade de escoamento dos reagentes no interior do tubo. Se esta velocidade for
muito alta, não será possível ancorar a chama na borda do queimador (tubo), a
velocidade do gás excede a velocidade de queima em todas linhas de corrente e a onda
de combustão se desprende, a chama tenderá a escapar e se apagar “blow off”.
Para escoamentos com alta velocidade e/ou misturas ricas em combustível, acima
do limite de “blow off”, haverá o carreamento do ar atmosférico, tornando a mistura
progressivamente pobre em combustível, podendo haver a formação de uma chama
suspensa “lifted flame” em alguma posição acima da borda do queimador, isso ocorre
devido à alta velocidade do escoamento.
Através da excitação acústica é possível estender o limite de “blow off” em mais
de 25% e melhorar a estabilidade de uma “lifted flame” (Chao e Jeng, 1992).
A Tabela 14 apresenta as freqüências correspondentes aos cinco primeiros
harmônicos do queimador, obtidos á quente, com suas respectivas tensões, aplicadas
ao alto-falante e amplitudes de pressão máximas, referentes aos limites impostos pelo
ponto de “lift” da chama.
Tabela 14 – Condições Acústicas oriundas de testes para verificar o ponto de “lift” da chama.
Condição I Condição II
Freqüência
Tensão Alto
Falante
Amplitude de
Pressão
Freqüência
Tensão Alto
Falante
Amplitude de
Pressão
(Hz) (V) (mbar) (Hz) (V) (mbar)
97 5,0 10,0 96 14,0 21,2
181 8,0 14,0 181 9,0 17,0
282 19,0 16,0 283 24,0 27,0
358 22,0 8,0 357 24,0 8,1
441 25,0 12,0 439 25,0 12,1
83
É importante notar nestes ensaios, que a chama permanece ancorada para alguns
casos específicos, utilizando-se amplitudes de pressão maiores que as aqui
apresentadas, mas estas condições permitem à chama permanecer estável por curto
período de tempo e não suficiente para a realização de alguns ensaios, como os da
análise dos gases ou os da temperatura, tendo assim sido descartados a possibilidade
de sua utilização.
Nota-se que para a maioria das freqüências adotadas, o valor limite para a
escolha das condições de trabalho foi a amplitude de pressão imposta ao escoamento
de ar primário, com exceção da freqüência correspondente ao quinto harmônico, onde
a chama permaneceu estável até o limite máximo de potencial permitido pelo alto-
falante.
Posteriormente, a fim de se verificar a evolução do efeito da atuação acústica
sobre a chama, dividiu-se esta amplitude de pressão máxima em três amplitudes
menores, objetivando uma análise seqüencial deste efeito, à medida que a amplitude de
pressão vai aumentando.
Para a realização de todos os testes subseqüentes deste trabalho, adotaram-se as
freqüências correspondentes aos três primeiros harmônicos do queimador, visto que
nestes foram obtidas maiores amplitudes de pressão. Para cada uma destas freqüências,
sua respectiva amplitude de pressão máxima foi então subdividida, sendo estas
classificadas em máxima (correspondente à máxima amplitude), seqüencialmente
média e mínima.
Desta forma, a Tabela 15 mostra a as características acústicas a serem seguidas
para os ensaios referentes à análise dos gases, temperatura e análise tomográfica de
chama, para as Condições I e II.
84
Tabela 15 – Condições Acústicas de Ensaio a serem seguidas para a Condição I e II.
Condição I Condição II Classificação
Freqüência Amplitude Pressão Freqüência Amplitude Pressão Amplitude
(Hz) (mbar) (Hz) (mbar)
97 3
,
5 96 7
,
1 Mínima
97 7 96 14
,
1Média
97 10 96 21
,
2Máxima
181 6 181 5
,
7 Mínima
181 11 181 11
,
3Média
181 14 181 17 Máxima
282 7 283 9
,
9 Mínima
282 10 283 9
,
8Média
282 16 283 27 Máxima
3.2.3 Influência da chama piloto sobre a estabilidade da chama principal
Para verificar a eficiência da chama piloto sobre a estabilidade da chama
principal foram conduzidos ensaios para as vazões definidas na Tabela 11, nas
freqüências dos harmônicos, mostrados na Tabela 14, a fim de estabelecer a máxima
amplitude de pressão aplicada ao escoamento que mantivesse a chama ancorada.
Um valor crítico levado em consideração nestes ensaios foi o máximo potencial
permitido pelo alto-falante que é de 30 V, mas por segurança, não foi atingido este
limite, tendo sido utilizado o máximo de 25 V.
Para tal, foi utilizado o sistema de atuação acústico visto na Figura 14 e descrito
na seção 2.2.1, com as seguintes características:
• Potencial máximo no alto-falante: 25 V;
• Amplitude no amplificador de carga Kistler: 50mbar;
• Amplitude colocada no gerador de funções: 1,44 V RMS Pico (2,04 V Pico).
85
As Figuras 34 e 35 apresentam os resultados da amplitude de pressão e da tensão
aplicada ao alto-falante, respectivamente, ambas variando com as freqüências
correspondentes aos cinco primeiros harmônicos no queimador, conforme Tabela 14,
para a situação com e sem a presença da chama piloto para as Condições I e II.
Verificação da Eficiência da Chama Piloto (CP)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
50
100
150
200
250 300 350 400 450
Frequência Pico
(H )
Condição I com CP
Condição I sem CP
Condição II com CP
Condição II sem CP
Amplitude de Pressão (mbar)
Figura 34 – Variação da amplitude de pressão com relação à freqüência dos harmônicos no tubo, para as
Condições I e II com e sem a Chama Piloto (Erro máximo: ± 1,01 mbar).
86
Verificação da Eficiência da Chama Piloto (CP)
0
5
10
15
20
25
30
50 100 150 200 250 300 350 400 450
Frequência Pico (Hz)
Tensão Alto Falante
(
V
)
Condição I com CP
Condição I sem CP
Condição II com CP
Condição II sem CP
Figura 35 – Variação da tensão aplicada ao alto-falante, com relação à freqüência dos harmônicos no tubo, para
as Condições I e II com e sem a Chama Piloto (Erro máximo: ± 1,01 mbar).
Os resultados apontaram ser imprescindível a utilização das chamas piloto neste
trabalho, fato este que inviabilizaria a realização dos testes propostos. As chamas
piloto se mostraram indispensáveis para a estabilização da chama principal na borda
do queimador, para ambas as condições de trabalho e em todas as freqüências
utilizadas.
Verificou-se, por exemplo que com a chama piloto em 282 Hz, foi possível
colocar uma tensão de 19 V no alto-falante para a Condição I e 25 V para a Condição
II, obtendo respectivamente, 36,5 mbar e 44 mbar de amplitude de pressão para estas
condições, enquanto que, sem a chama piloto foi colocado 4,2 V para a Condição I e
1,8 V para a Condição II.
87
3.3 CORREÇÕES DAS MEDIDAS NO SISTEMA DE ATUAÇÃO ACÚSTICO
A calibração dos equipamentos utilizados no sistema de atuação acústico foi
feita no decorrer da realização dos testes experimentais. Não foi possível sua
calibração antes de se iniciar os ensaios experimentais, devido a problemas técnicos.
Desta forma, depois de já obtidos alguns resultados, houve a necessidade de correção
das medidas das amplitudes de pressão acústica.
Os equipamentos calibrados foram o gerador de funções Agilent 33120A, o
amplificador de sinal Advanced XT550, o alto-falante Snake modelo ESX 125 de 12”,
o transdutor de pressão piezoelétrico Kistler 7261, o amplificador de carga Kistler
5006 e os multímetros Minipa Modelo ET 2082, onde são monitorados o potencial
elétrico levado ao alto-falante e a amplitude de pressão imposta ao ar excitado.
Verificou-se a necessidade de correção dos valores obtidos no amplificador de
carga Kistler, gerando-se para tal a equação matemática abaixo:
AP
real
= 1,4707 x AP
lida
+ 0,0043 (39)
onde:
• AP
real
= Amplitude de Pressão corrigida (Vrms);
• AP
lida
= Amplitude de Pressão lida no amplificador de carga (Vrms).
O Anexo III apresenta detalhadamente o procedimento para a calibração do
equipamento a ter os valores corrigidos, realizada por Flügel (2006) e seus resultados.
A Tabela 16 mostra as amplitudes de pressão para as Condições I e II e seus
respectivos valores corrigidos. Os dados a serem apresentados nos próximos itens
deste trabalho trarão seus valores já corrigidos com relação à amplitude de pressão.
88
Tabela 16 – Valores corrigidos para Condições Acústicas de Trabalho para Condição I e II.
Condição I Condição II
Freqüência
Amplitude
Pressão
Amplitude Pressão
Corrigida
Freqüência
Amplitude
Pressão
Amplitude
Pressão
Corrigida
(Hz) (mbar) (mbar) (Hz) (mbar) (mbar)
97 3,5 5,5 96 7,1 11
97 7 10 96 14,1 23
97 10 15 96 21,2 31
181 6 8,5 181 5,7 8,5
181 11 16 181 11,3 17
181 14 21 181 17 25
282 7 10 283 9,9 15
282 10 15 283 19,8 30
282 16 23 283 27 38
Desta forma a Tabela 17 mostra a seqüência de testes com relação às condições
acústicas que foram utilizadas nos ensaios que se seguiram, com os valores corrigidos.
Esta seqüência, a qual é iniciada pela letra “A” seguindo até a letra “T”,
corresponde à ordem do roteiro de testes a serem seguidos para a análise das medidas
de concentração dos gases, temperatura e tomografia realizados na região de chama.
89
Tabela 17 – Seqüência Acústica de Testes para os Ensaios, com valores corrigidos, a serem seguidas para a
Condição I e II.
Condi
ç
ão I Condi
ç
ão II
Seqüência de
Testes
Freqüência
Amplitude
Seqüência de
Testes
Freqüência
Amplitude
(
Hz
)
(
mbar
)
(
Hz
)
(
mbar
)
(
A
)
sem atua
ç
ão
(K)
sem atua
ç
ão
(
B
)
97 5
,
5
(L)
96 11
(C)
97 10
(M)
96 21
(D)
97 15
(N)
96 31
(E)
181 8
,
5
(O)
181 8
,
5
(F)
181 16
(P)
181 17
(G)
181 21
(Q)
181 25
(H)
282 10
(R)
283 15
(I)
282 15
(S)
283 30
(J)
282 23
(T)
283 38
90
CAPÍTULO 4 METODOLOGIA, RESULTADOS E COMENTÁRIOS DOS
ENSAIOS EXPERIMENTAIS
Os resultados aqui apresentados têm por objetivo avaliar as influências causadas
pela imposição do campo acústico sobre a chama, apresentando os valores obtidos
para a situação com e sem a excitação acústica. Apresenta também as variações das
posições radiais e axiais a serem realizados os testes experimentais, deduzidos a partir
das medidas de altura da chama.
Apresenta desta forma metodologia, resultados e comentários referentes ao
comprimento da chama, à interferência do ar secundário nas medidas efetuadas na
chama, à análise dos gases e temperatura e à reconstrução tomográfica da chama.
4.1 COMPRIMENTO DA CHAMA E POSIÇÕES AXIAIS E RADIAIS PARA
VARREDURA DA CHAMA
4.1.1 Comprimento da chama
Ensaios foram conduzidos a fim de verificar os efeitos do campo acústico sobre o
comprimento da chama, bem como, para se definir a variação axial e radial a ser
utilizada neste trabalho para a realização dos ensaios experimentais.
Nestes ensaios, a sonda de gases foi posicionada na região central do queimador
(ponto de referência), nas Condições I e II de vazão. Variou-se axialmente a posição
da sonda até a concentração de CO atingir concentração menor que 0,1%. O critério
utilizado para determinar o final da chama, é o de que, a concentração de CO tendendo
à zero, indica término da reação química e conseqüentemente a extremidade de chama.
91
Optou-se por concentração de CO menor que 0,1% e não 0%, pois com a atuação
acústica a chama tende a oscilar radialmente, correndo-se o risco da sonda estar numa
região fora da chama. Este procedimento foi feito para as vazões de gases da Tabela 11
e condições acústicas da Tabela 17. Os resultados referentes às medidas do
comprimento da chama são apresentados na Tabela 18, juntamente com as
concentrações do O
2
([O
2
]), CO
2
([CO
2
]), CO ([CO]) e NO
x
([NO
x
]) nestes
comprimentos da chama.
Tabela 18 – Altura da Chama e composição dos Gases para a Condição I e II em sua extremidade superior.
Seqüência de Testes
Altura
Chama
[O
2
] [CO
2
] [CO] [NO
x
]
(
mm
)
(
%
)
(
%
)
(
%
)
(pp
m
)
(
A
)
780 13
,
89 3
,
57 0
,
10 25
,
80
(
B
)
780 14
,
73 3
,
62 0
,
09 27
,
96
(C)
720 14
,
20 3
,
70 0
,
10 28
,
59
(D)
630 13
,
98 3
,
76 0
,
09 29
,
42
(E)
765 14
,
05 3
,
76 0
,
10 28
,
72
(F)
635 14
,
00 3
,
74 0
,
08 29
,
39
(G)
595 13
,
53 4
,
05 0
,
10 30
,
59
(H)
745 13
,
86 3
,
80 0
,
10 27
,
92
(I)
720 13
,
96 3
,
85 0
,
08 27
,
53
(
J
)
615 13
,
77 4
,
10 0
,
09 26
,
76
(K)
850
13,72 4,30 0,11 29,66
(L)
790
14,38 3,81 0,07 25,26
(M)
700
14,49 3,95 0,07 22,40
(N)
600
15,32 3,42 0,05 14,48
(O)
840
13,77 3,91 0,07 25,08
(P)
730
14,05 4,27 0,10 26,66
(Q)
710
13,71 4,01 0,06 22,47
(R)
830
13,76 4,13 0,07 27,19
(S)
720
13,74 4,21 0,07 25,61
(T)
690
13,31 4,45 0,10 26,51
92
Com relação à concentração dos gases da extremidade superior da chama,
levando-se em consideração o desvio padrão, as medidas pouco se alteram com
relação às condições de atuação aplicadas.
Como exemplo, a Figura 36 apresenta o resultado deste procedimento, mostrando
o comprimento da chama na Condição II para a situação com atuação acústica de 96
Hz e diferentes amplitudes.
Efeito da Atuação Acústica sobre o comprimento da chama
Condição II - 96Hz
590
620
650
680
710
740
770
800
830
860
0 2 4 6 8 1012141618202
Comprimento Chama (mm)
11mbar
21mbar
31mbar
sem atuação
2
Figura 36 – Comprimento da chama com a atuação acústica em 96 Hz e diferentes amplitudes de pressão para a
Condição II (Erro máximo: ± 20,4 mm).
Amplitude de Pressão (mbar)
A Figura 37 apresenta uma comparação do comprimento da chama nas
Condições I e II para as freqüências correspondentes aos três primeiros harmônicos do
queimador.
93
Comparação Comprimento da chama para a Condição I e II
550
580
610
640
670
700
730
760
790
820
850
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
Comprimento Chama (mm)
Condição I - 97Hz
Condição II - 96Hz
Condição I - 181Hz
Condição II - 181Hz
Condição I - 282Hz
Condição II - 283Hz
()
Amplitude de Pressão (mbar)
Figura 37 – Comparação do comprimento da chama para as Condições I e II, para diferentes freqüências e
diferentes amplitudes de pressão (Erro máximo: ± 20,4 mm).
É verificado que assim como para a Condição I, para a Condição II, o campo
acústico diminui o comprimento da chama à medida que há o aumento gradativo da
amplitude de pressão, supostamente por este melhorar a mistura entre oxidante e
combustível.
A chama na Condição II, para a situação com e sem atuação acústica, tem
comprimento maior, condição esta onde se tem excesso de ar de 5%, enquanto que na
Condição I, tem excesso de 22% com velocidade do jato de ar maior. Com o aumento
da velocidade do ar há um maior cisalhamento na chama, o que resulta em um
escoamento mais turbulento. Outro ponto interessante é que as curvas seguem o
mesmo perfil para a Condição I e II, variando apenas o comprimento da chama.
94
4.1.2 Posições axiais e radiais para varredura da chama
Verificada a altura da chama para todas as situações de atuação, foram então
definidas as variações radiais e axiais a serem adotadas neste trabalho. Estipularam-se
as posições axiais de 50mm, 150mm e 250mm, visto a relevância das reações nesta
região, tendo sido estas também adotadas por Nooren at al. (2000), Peeters et al.
(1994), Andraus (2003), entre outros.
Para a varredura radial na chama, verificou-se que em 50 mm e 150 mm havia
alterações consideráveis nas concentrações das espécies químicas na chama, à medida
que era alterada a condição de atuação, em pequenas distâncias radiais, assim optou-se
pela variação radial de 1 em 1 mm nestas posições. Entretanto em 250 mm (posição
axial) estas alterações não foram significativas, optando-se por variar os pontos radiais
de 2 em 2 mm . Realizaram-se as medidas radiais nos pontos onde era possível
verificar visivelmente a existência da chama.
A Tabela 19, mostra a relação dos testes realizados para a análise dos gases e
para o campo de temperatura para a Condição I e II, sendo a variação radial é denotada
por *.
95
Tabela 19 – Relação das posições para varredura da chama
Condição de
Atua
ç
ão
Variação Axial / *Variação Radial na chama
(
A
)
50mm / *1m
m
150mm / *1m
m
250mm / *2m
m
(
B
)
50mm / *1mm
150mm / *1m
m
250mm / *2m
m
(C)
50mm / *1mm
150mm / *1m
m
250mm / *2m
m
(D)
50mm / *1mm
150mm / *1m
m
250mm / *2m
m
(E)
50mm / *1mm
150mm / *1m
m
250mm / *2m
m
(F)
50mm / *1mm
150mm / *1m
m
250mm / *2m
m
(G)
50mm / *1mm
150mm / *1m
m
250mm / *2m
m
(H)
50mm / *1mm
150mm / *1m
m
250mm / *2m
m
(I)
50mm / *1mm
150mm / *1m
m
250mm / *2m
m
(J)
50mm / *1mm
150mm / *1m
m
250mm / *2m
m
(K)
50mm / *1mm
150mm / *1m
m
250mm / *2m
m
(L)
50mm / *1mm
150mm / *1m
m
250mm / *2m
m
(M)
50mm / *1mm
150mm / *1m
m
250mm / *2m
m
(N)
50mm / *1mm
150mm / *1m
m
250mm / *2m
m
(O)
50mm / *1mm
150mm / *1m
m
250mm / *2m
m
(P)
50mm / *1mm
150mm / *1m
m
250mm / *2m
m
(Q)
50mm / *1mm
150mm / *1m
m
250mm / *2m
m
(R)
50mm / *1mm
150mm / *1m
m
250mm / *2m
m
(S)
50mm / *1mm
150mm / *1m
m
250mm / *2m
m
(T)
50mm / *1mm
150mm / *1m
m
250mm / *2m
m
4.2 INTERFERÊNCIAS DO AR SECUNDÁRIO NA CHAMA PRINCIPAL
O queimador de Delft é originalmente composto por câmara de ar secundário,
conforme pode ser visto na Figura 11 como já mencionado, o queimador utilizado
neste trabalho foi construído com as mesmas características daquele, adaptado apenas
com sistema acústico, cujo esquema e fotografia podem ser vistos na Figura 13 (a) e
(b), respectivamente.
96
O ar secundário, possui velocidade aproximada de 0,35 m/s para as condições de
trabalho I (Ø
= 0,82) e II (Ø
G G
= 0,95), o que garante escoamento laminar, sendo este
fornecido por compressor radial. No projeto do queimador original, sua existência tem
por finalidade garantir, que não haja nenhuma influência do escoamento externo sobre
a chama, o que poderia alterar as medidas realizadas.
Com o objetivo de se verificar a existência de alguma influência do ar
secundário sobre as medidas feitas na chama, realizou-se alguns testes com e sem a
sua presença para as vazões da Tabela 11, nas condições acústicas apresentadas na
Tabela 17. A Figura 38 apresenta o resultado de testes da análise dos gases para a
Condição I de atuação em 150mm, 181 Hz e 16 mbar, salientando-se que os demais
resultados seguem a mesma tendência dos aqui apresentados.
Eficiência do Ar Secundário
150 mm - 181 Hz - 16 mbar
-10-8-6-4-20246810
Posição chama (mm)
Concentração
3,0
6,0
9,0
12,0
15,0
18,0
21,0
O2 com Ar secundário [%]
O2 sem Ar secundário [%]
CO2 com Ar secundário [%]
CO2 sem Ar secundário [%]
CO com Ar secundário [%]
CO sem Ar secundário [%]
NOx com Ar Secundário [ppm]
NOx sem Ar Secundário [ppm]
Figura 38 – Concentração dos gases para a situação com e sem a utilização do Ar secundário (Erro máximo: ±
0,5%).
Verifica-se que o escoamento de ar secundário causa uma pequena alteração nas
emissões de NO
x
, porém a variação desta concentração não é significante nos testes.
Para os demais gases, ele pouco influencia os resultados obtidos na região de chama
97
com relação à concentração dos gases, podendo optar-se ou não pela sua utilização.
Isto provavelmente ocorre pelo fato do arranjo experimental estar em um ambiente
fechado.
4.3 RESULTADOS DA ANÁLISE DOS GASES
Foram realizados testes para se verificar a composição na chama das espécies
CO, CO
2
, O
2
e NO
x
, conforme mencionado no item 2.2.3, para as vazões de
alimentação apresentadas na Tabela 11, condições acústicas descritas na Tabela 17 e
nas posições radiais e axiais, conforme Tabela 19.
Cabe salientar que cada valor apresentado para cada condição de trabalho (Ex:
Condição I, 97 Hz – 5,5 mbar – posição axial: 50mm – posição radial: 1 mm),
representa a média aritmética dos dados adquiridos e registrados a partir do sistema de
aquisição e aqui representados, ou seja, cada valor é a média aritmética de uma
planilha para uma determinada condição. Os valores apresentados com relação à
análise dos gases, são originados a partir de 646 planilhas trabalhadas para a Condição
I e 633 planilhas para a Condição II, obtidas através do sistema de aquisição de dados,
para os testes citados, o que demanda razoável dedicação e tempo.
A fim de verificar o efeito da atuação acústica sobre a chama, foram gerados
gráficos para uma determinada condição acústica de acordo com a Tabela 17, para as
alturas axiais de 50, 150 e 250mm, para cada gás analisado (CO, CO
2
, NO
x
e O
2
),
variando-se as concentrações das espécies em função da variação de posição radial.
Foi gerado um total de 36 gráficos, não sendo necessária a apresentação de todos, visto
semelhança qualitativa dos resultados. Aqui serão mostrados alguns casos relevantes,
que demonstrem uma tendência nos resultados.
Aqui serão apresentados os resultados referentes às medidas dos gases na região
de chama com e sem a influência do campo acústico, respectivamente para a Condição
I e Condição II. Posteriormente, são apresentados as concentrações dos gases com seus
98
valores corrigidos, pois se verificou diluição dos produtos da combustão com O
2
e
finalmente é mostrada uma comparação entre as concentrações das espécies para as
duas condições de vazão.
4.3.1 Análise dos gases na Condição I
As Figuras 39, 40 e 41 apresentam a concentração de CO em 97 Hz e 5,5, 10 e 15
mbar, respectivamente.
CONCENTRAÇÃO CO
(
97 Hz – 5
,
5 mbar
)
0,0
0,3
0,6
0,9
1,2
1,5
1,8
2,1
2,4
2,7
3,0
3,3
3,6
3,9
4,2
4,5
4,8
5,1
5,4
5,7
6,0
-
28 -26 -24 -22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
Posi
ç
ão Chama
(
mm
)
CO (%)
50mm
Sem Atuação - 50mm
150mm
Sem Atuação - 150mm
250mm
Sem Atuação - 250mm
Figura 39 – Concentração de CO a 97 Hz e 5,5 mbar (Erro máximo: ± 0,13%).
Nota-se pela Figura 39 que a atuação acústica pouco altera a estrutura da chama
com relação à concentração de CO, havendo apenas em alguns pontos sua diminuição,
possivelmente por termos nesta condição, amplitude de pressão bastante baixa. Porém
99
à medida que esta sofre incremento, conforme pode ser visto nas Figuras 40 e 41,
verifica-se uma tendência nas curvas para cada altura axial, que gradativamente vão
modificando seu formato.
CONCENTRAÇÃO CO
(
(97 Hz – 10 mbar)
)
0,0
0,3
0,6
0,9
1,2
1,5
1,8
2,1
2,4
2,7
3,0
3,3
3,6
3,9
4,2
4,5
4,8
5,1
5,4
5,7
6,0
-28 -26 -24 -22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
Posição Chama (mm)
CO (%)
50mm
Sem Atuação - 50mm
150mm
Sem Atuação - 150mm
250mm
Sem Atuação - 250mm
Figura 40 – Concentração de CO a 97 Hz e 10 mbar (Erro máximo: ± 0,13%).
100
CONCENTRAÇÃO CO
(97 Hz – 15 mbar)
0,0
0,3
0,6
0,9
1,2
1,5
1,8
2,1
2,4
2,7
3,0
3,3
3,6
3,9
4,2
4,5
4,8
5,1
5,4
5,7
6,0
-28 -26 -24 -22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
Posição Chama (mm)
CO (%)
50mm
Sem Atuação - 50mm
150mm
Sem Atuação - 150mm
250mm
Sem Atuação - 250mm
Figura 41 – Concentração de CO a 97 Hz e 15 mbar (Erro máximo: ± 0,13%).
Nas Figuras 40 e 41, para o primeiro harmônico, a 50 mm da base da chama, a
atuação diminui acentuadamente a emissão de CO com relação aos ensaios sem
atuação. Entretanto em 150 mm, há uma tendência da concentração de CO se manter
maior no centro e regiões vizinhas, onde tem-se tradicionalmente alta velocidade de
chama. Porém, em alguns pontos nas extremidades da chama, existe concentração
menor com atuação do que sem atuação acústica.
A partir deste ponto serão apresentados os resultados referentes à aplicação das
amplitudes máximas, pois esta condição constitui-se representativa das demais
amplitudes de pressão.
A figura 42 mostra a concentração de CO para 181 Hz a 21 mbar, enquanto a
Figura 43 mostra concentração de CO a 282 Hz e 23 mbar.
101
CONCENTRAÇÃO CO
(181Hz - 21 mbar)
0,0
0,3
0,6
0,9
1,2
1,5
1,8
2,1
2,4
2,7
3,0
3,3
3,6
3,9
4,2
4,5
4,8
5,1
5,4
5,7
6,0
-28 -26 -24 -22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
Posição Chama (mm)
CO (%)
50mm
Sem Atuação - 50mm
150mm
Sem Atuação - 150mm
250mm
Sem Atuação - 250mm
Figura 42 – Concentração de CO a 181 Hz e 21 mbar (Erro máximo: ± 0,13%).
CONCENTRAÇÃO CO
(282Hz - 23 mbar)
0,0
0,3
0,6
0,9
1,2
1,5
1,8
2,1
2,4
2,7
3,0
3,3
3,6
3,9
4,2
4,5
4,8
5,1
5,4
5,7
6,0
-28 -26 -24 -22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
Posição Chama (mm)
CO (%)
50mm
Sem Atuação - 50mm
150mm
Sem Atuação - 150mm
250mm
Sem Atuação - 250mm
Figura 43 – Concentração de CO a 282 Hz e 23 mbar (Erro máximo: ± 0,13%).
Em 50 mm (posição axial), Figura 42, a atuação diminui acentuadamente a
concentração de CO enquanto que em 150 e 250 mm ocorre incremento. A mesma
102
análise pode ser estendida à Figura 43, onde se tem comportamento semelhante, ou
seja, verifica-se que a atuação neste harmônico (terceiro) tem comportamento
semelhante nas curvas do primeiro e segundo harmônico, indicando que a
concentração de CO não se altera qualitativamente com a utilização de diferentes
harmônicos.
Sabe-se que à medida que o escoamento reativo se desenvolve na direção axial, o
CO tende a se converter a CO
2
. Até 250mm não foi possível constatar essa evolução,
nem mesmo para a situação com oscilação. Contudo, medidas feitas ao longo do eixo
central do queimador, por ocasião da medição do comprimento da chama, mostraram
esta tendência, pois foi adotado como o final da chama, como já visto, o ponto onde a
concentração de CO atingiu o valor da sensibilidade do analisador de gás (0,01%) no
eixo de centro do queimador, admitindo que esse é o ponto final da combustão.
As Figuras 44, 45 e 46 apresentam a concentração de NO
x
para 97 Hz / 15 mbar,
181 Hz / 21 mbar e 282 Hz / 23 mbar, respectivamente.
CONCENTRAÇÃO NO
x
(97Hz - 15mbar)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
-28 -26 -24 -22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
Posição Chama (mm)
NOx (ppm)
50mm
Sem Atuação - 50mm
150mm
Sem Atuação - 150mm
250mm
Sem Atuação - 250mm
Figura 44 – Concentração de NO
x
a 97 Hz e 15 mbar (Erro máximo: ± 2,3 ppm).
103
CONCENTRAÇÃO NOx
(181Hz - 21 mbar)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
-28 -26 -24 -22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
Posição Chama (mm)
NOx (ppm)
50mm
Sem Atuação - 50mm
150mm
Sem Atuação - 150mm
250mm
Sem Atuação - 250mm
Figura 45 – Concentração de NO
x
a 181 Hz e 21 mbar (Erro máximo: ± 2,3 ppm).
CONCENTRAÇÃO NOx
(282Hz - 23 mbar)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
-28-26-24-22-20-18-16-14-12-10-8-6-4-20246810121416182022242628
Posição Chama (mm)
NOx (ppm)
50mm
Sem Atuação - 50mm
150mm
Sem Atuação - 150mm
250mm
Sem Atuação - 250mm
Figura 46 – Concentração de NO
x
a 282 Hz e 23 mbar (Erro máximo: ± 2,3 ppm).
104
Pela Figura 44 verifica-se que a atuação acústica diminui a concentração de NO
x
tanto em 50mm, 150mm e 250mm, obtendo-se em algumas regiões, especialmente em
50 mm, concentração de 0%, levando-se em consideração o erro do analisador.
Verifica-se que a atuação acústica minimiza os picos de emissão de NO
x
, suavizando-
os.
Nota-se através da Figura 45 o mesmo comportamento para o NO
x
visto na
Figura 44, isto é, a distribuição de NO
x
também é afetada pela presença do campo
acústico. Quando a atuação está presente, a região próxima ao queimador (50mm)
caracteriza-se pela ausência de formação de NO
x.
O efeito da pré-mistura que o campo
acústico propicia para a região mais próxima à saída do queimador acaba sugerindo
um ambiente menos favorável à formação do NO
x
, ou seja, temperaturas relativamente
baixas, inibindo a formação principalmente do NO
x
térmico, hipótese esta que poderá
ser mais bem avaliada com a apresentação dos perfis de temperatura na chama. Em
150mm e 250mm, nota-se que o campo acústico também altera a presença do NO
x
na
chama. Quando não há atuação, a máxima concentração de NO
x
ocorre na fronteira de
chama, decaindo tanto para o lado interno como para o externo desta. Quando a
atuação é imposta, os pontos de máximo são suavizados e a concentração de NO
x
fica
mais bem distribuída radialmente e com menor concentração.
Pode ser verificado pela Figura 46 comportamento qualitativo semelhante aos
dois primeiros harmônicos, isto é, com o campo acústico tem-se concentração de NO
x
igual ou próxima de 0 ppm em 50mm, havendo decréscimo desta em 150 e 250mm,
com exceção das extremidades das curvas.
Apesar das observações sobre as Figuras 44, 45 e 46 não se torna possível, com
estes resultados, predizer se a atuação acústica aumenta ou diminui o total de NO
x
emitido, pois a combustão não é confinada em uma câmara, impossibilitando avaliar a
emissão global. Embora não tenham sido aqui apresentados todos os resultados da
concentração de NO
x
, verifica-se nitidamente, que para todas as freqüências, à medida
que se aumenta a amplitude de pressão diminui-se gradativamente a emissão de NO
x
localmente
105
As Figuras 47, 48 e 49 mostram a concentração de O
2
para 97 Hz / 15 mbar, 181
Hz / 21 mbar e 282 Hz / 23 mbar, respectivamente.
CONCENTRAÇÃO
O
2
(97Hz - 15 mbar)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
-28-26-24-22-20-18-16-14-12-10-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10121416182022242628
Posição Chama (mm)
O2 (%)
50mm
Sem Atuação - 50mm
150mm
Sem Atuação - 150mm
250mm
Sem Atuação - 250mm
Figura 47 – Concentração de O
2
a 97 HZ e 15 mbar (Erro máximo: ± 0,38%).
CONCENTRAÇÃO O
2
(181Hz - 21 mbar)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
-28-26-24-22-20-18-16-14-12-10-8-6-4-20246810121416182022242628
Posi
ç
ão Chama
(
mm
)
O2 (%)
50mm
Sem Atuação - 50mm
150mm
Sem Atuação - 150mm
250mm
Sem Atuação - 250mm
Figura 48 – Concentração de O
2
em 181 HZ – 21 mbar (Erro máximo: ± 0,38%).
106
CONCENTRAÇÃO O2
(282Hz - 23 mbar)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
-28-26-24-22-20-18-16-14-12-10-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10121416182022242628
Posição Chama (mm)
O2 (%)
50mm
Sem Atuação - 50mm
150mm
Sem Atuação - 150mm
250mm
Sem Atuação - 250mm
Figura 49 – Concentração de O
2
em 282 Hz – 23 mbar (Erro máximo: ± 0,38%).
Verifica-se que há aumento na concentração de O
2
para qualquer variação axial,
especialmente na região central do queimador, em 50, 150 e 250mm, sendo exceção a
região periférica em 150mm e 250mm. A presença do campo acústico induz a
presença de oxigênio no interior da chama, tirando-lhe o caráter totalmente difusivo,
para os três harmônicos.
As Figuras 50, 51, 52 apresentam as concentrações de CO
2
em 97 Hz / 15 mbar,
181 Hz / 21 mbar e 282 Hz / 23 mbar, respectivamente.
107
CONCENTRAÇÃO CO
2
(97Hz - 15 mbar)
1,3
1,8
2,3
2,8
3,3
3,8
4,3
4,8
5,3
5,8
6,3
-28-26-24-22-20-18-16-14-12-10-8-6-4-20246810121416182022242628
Posição Chama (mm)
CO2 (%)
50mm
Sem Atuação - 50mm
150mm
Sem Atuação - 150mm
250mm
Sem Atuação - 250mm
Figura 50 – Concentração de CO
2
a 97 Hz – 15 mbar (Erro máximo: ± 0,38%).
CONCENTRAÇÃO CO
2
(181Hz - 21 mbar)
1,3
1,8
2,3
2,8
3,3
3,8
4,3
4,8
5,3
5,8
6,3
-
28-26-24-22-20-18-16-14-12-10-8-6-4-20246810121416182022242628
Posição Chama (mm)
CO2 (%)
50mm
Sem Atuação - 50mm
150mm
Sem Atuação - 150mm
250mm
Sem Atuação - 250mm
Figura 51 – Concentração de CO
2
em 181 Hz - 21mbar (Erro máximo: ± 0,21%).
108
CONCENTRAÇÃO CO2
(282Hz - 23 mbar)
1,3
1,8
2,3
2,8
3,3
3,8
4,3
4,8
5,3
5,8
6,3
-28 -26 -24 -22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
Posição Chama (mm)
CO2 (%)
50mm
Sem Atuação - 50mm
150mm
Sem Atuação - 150mm
250mm
Sem Atuação - 250mm
Figura 52 – Concentração de CO
2
em 282 Hz – 23 mbar (Erro máximo: ± 0,21%).
Como visto, a concentração de CO
2
segue a mesma tendência de comportamento
das curvas de CO, verifica-se que a 50mm da base do queimador e com atuação
acústica, ocorre diminuição na % CO
2
para as mesmas condições de atuação, conforme
Figuras 41, 42 e 43 e conforme Figuras 47, 48 e 49, ocorre aumento razoável na
concentração de O
2
.
Para a posição de 150mm, ocorre na região central da chama incremento na
concentração de CO
2
e em 250mm este incremento se estende a toda a região da
chama, comportamento este semelhante qualitativamente à distribuição do CO,
havendo em tais posições incremento na concentração de O
2
. Este é um indício de que
a presença do campo acústico induz à presença de ar na região central da chama e dilui
os produtos da combustão na chama, indicando a necessidade de ser realizada a
correção nestes valores.
A Figura 53 apresenta uma fotografia da chama de GN na Condição I (a) sem
atuação acústica e (b) com atuação acústica.
109
(a) (b)
Figura 53 - Chama na Condição I (a) sem atuação acústica e (b) com atuação acústica.
Observando-se a chama sem atuação acústica Figura 53 (a), nota-se que as
características apresentadas são típicas de uma chama difusiva, ou seja, chama com a
luminosidade bastante fraca na base e com uma coloração azulada, coloração esta
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 a frente
de chama misture-se adequadamente com o combustível, evitando zonas de combustão
com temperatura elevada e deficiência local de oxidante, desfavorecendo a formação
de fuligem. Nos comprimentos mais elevados da chama, considerável quantidade de
fuligem pode existir e a chama apresenta uma coloração amarelada. Contudo, a
presença do campo acústico afeta consideravelmente a estrutura chama; à medida que
a amplitude de oscilação aumenta, a coloração da chama passa a ser azulada,
indicando que existe a transformação de uma chama predominantemente difusiva para
uma chama com características de pré-misturada, como pode ser visto na Figura 53
(b).
Em queimadores tipo jato de gás combustível como o do presente trabalho, a
chama permanecerá ancorada na saída do queimador até um determinado limite de
velocidade de injeção do gás. À medida que a velocidade do jato aumenta, também
aumenta o efeito de carreamento do ar atmosférico para frente de chama na região
110
próxima à saída do queimador; efeito conhecido como “air entrainment” na língua
inglesa.
Para situação sem atuação, verifica-se pela Figura 48 que a 50mm o jato de gás
sofre uma forte influência do efeito de “air entrainment” e uma mínima quantidade de
O
2
se apresenta no eixo de centro do jato. Já para as distâncias 150mm e 250 mm a
quantidade de O
2
é praticamente nula, como esperado para uma chama difusiva.
Contudo, quando o campo acústico é imposto a presença de O
2
na região central do
jato é significativa, indicando que o campo acústico induz uma pré-mistura entre o
combustível e o oxidante, além de incrementar o efeito de “air entrainment”. Também
se nota que a quantidade de O
2
na região central do jato é mais pronunciada nas
proximidades do queimador, isto ocorre em razão de que, quanto mais próximo do
queimador mais intenso é o campo acústico; além disso, à medida que o escoamento
desenvolve-se na direção axial, a maior presença dos produtos de combustão dilui o O
2
e parte desse é consumido pelas reações de combustão.
Como já mencionado anteriormente, a 50mm a concentração de CO
2
(Figura 51)
diminui muito quando o campo acústico está presente. Conforme a Figura 48, com a
oscilação uma grande quantidade de oxidante se apresenta na região interna do jato,
diluindo os produtos de combustão, como o CO
2
. Tomando o ponto onde o CO
2
é
máximo como a fronteira da chama, em 150mm e 250mm percebe-se que esta se
desloca radialmente com a presença do campo acústico. Também para essas distâncias
axiais, os resultados mostram que em alguns pontos ao longo do raio a concentração
de CO
2
aumenta em relação à situação não pulsada. Este comportamento está
associado ao fato de que a presença do campo acústico diminui o comprimento da
chama, conforme Figura 54; portanto, as reações de combustão se finalizam mais
próximas ao queimador e, conseqüentemente, a concentração dos produtos de
combustão aumenta nessa região.
111
Efeito da Atução Acústiva sobre o comprimento da Chama
Condição I - 181Hz
580
610
640
670
700
730
760
790
024681012
Amplitude de Pressão (mbar)
Comprimento da Chama (mm)
sem atua
14
ç
ão
6mbar
16mba
r
21mba
r
Figura 54 – Comprimento da chama com a atuação acústica em 181 Hz e diferentes amplitudes de pressão para a
Condição I (Erro máximo: ± 20,4 mm).
Comparando-se os valores máximos da amplitude de pressão para determinada
freqüência (harmônico), ver Figuras 41 a 52, levando-se em consideração a análise de
uma mesma espécie de gás, verifica-se que qualitativamente, tem-se o mesmo
comportamento para os gráficos. Por exemplo, ao ser analisado o NO
x
, verifica-se
semelhança qualitativa nos gráficos, para as freqüências de 97 Hz (Figura 44), 181 Hz
(Figura 45) e 282 Hz (Figura 46), isto ocorre para as demais espécies analisadas.
Desta forma, a partir daqui serão apresentados, como já citado, os valores
referentes às máximas amplitudes e para apenas uma freqüência de trabalho, tendo
sido escolhida a freqüência correspondente ao segundo harmônico do queimador, ou
seja, 181 Hz.
112
4.3.2 Análise dos gases na Condição II
Assim como para a Condição I, para a Condição II, foram realizados testes para
se verificar a composição na chama das espécies CO, CO
2
, O
2
e NO
x
, nas vazões de
alimentação apresentadas na Tabela 11, condições acústicas descritas na Tabela 17 e
nas posições radiais e axiais, conforme Tabela 19.
Como adotado para a Condição I, cada amplitude de pressão máxima obtida foi
dividida em três amplitudes menores, objetivando acompanhar o efeito das oscilações
sobre a chama à medida que a amplitude de pressão é incrementada nas freqüências
correspondentes aos três primeiros harmônicos do queimador, respectivamente, 96 Hz,
181 Hz e 283 Hz, para esta condição de vazão dos gases.
As Figuras 55, 56 e 57 mostram a concentração de CO, respectivamente, para as
amplitudes de pressão de 11 mbar, 21 mbar e 31 mbar.
CONCENTRAÇÃO CO
(96 Hz - 11 mbar)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
-36 -32 -28 -24 -20 -16 -12 -8 -4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36
Posição Chama (mm)
CO (%)
50mm
Sem Atuação - 50mm
150mm
Sem Atuação - 150mm
250mm
Sem Atuação - 250mm
Figura 55 – Distribuição radial da porcentagem volumétrica de CO a 96 Hz e 11 mbar na Condição II (Erro
máximo: ± 0,13%).
113
CONCENTRAÇÃO CO
(96 Hz - 21 mbar)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
-36 -32 -28 -24 -20 -16 -12 -8 -4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36
Posição Chama (mm)
CO (%)
50mm
Sem Atuação - 50mm
150mm
Sem Atuação - 150mm
250mm
Sem Atuação - 250mm
Figura 56 – Distribuição radial da porcentagem volumétrica de CO a 96 Hz e 21 mbar na Condição II (Erro
máximo: ± 0,13%).
CONCENTRAÇÃO CO
(96 Hz - 31 mbar)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
-36 -32 -28 -24 -20 -16 -12 -8 -4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36
Posição Chama (mm)
CO (%)
50mm
Sem Atuação - 50mm
150mm
Sem Atuação - 150mm
250mm
Sem Atuação - 250mm
Figura 57 –Distribuição radial da porcentagem volumétrica de CO a 96 Hz e 31 mbar na Condição II (Erro
máximo: ± 0,13%).
114
Como ocorreu para a Condição I com relação aos resultados, aqui também não
se torna viável apresentá-los na íntegra, desta forma, são apresentados apenas os que
são significativos para entender o comportamento global. Desta forma serão
apresentados aqui os gráficos referentes às maiores amplitudes de pressão para cada
caso.
As Figuras 58 e 59 apresentam a concentração de CO em 181 Hz e 283 Hz para
as máximas amplitudes de pressão, respectivamente, 25 mbar e 38 mbar.
CONCENTRAÇÃO CO
(181 Hz - 25 mbar)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
-36 -32 -28 -24 -20 -16 -12 -8 -4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36
Posição Chama (mm)
CO (%)
50mm
Sem Atuação - 50mm
150mm
Sem Atuação - 150mm
250mm
Sem Atuação - 250mm
Figura 58 – Distribuição radial da porcentagem volumétrica de CO a 181 Hz e 25 mbar na Condição II (Erro
máximo: ± 0,13%).
115
CONCENTRAÇÃO CO
(283 Hz - 38 mbar)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
-36 -32 -28 -24 -20 -16 -12 -8 -4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36
Posição Chama (mm)
CO (%)
50mm
Sem Atuação - 50mm
150mm
Sem Atuação - 150mm
250mm
Sem Atuação - 250mm
Figura 59 – Distribuição radial da porcentagem volumétrica de CO a 283 Hz e 38 mbar na Condição II (Erro
máximo: ± 0,13%).
Para as máximas amplitudes de pressão, em todas as freqüências estudadas, uma
tendência nas curvas geradas também pode ser observada, o que exime da
apresentação de todos os gráficos, permitindo a apresentação dos que representem de
forma efetiva os resultados. Assim para a Condição II será exposta a distribuição
radial da concentração de cada gás analisado, em apenas uma condição de trabalho,
neste caso, em 181 Hz e 25 mbar, possibilitando comparações com a Condição I, visto
se tratarem de condições correspondentes, variando-se somente a razão de
equivalência global.
As Figuras 60, 61 e 62 apresentam as concentrações em 181 Hz e 25 mbar para o
NO
x
, O
2
e CO
2
, respectivamente.
116
CONCENTRAÇÃO NO
x
(181Hz - 25mbar)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
-36 -32 -28 -24 -20 -16 -12 -8 -4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36
Posição Chama (mm)
NOx (ppm)
50mm
Sem Atuação - 50mm
150mm
Sem Atuação - 150mm
250mm
Sem Atuação - 250mm
Figura 60 – Distribuição radial da porcentagem volumétrica de NO
X
a 181 Hz e 25 mbar na Condição II (Erro
máximo: ± 2,3 ppm).
CONCENTRAÇÃO O2
(181Hz - 25 mbar)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
-36 -32 -28 -24 -20 -16 -12 -8 -4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36
Posição Chama (mm)
O2 (%)
50mm
Sem Atuação - 50mm
150mm
Sem Atuação - 150mm
250mm
Sem Atuação - 250mm
Figura 61 –Distribuição radial da porcentagem volumétrica de O
2
a 181 Hz e 25 mbar na Condição II (Erro
máximo: ± 0,38%).
117
CONCENTRAÇÃO CO
2
(181Hz - 25mbar)
0,3
0,8
1,3
1,8
2,3
2,8
3,3
3,8
4,3
4,8
5,3
5,8
6,3
-36 -32 -28 -24 -20 -16 -12 -8 -4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36
Posição Chama (mm)
CO2 (%)
50mm
Sem Atuação - 50mm
150mm
Sem Atuação - 150mm
250mm
Sem Atuação - 250mm
Figura 62 – Distribuição radial da porcentagem volumétrica de CO
2
a 181 Hz e 25 mbar na Condição II (Erro
máximo: ± 0,21%).
Verifica-se que, assim como observado para a concentração de CO, a
distribuição radial da concentração de NO
x
,O
2
e CO
2
, seguem o mesmo perfil
qualitativo da Condição I.
A concentração de CO para a Condição II, também apresenta a mesma tendência
da Condição I e mantém comportamento semelhante à concentração de CO
2
,
conforme Figura 62. A conversão de CO em CO
2
somente é verificada através das
medidas realizadas para obtenção do comprimento da chama.
Pode-se também para o NO
x
fazer a mesma análise da Condição I, sem atuação
tem-se maior concentração de NO
x
na fronteira de chama, enquanto a atuação diminui
consideravelmente a concentração de NO
x
nas três posições axiais e o torna bem
distribuído ao longo do eixo radial.
Na Condição II, o comportamento qualitativo da concentração de O
2
, no que se
refere ao efeito acústico na chama e ao caso sem atuação acústica, é o mesmo descrito
para a Condição I. Tem-se perfil típico de chama difusiva para a situação sem atuação
acústica, com pequena quantidade de O
2
em 50mm, devido ao “air entrainment”, o
118
que não ocorre em 150 e 250mm. A alta concentração de O
2
, principalmente em
50mm (região mais próxima ao queimador), com o uso do campo acústico, reforça a
idéia de que este incrementa o “air entrainment”. Também ocorre diluição dos
produtos da combustão pelo O
2
, sendo parte deste é consumido nas reações químicas
locais.
Com relação à concentração de CO
2
, Figura 62, com a atuação acústica tem-se
em 50mm concentração menor que para o caso sem atuação, posição esta, onde se tem
grande concentração de O
2
, Figura 61, denotando presença de diluição na região.
A diluição dos produtos da combustão para as duas condições de entrada de
vazão utilizadas neste trabalho tornou necessário a realização de correções nas
medidas das concentrações dos produtos da combustão.
4.3.3 Correções na concentração dos gases para as Condições I e II
Como mencionado, verifica-se que há presença de oxidante na região de chama
diluindo os produtos da combustão, para as Condições I e II, sendo necessário uma
correção nos valores medidos das concentrações. Assim as medidas dos gases
decorrentes da combustão foram normalizadas para concentração de 3% de O
2
,
podendo-se avaliar de forma mais clara a presença espacial dos gases.
Segundo Carvalho Jr. e Lacava (2003), a concentração volumétrica de um gás
proveniente do processo de combustão, pode ser corrigida para uma dada
concentração de O
pela equação:
2,
realBS
realBS
corrBS
A
O
O
,
,2
,2
][
][21,0
][21,0
−
−
[A]
BS, corr
= (40)
onde:
119
• [A]
BS, corr
= concentração volumétrica em base seca de um “componente
qualquer” dos produtos de combustão a ser corrigida;
• = concentração volumétrica de O
corrBS
O
,2
][
2
a ser usada como base na
correção;
• = concentração volumétrica de O
realBS
O
,2
][
2
em base seca, medida;
• = concentração volumétrica de “componente qualquer” em base
seca, medida.
realBS
A
,
][
Esta equação pode ser usada para qualquer combustível e para quaisquer dos
componentes dos produtos de combustão.
As Figuras 63, 64 e 65 apresentam as concentrações de CO
2
, CO e NO
x
, em 181
Hz e 21 mbar para a Condição I, (a) sem as correções na concentração dos gases e (b)
corrigidos os valores das concentrações para 3% O
2
.
CONCENTRAÇÃO CO2
(181Hz - 21mbar)
1,3
1,8
2,3
2,8
3,3
3,8
4,3
4,8
5,3
5,8
6,3
6,8
7,3
7,8
8,3
8,8
-28 -26 -24 -22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 2
8
Posição Chama (mm)
CO2 (%)
50mm
Sem Atuação - 50mm
150mm
Sem Atuação - 150mm
250mm
Sem Atuação - 250mm
(a)
120
CONCENTRAÇÃO CO
2
(181Hz - 21mbar)
1,3
1,8
2,3
2,8
3,3
3,8
4,3
4,8
5,3
5,8
6,3
6,8
7,3
7,8
8,3
8,8
2
8 -26 -24 -22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
Posição Chama (mm)
CO2 (%)
50mm
Sem Atuação - 50mm
150mm
Sem Atuação - 150mm
250mm
Sem Atuação - 250mm
(b)
Figura 63 – Distribuição radial da porcentagem volumétrica de CO
2
na Condição I em 181 Hz e 21 mbar (a) sem
correção e (b) com correção para 3%O
2
(Erro máximo: ± 0,21%).
Verifica-se que a correção na concentração do CO
2
, causa mudança radical na
tendência das curvas. Nas posições axiais de 150 e 250mm, tem-se maior concentração
de CO
2
para o processo com atuação acústica, indicando que localmente há maior
conversão de produtos de oxidação parcial, como o CO, em CO
2
. Observa-se ainda
menor concentração de CO
2
na região próxima ao eixo central, que aumenta
gradativamente à medida que radialmente aproxima-se das extremidades da chama,
provavelmente por esta região possuir maior quantidade de O
2
disponível, sendo este
proveniente do ar primário, com tempo de residência e velocidades adequadas para a
oxidação do CO. Na Figura 66, mostra-se o esquema do queimador utilizado neste
trabalho mostrando seu eixo central e O
2
proveniente do ar atmosférico .
121
CONCENTRAÇÃO CO
(181Hz - 21 mbar)
0,0
0,3
0,6
0,9
1,2
1,5
1,8
2,1
2,4
2,7
3,0
3,3
3,6
3,9
4,2
4,5
4,8
5,1
5,4
5,7
6,0
-28-26-24-22-20-18-16-14-12-10-8-6-4-20246810121416182022242628
Posição Chama (mm)
CO (%)
50mm
Sem Atuação - 50mm
150mm
Sem Atuação - 150mm
250mm
Sem Atuação - 250mm
(a)
CONCENTRAÇÃO CO
(181Hz - 21mbar)
0,0
0,3
0,6
0,9
1,2
1,5
1,8
2,1
2,4
2,7
3,0
3,3
3,6
3,9
4,2
4,5
4,8
5,1
5,4
5,7
6,0
-28 -26 -24 -22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 2
8
Posição Chama (mm)
CO (%)
50mm
Sem Atuação - 50mm
150mm
Sem Atuação - 150mm
250mm
Sem Atuação - 250mm
(b)
Figura 64 – Distribuição radial da porcentagem volumétrica de CO na Condição I em 181 Hz e 21 mbar (a) sem
correção e (b) com correção para 3%O
2
(Erro máximo: ± 0,13%).
122
Com relação ao perfil da concentração de CO, a correção para 3% de O
2,
não
induz alterações significativas no perfil das curvas. De uma forma geral é alterada
apenas a quantidade de CO nos testes realizados com atuação em 50 e 150mm, que
sofrem um pequeno acréscimo, como pode ser visto na Figura 64 (b), em relação a 64
(a), verificando-se que o efeito da diluição “mascarava” os resultados.
CONCENTRAÇÃO NO
x
(181Hz - 21 mbar)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
-28 -26 -24 -22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
Posição Chama (mm)
NOx (ppm)
50mm
Sem Atuação - 50mm
150mm
Sem Atuação - 150mm
250mm
Sem Atuação - 250mm
(a)
CONCENTRAÇÃO NOx
(181Hz - 21mBar)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
-
25-23-21-19-17-15-13-11-9 -7 -5 -3 -1 1 3 5 7 9 1113151719212325
Posição Chama (mm)
NO
x
(ppm)
50mm
Sem Atuação - 50mm
150mm
Sem Atuação - 150mm
250mm
Sem Atuação - 250mm
(b)
Figura 65 – Distribuição radial da porcentagem volumétrica de NO
x
na Condição I em 181 HZ e 21 mbar (a) sem
correção e (b) com correção para 3%O
2
(Erro máximo: ± 2,3 ppm).
123
O perfil de NO
x
mantém a mesma configuração para a concentração, para os
casos com e sem a correção para 3% de O
2
. Há um pequeno incremento na
concentração, ver Figura 65 (b) em 250mm mas extremidades radiais da chama,
porém, ainda mantém concentração menor de NO
x
da situação pulsada com relação à
não pulsada.
Ar Piloto+H2+acetileno
Ar Secundário
GNV
Ar Piloto+H2+acetileno
Ar Primário
o
φ
15
φ
8
φ
45
φ
6
Figura 66 – Esquema do queimador, destacando o eixo central (medidas em mm).
4.3.4 Comparação da concentração dos gases para as condições I e II com valores
para 3% O
2
Uma comparação entre as Condições I e II, com relação à análise dos gases, pode
ser vista nas Figuras 67 e 68 que apresentam as concentrações de CO
2
, e CO com
correção nos valores das concentrações para 3% O
2
em, (a) 181 Hz e 21 mbar para a
Condição I e (b) 181 Hz e 25 mbar para a Condição II.
124
CONCENTRAÇÃO CO
2
(181Hz - 21mBar)
0,3
0,8
1,3
1,8
2,3
2,8
3,3
3,8
4,3
4,8
5,3
5,8
6,3
6,8
7,3
7,8
8,3
8,8
9,3
9,8
-32 -28 -24 -20 -16 -12 -8 -4 0 4 8 12 16 20 24 28 32
Posição Chama (mm)
CO
2
(%)
50mm
Sem Atuação - 50mm
150mm
Sem Atuação - 150mm
250mm
Sem Atua
ç
ão - 250mm
(a)
CONCENTRAÇ
Ã
O CO
2
(181Hz - 25mBar)
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
8.5
9.0
9.5
10.0
10.5
-36 -32 -28 -24 -20 -16 -12 -8 -4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36
Posi
ç
ão Chama
(
mm
)
CO2 (%)
50mm
Sem Atuação - 50mm
150mm
Sem Atuação - 150mm
250mm
Sem Atuação - 250mm
(b)
Figura 67 – Distribuição radial da porcentagem volumétrica de CO
2,
corrigidos os valores da amplitude de
pressão e da concentração para 3% de O
2
para (a) Condição I (b) Condição II (Erro máximo: ± 0,21%).
125
CONCENTRAÇÃO CO
(181Hz - 21mBar)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
3
2 -28 -24 -20 -16 -12 -8 -4 0 4 8 12 16 20 24 28 3
2
Posição Chama (mm)
CO (%)
50mm
Sem Atuação - 50mm
150mm
Sem Atuação - 150mm
250mm
Sem Atuação - 250mm
(a)
CONCENTRAÇÃO CO
(181Hz - 25mBar)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
-32 -28 -24 -20 -16 -12 -8 -4 0 4 8 12 16 20 24 28 32
Posição Chama (mm)
CO (%)
50mm
Sem Atuação - 50mm
150mm
Sem Atuação - 150mm
250mm
Sem Atua
ç
ão - 250mm
(b)
Figura 68 – Distribuição radial da porcentagem volumétrica de CO, corrigidos os valores da amplitude de
pressão e da concentração para 3% de O
2
para (a) Condição I (b) Condição II (Erro máximo: ± 0,13%).
126
O perfil do CO
2
corrigidas as concentrações para as condições I e II é semelhante,
como pode ser visto na Figura 67. Porém na Condição II com a atuação acústica tem-
se na região central em 50mm, maior concentração para a situação com atuação
acústica do que sem atuação. Tem-se nesta região maior concentração de CO,
conforme Figura 68 (b) e menor concentração de O
2
, conforme Figura 70 (b), se
comparado à Condição I. Verifica-se maior concentração de CO
2
na altura de 50 mm e
na Condição II, provavelmente por termos nesta região velocidade menor (na
Condição II a vazão de ar tem excesso de 5% e na Condição I 22%) e tempo de
residência suficiente para converter parte do CO em CO
2
.
Pode-se verificar para a concentração de CO, comportamento qualitativo
semelhante para as condições I e II, considerando-se os valores corrigidos, com
exceção da região de 50 mm na Condição II, como mencionado no parágrafo anterior.
A Figura 69 apresenta a concentração de NO
x
com correção nos valores das
concentrações para 3% O
2
em, (a) 181 Hz e 21 mbar para a Condição I e (b) 181 Hz e
25 mbar para a Condição II.
CONCENTRAÇÃO NO
x
(181Hz - 21mBar)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
-32-28-24-20-16-12 -8 -4 0 4 8 12 16 20 24 28 3
Posição Chama (mm)
NOx (ppm)
2
50mm
Sem Atuação - 50mm
150mm
Sem Atuação - 150mm
250mm
Sem Atuação - 250mm
(a)
127
CONCENTRAÇÃO NO
x
(181Hz - 25mBar)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
-32 -28 -24 -20 -16 -12 -8 -4 0 4 8 12 16 20 24 28 32
Posição Chama (mm)
NOx (ppm)
50mm
Sem Atuação - 50mm
150mm
Sem Atuação - 150mm
250mm
Sem Atua
ç
ão - 250mm
(b)
Figura 69 – Distribuição radial da porcentagem volumétrica de NO
x
, corrigidos os valores da amplitude de
pressão e da concentração para 3% de O
2
para (a) Condição I (b) Condição II (Erro máximo: ± 2,3 ppm).
Ocorre redução da concentração de NO
x
para as duas condições de trabalho,
quando é aplicada a atuação acústica. Porém em 50mm para a Condição II, há na
região central do queimador, maior concentração de NO
x
para a situação com atuação
acústica. Isto ocorre provavelmente por esta região possuir maior temperatura, devido
à menor quantidade de ar existente nesta região, favorecendo a formação de NO
x
térmico, o que poderá ser mais bem avaliado quando forem apresentados e discutidos
os resultados de temperatura.
A Figura 70 apresenta a comparação entre as duas condições de trabalho para a
[O
2
].
128
CONCENTRAÇÃO O
2
(181Hz - 21mBar)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
-32 -30 -28 -26 -24 -22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
Posição Chama (mm)
O
2
(%)
50mm
Sem Atuação - 50mm
150mm
Sem Atuação - 150mm
250mm
Sem Atua
ç
ão - 250mm
(a)
CONCENTRAÇÃO O
2
(181Hz - 25mBar)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
-32 -28 -24 -20 -16 -12 -8 -4 0 4 8 12 16 20 24 28 32
Posição Chama (mm)
O
2
(%)
50mm
Sem Atuação - 50mm
150mm
Sem Atuação - 150mm
250mm
Sem Atua
ç
ão - 250mm
(b)
Figura 70 – Distribuição radial da porcentagem volumétrica de O
2
para: (a) Condição I (b) Condição II (Erro
máximo: ± 0,38%).
Tem-se qualitativamente o mesmo perfil nas curvas para as duas condições,
principalmente em 150 e 250mm. Na região de 50mm (próxima ao queimador, onde a
129
influência do campo acústico é mais pronunciada), entretanto, observa-se na Condição
I, Figura 70 (a), que a concentração de O
2
é um pouco maior. Como mencionado, este
fato está provavelmente associado à maior quantidade de oxidante disponível nesta
região e condição de trabalho.
Os perfis obtidos para as condições I e II com relação à concentração dos gases
CO, CO
2
, NO
x
e O
2
possuem comportamento qualitativo semelhante. As curvas para
determinada espécie analisada (variando-se apenas a vazão dos gases, mantendo as
mesmas condições acústicas) é o mesmo, o que sugere que independente da razão de
equivalência utilizada, pode-se esperar resultados qualitativos equivalentes para as
análises realizadas.
4.4 CAMPO DE TEMPERATURA PARA AS CONDIÇÕES I E II
As medidas de temperatura foram obtidas através de um sistema, apresentado no
item 2.2.4 deste trabalho, formado por um termopar de fio fino, do tipo R, feito em
liga Pt / PtRh13% de 38µm e por uma sonda para sua fixação, cujos esquemas podem
ser vistos na Figura 19, onde se observa (a) termopar tipo R e (b) sonda do termopar de
fio fino, respectivamente, enquanto a Figura 20 apresenta fotografia (a) sonda fixada
no suporte e (b) detalhe da extremidade onde são fixados os fios de 38µm.
Foram realizados testes para se verificar a temperatura na chama, nas vazões de
alimentação apresentadas na Tabela 11, condições acústicas descritas na Tabela 17 e
nas posições radiais e axiais, conforme Tabela 19.
Como ocorreu com a análise dos gases, o campo de temperatura apresentou seus
perfis de curvas muito semelhantes para as freqüências correspondentes aos três
primeiros harmônicos do queimador, mostrando uma mesma tendência nos resultados,
tanto para a Condição I como para a II. Assim, serão apresentados aqui os resultados
referentes ao segundo harmônico do queimador, ou seja, 181 Hz.
130
A Figura 71 mostra os perfis de temperatura na Condição I para 181 Hz e: (a) 8,5
mbar, (b) 16 mbar e (c) 21 mbar.
Temperatura na Chama
(181Hz - 8,5mBar)
-42-38-34-30-26-22-18-14-10 -6 -2 2 6 10 14 18 22 26 30 34 38 42
Posição (mm)
Temperatura (oC)
150
300
450
600
750
900
1050
1200
1350
Sem Atuação-50mm
50mm
Sem Atuação-150mm
Sem Atuação-250mm
250mm
150mm
(a)
Temperatura na Chama
(181Hz - 16mBar)
-
42 -38 -34 -30 -26 -22 -18 -14 -10 -6 -2 2 6 10 14 18 22 26 30 34 38 42
Posição (mm)
Temperatura (
o
C)
150
300
450
600
750
900
1050
1200
1350
50mm
Sem Atuação - 150mm
150mm
Sem Atuação - 250mm
250mm
Sem Atua
ç
ão - 50mm
(b)
131
Temperatura na Chama
(181Hz - 21mBar)
-42-38-34-30-26-22-18-14-10-6 -2 2 6 101418222630343842
Posição
(
mm
)
Tem
p
eratura
(
oC
)
150
300
450
600
750
900
1050
1200
1350
Sem Atuação - 50mm
50mm
Sem Atuação - 150mm
Sem Atuação - 250mm
250mm
150mm
(c)
Figura 71 – Distribuição radial da Temperatura na Condição I, corrigidos os valores da amplitude de pressão em
181 HZ e (a) 8,5 mbar (b) 16 mbar e (c) 21 mbar (Erro máximo: ± 30,37
o
C).
Verifica-se que o campo acústico altera as medidas de temperatura na chama.
Com o incremento gradual na amplitude de pressão, as medidas de temperatura vão
definindo um perfil característico nas curvas para cada posição axial, como mostra a
Figura 71. Observa-se que em 21 mbar (Figura 71 (c)), correspondente à máxima
amplitude de pressão estudada, tem-se perfil de temperatura que representa a
tendência global, condição acústica esta adotada também para representar a análise
dos gases.
Em 50mm, há um decréscimo na temperatura com a atuação acústica (Figura 71
(c)), obtém-se um pico de 1360
o
C sem atuação acústica, e na mesma posição radial,
esta diminui para 892
o
C. Nesta região próxima ao queimador, onde se tem excesso de
22% de oxidante na sua injeção, há grande introdução de O
2
na chama quando é
aplicado o campo acústico, como pode ser visto na Figura 70 (a), o que causa
provavelmente a diminuição local da temperatura da chama. Isto confirma o que foi
dito no item 4.3.1 (Figura 45), ao ser analisada a menor concentração de NO
x
na
132
região central do queimador em 50mm para a Condição I com atuação acústica,
desfavorecendo a formação de NO
x
térmico.
Em 150 e 250mm há aumento na temperatura com a utilização do campo
acústico, verifica-se que este promove uma melhor mistura entre os reagentes, fazendo
com que as reações de combustão locais sejam mais eficientes. Ocorre ainda a
diminuição no comprimento da chama, concentrando a liberação de energia em um
volume menor, aumentando assim a temperatura.
A Figura 72 apresenta o perfil de temperatura para a Condição II, em 181 Hz e:
(a) 8,5 mbar, (b) 17 mbar e (c) 25 mbar.
Temperatura na Chama
(181Hz - 8,5mBar)
-48 -44 -40 -36 -32 -28 -24 -20 -16 -12 -8 -4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48
Posição (mm)
Temperatura (oC)
150
300
450
600
750
900
1050
1200
1350
50mm
Sem Atuação - 150mm
150mm
Sem Atuação - 250mm
250mm
Sem Atua
ç
ão - 50mm
(a)
133
Temperatura na Chama
(181Hz - 17mBar)
-48-44-40-36-32-28-24-20-16-12-8 -4 0 4 8 12162024283236404448
Posição (mm)
Temperatura (
o
C)
150
300
450
600
750
900
1050
1200
1350
50mm
Sem Atuação - 150mm
150mm
Sem Atuação - 250mm
250mm
Sem Atua
ç
ão - 50mm
(b)
Temperatura na Chama
(181Hz - 25mBar)
-48 -44 -40 -36 -32 -28 -24 -20 -16 -12 -8 -4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48
Posi
ç
ão
(
mm
)
Temperatura (
o
C)
150
300
450
600
750
900
1050
1200
1350
Sem Atuação - 50mm
50mm
Sem Atuação - 150mm
150mm
Sem Atuação - 250mm
250mm
(c)
Figura 72 – Distribuição radial da Temperatura na Condição II para 181 Hz e: (a) 8,5 mbar (b) 17 mbar e (c) 25
mbar (Erro máximo: ± 30,37
o
C).
134
Em 50mm com a atuação acústica tem-se menor temperatura em alguns pontos
ao longo da direção radial da chama, porém na região central do eixo do queimador, a
temperatura é maior, tem-se 778
o
C para o processo com atuação, e 704
o
C sem
atuação, o que diverge dos resultados obtidos para a Condição I. Como pode ser visto
na Figura 70 (a) e (b), nesta região tem-se menor [O
2
] para a Condição II com relação
à Condição I, o que, conseqüentemente gera temperaturas mais altas na Condição II.
Com relação à razão de equivalência global utilizada não é notada alteração
considerável no incremento da temperatura obtido com a atuação acústica. Para a
Condição I em 250mm no eixo central do queimador tem-se, por exemplo, um
aumento de 162
o
C na temperatura, enquanto que para a mesma posição na Condição
II, tem-se aumento de 167
o
C na temperatura. A temperatura máxima obtida com a
atuação acústica também não parece ser alterada pela razão de equivalência, pois é
obtido na posição axial de 150mm, um máximo de 1232
o
C para a Condição I,
enquanto a Condição II apresenta um máximo de 1235
o
C, medidas na mesma posição
radial da chama.
4.5 RESULTADOS DA ANÁLISE TOMOGRÁFICA DE CHAMA
Os resultados referentes à tomografia aqui apresentados são divididos em duas
partes, a primeira é referente ao levantamento qualitativo das intensidades luminosas
da chama por ocasião da utilização de filtros interferométricos em comprimentos de
onda pré-selecionados e a segunda se refere à reconstrução tomográfica propriamente
dita, utilizando-se das imagens obtidas das chamas.
Para tais testes, como ocorrido para a análise dos gases e temperatura, os testes
foram conduzidos nas vazões de alimentação apresentadas na Tabela 11, condições
acústicas descritas na Tabela 17 e somente para as posições axiais, descritas na Tabela
19.
135
4.5.1) Intensidades luminosas da chama
Como citado no item 2.2.6.5, foi utilizado neste trabalho o algoritmo “Back
Projection” para realizar a reconstrução tomográfica da chama. Inicialmente foram
obtidas as projeções da radiação emitida pelos radicais CH, C
2
e pela fuligem presentes
na chama. Após a aquisição de imagens, utilizando-se do algoritmo foi realizada a
reconstrução tomográfica.
As imagens foram obtidas através de uma câmera CCD acoplada a um
computador para registro dos dados, empregando-se equipamentos e filtros em
diversos comprimentos de onda, descritos no item 2.2.6.4.
Aqui serão apresentados apenas os resultados das intensidades sem atuação
acústica e nas amplitudes de pressão máximas, para a Condição I, visto que esta
condição representa a tendência global das intensidades luminosas das diferentes
chamas analisadas neste trabalho.
O centro do queimador corresponde à posição referente à metade do valor
máximo do eixo dos pixels, ou seja, o zero do eixo dos pixels corresponde ao centro do
queimador e conseqüentemente o centro da chama. As intensidades luminosas são
apresentadas em escala de cinza, sendo que esta escala varia de 0 (correspondente à
cor preta) a 254 (correspondente à cor branca).
A emissão de fuligem pode ser vista através da Figura 73, onde tem-se chama
sem atuação acústica. As Figuras 74, 75 e 76 apresentam a chama com atuação
acústica a 97 Hz, 181 Hz e 282 Hz, respectivamente.
136
Intensidade Fuligem sem Atuação Acústica
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
0 10203040506070
Pixel
Intensidade em escala de cinza
50mm
150mm
250mm
Figura 73 – Intensidade da Fuligem sem atuação acústica na Condição I
Intensidade Fuligem em 97 Hz e 15 mbar
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
0 102030405060708090
Pixel
Intensidade em escala de cinza
50mm
150mm
250mm
Figura 74 – Intensidade da Fuligem a 97 Hz – 15 mbar na Condição I
137
Intensidade Fuligem 181 Hz e 21 mbar
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
0 102030405060708090
Pixel
Intensidade em escala de cinza
50mm
150mm
250mm
Figura 75 – Intensidade da Fuligem a 181 Hz – 21 mbar na Condição I.
Intensidade Fuligem 282 Hz e 23 mbar
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
0 102030405060708090
Pixel
Intensidade em escala de cinza
50mm
150mm
250mm
Figura 76 – Intensidade da Fuligem a 282 Hz – 23 mbar na Condição I.
Pode-se verificar através da Figura 73 a grande emissão de fuligem para a
situação sem atuação acústica, principalmente para a posição axial de 250 mm e
138
através das Figuras 74, 75 e 76, verifica-se a grande influência do sinal acústico sobre
a estrutura da chama, pois ocorre considerável redução da fuligem para todas as
freqüências dos harmônicos do queimador em 250mm, denotando queima mais
completa em todas as condições de atuação. Uma das causas predominantes para a
formação da fuligem é a situação onde se tem condição rica de queima, ou seja,
chamas com alta concentração de combustível com relação ao oxidante. Como visto
anteriormente, Figura 70 (a) e (b), a combustão pulsante induz à introdução de O
2
na
região de chama, promovendo ambiente com excesso de oxidante, o que reduz a
formação de fuligem. Pela Figura 75, observa-se para 150 e 250 mm, o mesmo nível
de concentração de fuligem obtido em 50mm.
Em todas as freqüências de trabalho, houve redução da fuligem para a altura axial
de 150mm e mesmo em 50mm, onde se tem baixa concentração de fuligem para o caso
sem atuação acústica, em alguns pontos, houve redução em sua emissão.
A seguir são apresentados os resultados das intensidades luminosas em escala de
cinza para os radicais C
2
e CH
,
porém os dados serão mais cuidadosamente analisados
no próximo item sobre tomografia. As Figuras 77, 78, 79 e 80 apresentam as
intensidades luminosas em escala de cinza para o radical C
2
, respectivamente para a
chama sem atuação e com atuação em 97, 181 e 282 Hz.
139
Intensidade C
2
sem Atuação Acústica
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
10,0
11,0
12,0
13,0
0 10203040506070
Pixel
Intensidade em escala de cinza
50mm
150mm
250mm
Figura 77 – Intensidade do Radical C
2
sem atuação acústica na Condição I.
Intensidade C
2
a 97Hz - 10mBar
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
10,0
11,0
12,0
13,0
0 1020304050607080
Pixel
Intensidade em escala de cinza
50 mm
150mm
250mm
Intensidade C
2
a 97 Hz e 15 mbar
Figura 78 – Intensidade do Radical C
2
a 97 Hz – 15 mbar na Condição I.
140
Intensidade
C
2
a
181Hz
14mBar
Intensidade C
2
a 181 Hz e 21 mbar
13
,
0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
10,0
11,0
12,0
0 102030405060708090
Pixel
Intensidade em escala de cinza
50mm
150mm
250mm
Figura 79 – Intensidade do Radical C
2
a 181 Hz – 21 mbar na Condição I.
Intensidade C
2
a 282Hz - 16mBar
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
10,0
11,0
12,0
13,0
0 1020304050607080
Pixel
Intensidade em escala de cinza
50mm
150mm
250mm
Intensidade C a 282 Hz e 23 mba
r
2
Figura 80 – Intensidade do Radical C
2
a 282 Hz – 23 mbar na Condição I.
Verifica-se que ocorre diminuição na intensidade luminosa do C
2
com a
aplicação do campo acústico, principalmente em 250mm, sendo esta redução pouco
acentuada em 50mm. Este radical é característico em chamas ricas em combustível, o
141
que denota aqui a melhor mistura entre combustível e oxidante para as três posições
axiais estudadas. Nota-se que para a freqüência de 181 Hz e 21 mbar (Figura 79),
ocorre redução nas intensidades deste radical, chegando-se ao valor máximo de 3,0 na
escala de cinza em algumas regiões da chama e em outras se obtém valores ainda
menores.
As Figuras 81, 82, 83 e 84 mostram a variação da intensidade em escala de cinza
para o radical CH.
Intensidade CH sem atuação acústica
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
0 1020304050607080
Pixel
Intensidade em escala de cinza
Intensidade CH sem Atua
ç
ão Acústica
50mm
150mm
250mm
Figura 81 –-- Intensidade do Radical CH
sem atuação na Condição I.
142
Intensidade CH a 97Hz - 10mBar
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
0 1020304050607080
Intensidade CH a 97 Hz e 15 mba
r
Intensidade em escala de cinza
50mm
150mm
250mm
Pixel
Figura 82 – Intensidade do Radical CHa 97 Hz – 15 mbar na Condição I.
Intensidade CH a 181Hz - 14mBar
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
0 10203040506070
Pixel
Intensidade em escala de cinza
Intensidade CH a 181 Hz e 21 mba
r
80
50mm
150mm
250mm
Figura 83 – Intensidade do Radical CHa 181 Hz – 21 mbar na Condição I.
143
Intensidade CH a 282Hz - 16mBar
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
0 1020304050607080
Pixel
Intensidade em escala de cinza
Intensidade CH a 282 Hz e 23 mba
r
50mm
150mm
250mm
Figura 84 – Intensidade do Radical CHa 282 Hz – 23 mbar na Condição I.
A utilização da atuação acústica promove maior distribuição das intensidades
luminosas, principalmente em 150 e 250 mm para o radical CH, ao longo do eixo
radial, para todas as freqüências utilizadas neste trabalho. Este comportamento ocorre
provavelmente devido às reações de combustão estarem mais espalhadas (quando é
imposto o campo acústico), indicando que o campo acústico transforma uma chama
difusiva em uma chama com características de pré-misturada.
Abaixo são apresentadas, chamas correspondentes às condições acústicas
utilizadas neste trabalho, para a condição de vazão I, apresentando desta forma chamas
referentes ao caso sem atuação acústica e para as freqüências de 97 Hz, Figura 85, de
181 Hz, Figura 86 e 282 Hz, Figura 81. Nestas Figuras tem-se em alguns casos,
chamas com amplitudes de pressão maiores que as utilizadas neste trabalho, não tendo
sido estas utilizadas, por não se manterem ancoradas na base do queimador por tempo
suficiente para a realização dos testes.
144
Sem Atuação 97 Hz–5,5 mbar 97 Hz-10 mbar 97 Hz–15 mbar
Figura 85 – Chama não atuada e com atuação a 97 Hz para várias amplitudes de pressão.
181 Hz-8,5 mbar 181 Hz–16 mbar 181 Hz–21 mbar
Figura 86 – Chama com atuação a 181 Hz para várias amplitudes de pressão.
282 Hz-10 mbar 282 Hz-15 mbar 282 Hz-23 mbar 282 Hz-28 mbar 282 Hz-33 mbar
Figura 87 – Chama com atuação a 282 Hz para várias amplitudes de pressão.
145
Pode-se notar visivelmente que à medida que se vai aumentando a amplitude de
pressão, obtém-se queima mais completa, promovendo chamas mais curtas e com
tonalidade azulada. Aleatoriamente, aqui são apresentadas chamas na freqüência de
282 Hz e com amplitudes de pressão maiores que as utilizadas nos testes
experimentais adotados neste trabalho. Há forte influência da atuação sobre a estrutura
da chama, verifica-se que em 28 mbar tem-se a coloração azul bastante acentuada na
chama. indicando nesta região chama com característica de pré-misturada e em 33
mbar tem-se a chama com coloração quase que totalmente azul.
4.5.2 Captura e reconstrução tomográfica de imagens da chama
Anterior à realização efetiva da reconstrução tomográfica é necessário se fazer a
correta captura e armazenamento das imagens obtidas, neste caso, da chama, para
somente então realizar sua reconstrução tomográfica, assim os subitens a seguir
apresentam as imagens médias obtidas da chama e sua reconstrução tomográfica.
4.5.2.1 Imagens médias obtidas da chama em escala de cinza
Como já mencionado, para a obtenção das imagens, foram utilizados filtros de
interferência na região do visível para os radicais C
2
e CH e para a Fuligem, nos
comprimentos de onda, conforme mostra a Tabela 20.
146
Tabela 20 - Comprimento de onda das espécies analisadas neste trabalho.
Es
p
écie Com
p
rimento de onda
(
nm
)
CH 435
,
8
C
2
514
,
5
Fuli
g
em 800
O tempo de aquisição e armazenamento dos dados no computador, foi cerca de
40 segundos para uma média de 150 imagens e o tempo de posicionamento do braço
articulado (conforme descrito no item 2.2.6.3) em cada ângulo de projeção de
aproximadamente 3 minutos.
As imagens capturadas pela câmera e processadas no computador foram
armazenadas em arquivos do tipo TIF. Este arquivo fornece informação de escala de
cinza para os pixels e sua localização, tendo como referencial o pixel superior
esquerdo de uma figura retangular. Para ler a escala de intensidade luminosa dos pixels
foi utilizado o software Mathcad 2001 Professional, sendo que, cada pixel traz as
informações da região de reconstrução, ou seja, cada pixel representa o valor da
integral ao longo de uma faixa que atravessa a região de reconstrução, neste caso uma
seção transversal da chama .
Através do algoritmo “Back Projection” foram processadas as informações
referentes às imagens obtidas na chama obtendo-se assim a reconstrução tomográfica
nas alturas axiais de 50, 150 e 250mm, conforme pode ser visto na Figura 88, para as
condições de ensaios já descritas anteriormente, ou seja, vazões de alimentação
apresentadas na Tabela 11, condições acústicas descritas na Tabela 17 e para as
posições axiais, descritas na Tabela 19.
Foi utilizada a mesma abertura óptica e tempo de exposição dos pixels para
aquisição das imagens para todos os testes, ou seja, a distância focal 3 e “f number” 4.
Como mencionado as imagens apresentadas apresentam intensidades luminosas em
escala de cinza, que varia de 0 (cor preta) a 254 (cor branca).
147
50mm
150mm
250mm
Figura 88 – Localização na chama das alturas axiais de 50, 150 e 250mm.
Assim como ocorreu com os resultados referentes á análise dos gases e da
temperatura, mostrados anteriormente, optou-se aqui por apresentar alguns resultados
dos testes, sendo estes relevantes e que representam de forma qualitativa os demais
resultados.
Serão apresentados inicialmente os resultados referentes à situação sem atuação
acústica e com atuação acústica para a freqüência de 181 Hz e amplitudes mínima,
média e máxima, de forma a verificar a evolução da influência do processo acústico na
formação dos radicais C
2
, CH e da fuligem, na Condição I, visto que os resultados das
demais freqüências dos harmônicos do queimador seguem a mesma tendência nos
resultados.
A Tabela 21 à Tabela 24 traz as imagens projetadas do radical C
2
, obtidas por
câmera CCD em dezoito ângulos diferentes ao redor da chama, na Condição I sem
atuação acústica e na freqüência de 181 Hz e amplitudes de pressão mínima (8,5
mbar), média (16 mbar) e máxima (21 mbar). As imagens foram capturadas na posição
axial de 50 mm (a), 150 e 250 mm (b)
148
Tabela 21-Imagem projetada do radical C
2
sem atuação acústica ra Condição I em 50mm (a), 150 e 250mm (b).
0
o
10
o
20
o
30
o
40
o
50
o
60
o
70
o
80
o
90
o
100
o
110
o
120
o
130
o
140
o
150
o
160 170
o
(a)
0
o
10
o
20
o
30
o
40
o
50
o
60
o
70
o
80
o
90
o
100
o
110
o
120
o
130
o
140
o
150
o
160
o
170
o
(b)
149
Tabela 22 - Imagem projetada do radical C
2
com atuação de 8,5 mbar para Condição I em 50mm (a), 150 e
250mm (b).
0
o
10
o
20
o
30
o
40
o
50
o
60
o
70
o
80
o
(a)
0
o
10
o
20
o
30
o
40
o
50
o
60
o
70
o
80
o
90
o
100
o
110
o
120
o
130
o
140
o
150
o
160
o
170
o
(b)
90
o
100
o
110
o
120
o
130
o
140
o
150
o
160
o
170
o
150
Tabela 23 - Imagem projetada do radical C
2
com atuação de 16 mbar para Condição I em 50mm (a), 150 e
250mm (b).
0
o
10
o
20
o
30
o
40
o
50
o
60
o
70
o
80
o
90
o
100
o
110
o
120
o
130
o
140
o
150
o
160
o
170
o
(a)
0
o
10
o
20
o
30
o
40
o
50
o
60
o
70
o
80
o
90
o
100
o
110
o
120
o
130
o
140
o
150
o
160
o
170
o
(b)
151
Tabela 24 - Imagem projetada do radical C
2
com atuação de 21 mbar para Condição I em 50mm (a), 150 e
250mm (b).
o
0 10
o
20
o
30
o
40
o
50
o
60
o
70
o
80
o
90
o
100
o
110
o
120
o
130
o
140
o
150
o
160
o
170
o
(a)
o
0 10
o
20
o
30
o
40
o
50
o
60
o
70
o
80
o
90
o
100
o
110
o
120
o
130
o
140
o
150
o
160
o
170
o
(b)
152
Visualmente pode ser verificado que as imagens projetadas sem atuação acústica
possuem intensidade relativamente alta e à medida que a amplitude de pressão
aumenta há diminuição nas intensidades das imagens para o radical C
2
. Porém,
verifica-se que as imagens obtidas para os diferentes ângulos e diferentes condições de
ensaio são semelhantes.
Será apresentado o resultado da imagem projetada para somente um ângulo, o
ângulo de 0
o
, para o radical CH e para a fuligem na Condição I, em 181 Hz e
diferentes amplitudes de pressão, vistos nas Tabelas 25 e 26 para as alturas axiais de
50mm (a), 150 e 250mm (b).
Tabela 25 - Imagem projetada do radical CH no ângulo de projeção de 0
o
sem atuação acústica e com atuação na
mínima, média, e máxima amplitude de pressão em 181 Hz na Condição I em 50mm (a), 150 e 250mm (b).
Sem atua
ç
ão 8
,
5 mbar 16 mbar 21 mbar
(a)
Sem atua
ç
ão 8
,
5 mbar 16 mbar 21 mbar
(b)
153
Tabela 26 - Imagem projetada da fuligem no ângulo de projeção de 0
o
sem atuação acústica e com atuação na
mínima, média, e máxima amplitude de pressão em 181 Hz na Condição I em 50mm (a), 150 e 250mm (b).
Sem atua
ç
ão 8
,
5 mbar 16 mbar 21 mbar
(a)
Sem atua
ç
ão 8
,
5 mbar 16 mbar
o
21 mbar
(b)
Assim como ocorreu com o radical C
2
, verifica-se que visualmente, tanto para o
radical CH, como para a fuligem, o processo de atuação acústica promove um
decréscimo na intensidade luminosa à medida que é aumentada a amplitude de
pressão, provavelmente devido ao fato de que, a região de liberação de energia,
anteriormente localizada apenas na fronteira da chama, se espalha e com isso a
154
concentração dos radicais se torna mais bem distribuída, com a presença do campo
acústico, principalmente em 150 e 250mm.
A Tabela 27 apresenta o valor máximo de intensidade luminosa obtida em cada
condição de teste, realizado sem atuação acústica e em 181 Hz, utilizando-se filtros
interferométricos para os radicais C
2
, CH e fuligem, para as condições I e II de
trabalho, enquanto a Figura 89, apresenta os gráficos para estas situações de ensaio.
Por exemplo, para a altura de 50 mm, Condição I e com filtro interferométrico
para o C
2
, sem o processo de atuação acústica foi obtida a intensidade máxima de
39,28, tendo sido registradas, intensidades menores na chama nesta condição.
155
Tabela 27 – Intensidades máximas para a condição sem atuação acústica e para 181Hz.
Condi
ç
ão I Condi
ç
ão II
Filtro
Altura
(mm)
Regime atuação
(mbar)
Intensidade
máxima
Regime Atuação
(mbar)
Intensidade
máxima
C
2
50 Sem atuação 39,28 Sem atuação 40,72
C
2
50 8,5 36,61 8,5 38,50
C
2
50 16 23,50 17 21,00
C
2
50 21 16,00 25 15,72
C
2
150 Sem atuação
50,06
Sem atuação
46,17
C
2
150 8,5
41,28
8,5
45,06
C
2
150 16
30,06
17
42,83
C
2
150 21
28,89
25
40,72
C
2
250 Sem atuação 192,11 Sem atuação 168,56
C
2
250 8,5 166,83 8,5 167,33
C
2
250 16 51,17 17 51,83
C
2
250 21 22,67 25 31,44
CH 50 Sem atuação
42,94
Sem atuação
45,44
CH 50 8,5
41,89
8,5
43,22
CH 50 16
29,44
17
25,94
CH 50 21
21,39
25
20,94
CH 150 Sem atuação
40,56
Sem atuação
45,06
CH 150 8,5
37,44
8,5
40,89
CH 150 16
35,67
17
42,89
CH 150 21
37,78
25
47,11
CH 250 Sem atuação 71,67 Sem atuação 57,44
CH 250 8,5 50,72 8,5 47,28
CH 250 16 25,06 17 29,78
CH 250 21 22,28 25 27,50
Fuligem 50 Sem atuação 29,44 Sem atuação 15,61
Fuligem 50 8,5 23,22 8,5 15,17
Fuligem 50 16 5,78 17 5,22
Fuligem 50 21 4,56 25 4,06
Fuligem 150 Sem atuação
37,44
Sem atuação
34,22
Fuligem 150 8,5
33,39
8,5
29,78
Fuligem 150 16
7,22
17
7,67
Fuligem 150 21
5,78
25
5,61
Fuligem 250 Sem atuação 231,06 Sem atuação 209,39
Fuligem 250 8,5 224,61 8,5 196,39
Fuligem 250 16 29,00 17 19,00
Fuligem 250 21 12,06 25 6,94
156
Intensidade máxima das imagens projetadas
Radical C
2
13
38
63
88
113
138
163
188
0 2 4 6 8 10121416182022242
Amplitude de pressão (mbar)
Intensidade máxima
6
C2 - Cond.I - 50mm
C2 - Cond.II - 50mm
C2 - Cond.I - 150mm
C2 - Cond.II - 150mm
C2 - Cond.I - 250mm
C2 - Cond.II- 250mm
(a)
Intensidade máxima das imagens projetadas
Radical CH
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 2
6
Amplitude de pressão (mbar)
Intensidade
má
x
ima
CH - Cond.I - 50mm
CH - Cond.II - 50mm
CH - Cond.I - 150mm
CH - Cond.II - 150mm
CH - Cond.I - 250mm
CH - Cond.II- 250mm
(b)
157
Intensidade máxima das imagens projetadas
Fuligem
0
50
100
150
200
0 2 4 6 8 10121416182022242
Amplitude de pressão (mbar)
Intensidade máxima
6
Fuligem - Cond.I - 50mm
Fuligem - Cond.II - 50mm
Fuligem - Cond.I - 150mm
Fuligem - Cond.II - 150mm
Fuligem - Cond.I - 250mm
Fuligem - Cond.II- 250mm
(c)
Figura 89 – Variação das Intensidades máximas das imagens projetadas com o aumento na amplitude de pressão
para os radicais C
2
(a) e CH (b) e para a fuligem (c).
Para os radicais C
2
e CH nas duas condições de trabalho estudadas, para alturas
axiais de 50mm, 150 como em 250mm, ocorre diminuição na intensidade luminosa
com a imposição do campo acústico, notando-se ainda perfil semelhante nas curvas
para as vazões I e II (comparando-se a mesma altura e espécie analisada). Estas
observações também podem ser estendidas para a fuligem, a qual teve sua intensidade
luminosa chegando próxima de zero, com a utilização da amplitude máxima de
atuação para ambas as condições de vazão em todas as alturas axiais.
A fim de se verificar as possíveis divergências existentes entre as imagens
luminosas projetadas, para as condições de vazão I e II, são apresentados na Tabela 28,
29 e 30, os resultados obtidos para os radicais C
2
, CH e para a fuligem,
respectivamente em 50mm (a), 150 e 250mm (b) para o ângulo de projeção de 0
o
.
158
Tabela 28 - Imagem projetada do radical C
2
, no ângulo de projeção de 0
o
sem atuação e com atuação na mínima,
média, e máxima amplitude de pressão em 181 Hz nas Condições I e II em (a) 50mm e (b) 150 e 250mm.
Cond.I Cond.II Cond.I Cond.II Cond.I Cond.II Cond.I Cond.II
sem atuação sem atuação 8,5mbar 8,5mbar 16mbar 17mbar 21mbar 25mbar
(a)
Cond.I Cond.II Cond.I Cond.II Cond.I Cond.II Cond.I Cond.II
sem sem 8,5mbar 8,5mbar 16mbar 17mbar 21mbar 25mbar
atuação atuação
(b)
159
Tabela 29 - Imagem projetada do radical CH no ângulo de projeção de 0
o
sem atuação e com atuação na mínima,
média, e máxima amplitude de pressão em 181 Hz nas Condições I e II em (a) 50mm e (b) 150 e 250mm.
Cond.I Cond.II Cond.I Cond.II Cond.I Cond.II Cond.I Cond.II
Sem
atuação
Sem
atuação
8,5mbar 8,5mbar 16mbar 17mbar 21mbar 25mbar
(a)
Cond.I Cond.II Cond.I Cond.II Cond.I Cond.II Cond.I Cond.II
Sem
atuação
Sem
atuação
8,5mbar 8,5mbar 16mbar 17mbar 21mbar 25mbar
(b)
160
Tabela 30 - Imagem projetada da Fuligem no ângulo de projeção de 0
o
sem atuação e com atuação na mínima,
média, e máxima amplitude de pressão em 181 Hz nas Condições I e II em (a) 50mm e (b) 150 e 250mm.
Cond.I Cond.II Cond.I Cond.II Cond.I Cond.II Cond.I Cond.II
Sem
atuação
Sem
atuação
8,5mbar 8,5mbar 16mbar 17mbar 21mbar 25mbar
(a)
Cond.I Cond.II Cond.I Cond.II Cond.I Cond.II Cond.I Cond.II
Sem
atuação
Sem
atuação
8,5 mbar 8,5 mbar 16 mbar 17 mbar 21 mbar 25 mbar
(b)
Visualmente, não é notada significativa alteração em relação às imagens
luminosas projetadas, quando se compara a vazão de alimentação dos gases na
situação com e sem o campo acústico. Porém, ao se verificar os valores de intensidade
luminosa máxima, nota-se pequenas alterações nos valores obtidos mas sempre
seguindo uma mesma tendência nos resultados, conforme pode ser verificado na
Figura 89.
161
4.5.2.2 Utilização do algoritmo para reconstrução da chama
Foi então realizada a reconstrução tomográfica das imagens, as quais possuem 95
pixels, para as condições de trabalho descritas anteriormente.
A Figura 90 apresenta uma referência gradativa de cores para a interpretação da
reconstrução tomográfica, correspondentes à intensidade luminosa mínima (cor
violeta) e máxima (cor vermelha) dos radicais e da fuligem referentes às imagens
obtidas da chama pela CCD.
Intensidade mínima
Intensidade máxima
Figura 90 – Referência gradativa para interpretação das intensidades mínimas e máximas da reconstrução
tomográfica.
Como já mencionado foi realizada a reconstrução tomográfica através do “Back-
Projection” em dezoito ângulos em torno da chama (de 0
o o
a 170 ), cujo resultado é
mostrado na Figura 91, o qual apresenta a aplicação do “Back-Projection” sobre o
perfil de intensidades da chama, em diversos ângulos e para um radical qualquer.
Enquanto a Figura 92 mostra o resultado da convolução das imagens obtidas na Figura
91.
Figura 91 - Aplicação Back-Projection sobre o perfil de intensidades da chama, em diversos ângulos
162
Figura 92 - Resultado da reconstrução tomográfica da seção transversal da chama, através da aplicação da
convolução nas imagens da Figura 91
A Tabela 31 à Tabela 48 apresenta os resultados da reconstrução tomográfica
para as condições I e II, com as intensidades luminosas máximas para cada caso.
Nestas são apresentados os resultados da situação com e sem atuação acústica
para as amplitudes de pressão mínima, média e máxima em 50, 150 e 250mm.
Tabela 31 - Reconstrução Tomográfica do Radical C
2
em 50mm
sem atuação e com atuação na mínima, média, e
máxima amplitude de pressão em 181 Hz na Condição I com suas respectivas intensidades luminosas máximas.
Sem atuação 8,5 mbar 16 mbar 21 mbar
Intensidade: 39,28 Intensidade: 36,61 Intensidade: 23,50 Intensidade: 16,00
163
Tabela 32 – Reconstrução Tomográfica do Radical CH em 50mm
sem atuação e com atuação na mínima, média,
e máxima amplitude de pressão em 181 Hz na Condição I com suas respectivas intensidades luminosas máximas.
Sem atuação 8,5 mbar 16 mbar 21 mbar
Intensidade: 42,94 Intensidade: 41,89 Intensidade: 29,44 Intensidade: 21,39
Tabela 33 – Reconstrução Tomográfica da Fuligem em 50mm
sem atuação e com atuação na mínima, média, e
máxima amplitude de pressão em 181 Hz na Condição I com suas respectivas intensidades luminosas máximas.
Tabela 34 – Reconstrução Tomográfica do Radical C
2
em 150mm
sem atuação e com atuação na mínima, média,
e máxima amplitude de pressão em 181 Hz na Condição I com suas respectivas intensidades luminosas máximas.
Sem atuação 8,5 mbar 16 mbar 21 mbar
Intensidade:50,06 Intensidade: 41,28 Intensidade: 30,06 Intensidade: 28,89
Sem atuação 8,5 mbar 16 mbar 21 mbar
Intensidade: 29,44 Intensidade: 23,22 Intensidade: 5,78 Intensidade: 4,56
164
Tabela 35 – Reconstrução Tomográfica do Radical CH em 150mm
sem atuação e com atuação na mínima, média
e máxima amplitude de pressão em 181 Hz na Condição I com suas respectivas intensidades luminosas máximas.
Tabela 36 – Reconstrução Tomográfica da Fuligem em 150mm
sem atuação e com atuação na mínima, média, e
máxima amplitude de pressão em 181 Hz na Condição I com suas respectivas intensidades luminosas máximas.
Tabela 37 – Reconstrução Tomográfica do Radical C
2
em 250mm
sem atuação e com atuação na mínima, média,
e máxima amplitude de pressão em 181 Hz na Condição I com suas respectivas intensidades luminosas máximas.
Sem atuação 8,5 mbar 16 mbar 21 mbar
Intensidade: 40,56 Intensidade: 37,44 Intensidade: 35,67 Intensidade: 37,78
Sem atuação 8,5 mbar 16 mbar 21 mbar
Intensidade: 37,44 Intensidade: 33,39 Intensidade: 7,22 Intensidade: 5,78
Sem atuação 8,5mbar 16mbar 21mbar
Intensidade: 192,11 Intensidade: 166,83 Intensidade: 51,17 Intensidade: 22,67
165
Tabela 38 – Reconstrução Tomográfica do Radical CH em 250mm
sem atuação e com atuação na mínima,
média, e máxima amplitude de pressão em 181 Hz Condição I com suas respectivas intensidades luminosas
máximas.
Tabela 39 – Reconstrução Tomográfica da Fuligem em 250mm
sem atuação e com atuação na mínima, média, e
máxima amplitude de pressão em 181 Hz na com suas respectivas intensidades luminosas máximas.
De uma forma geral, conforme Tabela 27 e Figura 89, verifica-se que à medida
que é aumentada a amplitude de pressão ocorre um decréscimo nas intensidades
luminosas para as espécies analisadas. Este comportamento porém não ocorre com o
radical CH na altura axial de 150mm, que sofre pequeno acréscimo quando neste é
imposto a amplitude máxima de atuação. Este comportamento provavelmente ocorre
por haver nesta região de queima maior quantidade de oxidante (Figura 70 (a)), devido
à proximidade do campo acústico neste local, favorecendo a formação de uma região
de chama pobre, ou seja com excesso de oxidante, cenário característico para a
Sem atuação 8,5 mbar 16 mbar 21 mbar
Intensidade: 71,67 Intensidade: 50,72 Intensidade: 25,06 Intensidade: 22,28
Sem atuação 8,5 mbar 16 mbar 21 mbar
Intensidade: 231,06 Intensidade: 224,61 Intensidade: 29,00 Intensidade: 12,06
166
formação do radical CH. Apesar da região axial de 50mm estar mais próxima do
campo acústico, sendo sua influência mais acentuada, nesta região tem-se temperatura
baixa (Figura 71 (c)) e também menor taxa de reação química na chama,
desfavorecendo a formação do radical CH.
Ocorre também maior distribuição dos radicais e da fuligem na região de chama
com o gradual aumento da amplitude de pressão, estando estes, sem o processo de
atuação acústica concentrados em uma pequena região anular , principalmente para 50
e 150mm.
A fuligem numa chama comporta-se como um corpo negro e emite radiação em
todos os comprimentos de onda, como também já mencionado, sendo necessário
realizar o estudo de radicais por emissão quimiluminescente em chamas limpas, ou
seja, sem a presença de fuligem. Sendo assim, visualmente verifica-se pelas Tabelas
26 e 30, que em 50mm para a situação sem atuação e para amplitudes de pressão
mínima média e máxima para a Condição I e II, a presença da fuligem não é
observada, o que ocorre também em 150 e 250mm, para as amplitudes de pressão
média e máxima, obtendo-se assim para estas condições uma “chama limpa”, o que
permite avaliar a presença e distribuição dos radicais C
2
e CH, de forma a garantir que
tais resultados não estão “mascarados” pela presença da fuligem.
Nota-se que a atuação acústica promove redução na formação de fuligem,
também através da reconstrução tomográfica da chama, vista nas Tabelas 33, 36 e 39
para as alturas axiais de 50, 150 e 250mm e Condição I.
167
Tabela 40 – Reconstrução Tomográfica do Radical C
2
em 50mm
sem atuação e com atuação na mínima, média, e
máxima amplitude de pressão em 181 Hz na Condição II com suas respectivas intensidades luminosas máximas.
Sem atuação 8,5 mbar 17 mbar 25 mbar
Intensidade: 40,72 Intensidade: 38,50 Intensidade: 21,00 Intensidade: 15,72
Tabela 41 – Reconstrução Tomográfica do Radical CH em 50mm
sem atuação e com atuação na mínima, média,
e máxima amplitude de pressão em 181 Hz na Condição II com suas respectivas intensidades luminosas
máximas.
Tabela 42 – Reconstrução Tomográfica da Fuligem em 50mm
sem atuação e com atuação na mínima, média, e
máxima amplitude de pressão em 181 Hz na Condição II com suas respectivas intensidades luminosas máximas.
Sem atua
ç
ão 8
,
5mbar 17mbar 25mbar
Intensidade: 45
,
44 Intensidade: 43
,
22 Intensidade: 25
,
94 Intensidade: 20
,
94
Sem atua
ç
ão 8
,
5 mbar 17 mbar 25 mbar
Intensidade: 15
,
61 Intensidade: 15
,
17 Intensidade: 5
,
22 Intensidade: 4
,
06
168
Tabela 43 – Reconstrução Tomográfica do Radical C
2
em 150mm
sem atuação e com atuação na mínima, média,
e máxima amplitude de pressão em 181 Hz na Condição II com suas respectivas intensidades luminosas
máximas.
Tabela 44 – Reconstrução Tomográfica do Radical CH em 150mm
sem atuação e com atuação na mínima,
média, e máxima amplitude de pressão em 181 HZ na Condição II com suas respectivas intensidades luminosas
máximas.
Tabela 45 – Reconstrução Tomográfica da Fuligem em 150mm
sem atuação e com atuação na mínima, média, e
máxima amplitude de pressão em 181 Hz na Condição II com suas respectivas intensidades luminosas máximas.
Sem atua
ç
ão 8
,
5 mbar 17 mbar 25 mbar
Intensidade: 46
,
17 Intensidade: 45
,
06 Intensidade: 42
,
83 Intensidade: 40
,
72
Sem atua
ç
ão 8
,
5 mbar 17 mbar 25 mbar
Intensidade: 45
,
06 Intensidade: 40
,
89 Intensidade: 42
,
89 Intensidade: 47
,
11
Sem atua
ç
ão 8
,
5 mbar 17 mbar 25 mbar
Intensidade: 34
,
22 Intensidade: 29
,
78 Intensidade: 7
,
67 Intensidade: 5
,
61
169
Tabela 46 – Reconstrução Tomográfica do Radical C
2
em 250mm
sem atuação e com atuação na mínima, média,
e máxima amplitude de pressão em 181Hz na Condição II com suas respectivas intensidades luminosas
máximas.
Tabela 47 – Reconstrução Tomográfica do Radical CH em 250mm
sem atuação e com atuação na mínima,
média, e máxima amplitude de pressão em 181 Hz na Condição II com suas respectivas intensidades luminosas
máximas.
Tabela 48 – Reconstrução Tomográfica da Fuligem em 250mm
sem atuação e com atuação na mínima, média, e
máxima amplitude de pressão em 181 Hz na Condição II com suas respectivas intensidades luminosas máximas.
Sem atua
ç
ão 8
,
5 mbar 17 mbar 25 mbar
Intensidade: 168
,
56 Intensidade: 167
,
33 Intensidade: 51
,
83 Intensidade: 31
,
44
Sem atua
ç
ão 8
,
5 mbar 17 mbar 25 mbar
Intensidade: 57
,
44 Intensidade: 47
,
28 Intensidade: 29
,
78 Intensidade: 27
,
50
Sem atua
ç
ão 8
,
5 mbar 17 mbar 25 mbar
Intensidade: 209
,
39 Intensidade: 196
,
39 Intensidade: 19
,
00 Intensidade: 6
,
944
170
Para a Condição II verificam-se as mesmas observações realizadas para a
Condição I, ou seja, ocorre maior distribuição dos radicais C
2
e CH na região de chama
para 50, 150 e 250mm (Tabela 40, 41, 43, 44, 46 e 47) com o aumento da amplitude de
pressão, o que ocorre também com a fuligem (Tabela 42, 45 e 48).
Verifica-se ainda com relação à fuligem que em 250mm (Tabela 48) esta possui
maior intensidade, se comparado a 150mm (Tabela 45), enquanto que a altura de
50mm tem menor intensidade que em 150 e 250mm (Tabela 42), pois ao se tomar
como ponto de referência zero, a base do queimador, à medida que se aumenta
axialmente a posição na chama, ocorre diminuição da temperatura, o que favorece a
formação de fuligem, além de, nestas posições a atuação do campo acústico ser menor
do que na base do queimador.
Qualitativamente pode-se observar para o radical C
2
que em 50mm (Tabela 31 e
40), em 150mm (Tabela 34 e 43) e em 250mm (Tabela 37 e 46), a reconstrução
tomográfica para as condições I e II tem comportamento semelhante, o que também
pode ser estendido ao radical CH em 50mm (Tabela 32 e 41), em 150mm (Tabela 35 e
44) e em 250mm (Tabela 37 e 47) e para a fuligem em 150mm (Tabela 36 e 45) e em
250mm (Tabela 39 e 48), indicando que a vazão dos gases de alimentação da chama
não altera significativamente a reconstrução tomográfica da chama para estas espécies
estudadas.
171
CAPÍTULO 5 CONCLUSÕES
Neste trabalho foi realizada uma investigação experimental sobre a influência do
campo acústico na combustão de um queimador de gás natural do tipo jato circular de
combustível.
De uma forma geral, os resultados apontaram mudanças significativas na chama,
destacando-se regiões com características de pré-mistura, coloração azulada, menor
comprimento e decréscimo local na formação de NO
x
, o qual é um poluente
fortemente combatido. Houve também alterações nas concentrações de O
2
, CO e CO
2
;
além de mudanças na temperatura e na distribuição dos radicais C
2
e CH e na fuligem,
espécies analisadas através da tomografia de chama.
Com relação às freqüências dos harmônicos do queimador, considerando-se tubo
aberto - aberto, foram obtidos resultados experimentais bastante próximos dos
teóricos. Desta forma, pode-se concluir que o comportamento acústico do queimador é
semelhante ao de um tubo aberto em ambas extremidades e que a vazão de ar que
passa pelo interior do queimador não altera suas freqüências naturais.
Visivelmente é notado que a presença do campo acústico afeta
consideravelmente a estrutura da chama, à medida que a amplitude de oscilação
aumenta, a coloração da chama passa a ser azulada, indicando que existe a
transformação de uma chama com características predominantemente difusiva para
pré-misturada.
Atingiu-se ainda consideráveis amplitudes de oscilação nas freqüências naturais
do queimador, sendo necessária a utilização de uma chama piloto neste trabalho; esta
se torna indispensável nos testes para manter a chama principal estabilizada na borda
do queimador, para ambas as condições de trabalho, em todas as freqüências
utilizadas, sem a qual seria difícil a realização dos testes propostos, visto a
impossibilidade de obter amplitudes de pressão altas o suficiente para o estudo da
combustão pulsante na chama. Por exemplo, com a chama piloto em 282 Hz, foi
possível obter para a Condição I, 36,5 mbar e 44 mbar para a Condição II, enquanto
172
que, sem a chama piloto obteve-se somente 11,2 mbar para a Condição I e 5,3 mbar
para a Condição II.
O campo acústico promove diminuição no comprimento da chama para as
condições I e II, à medida que há o aumento gradativo da amplitude de pressão,
denotando sua eficiência na melhora da mistura entre oxidante e combustível.
A presença do campo acústico induz a presença de oxigênio no interior da
chama, tirando-lhe as características de totalmente difusiva. Para a situação sem
atuação acústica tem-se perfil típico de chama difusiva, existe uma pequena
quantidade de O
2
na região próxima ao queimador, em 50mm, fenômeno decorrente
do “air entrainment”, o que não ocorre em alturas axiais mais distantes da base da
chama, em 150 e 250mm. Com a utilização do campo acústico, a alta concentração de
O
2
principalmente em 50mm, reforça a idéia de que este incrementa o “air
entrainment”. Com o uso das oscilações, ocorre também diluição dos produtos da
combustão pelo O
2
, sendo parte deste consumido nas reações químicas locais. Houve
a correção dos valores das concentrações dos produtos da combustão para 3% O
2,
visto que a diluição “mascarava” os resultados.
Com relação à análise dos gases na chama, em 150mm e 250mm houve aumento
na concentração de CO com a atuação, pois sendo o CO, produto de oxidação parcial,
este tende a converter-se em CO
2
, à medida que o escoamento reativo se desenvolve
na direção axial. Até 250mm não foi possível constatar essa evolução, nem mesmo
para a situação sem oscilação. Contudo, medidas feitas ao longo do eixo centro do
queimador para medição do comprimento da chama, mostraram essa tendência.
Verifica-se que nas posições axiais de 150 e 250mm, tem-se maior concentração
de CO
2
para o processo com atuação acústica, indicando que localmente há maior
conversão de produtos de oxidação parcial, como o CO em CO
2
.
A atuação diminui consideravelmente e localmente a concentração de NO
x
nas
três posições axiais e o torna bem distribuído ao longo do eixo radial.
Verifica-se que o comportamento qualitativo das concentrações de O
2
, CO
2
, CO
NO
x
, com relação ao efeito acústico na chama e para o caso sem atuação acústica,
173
para nas Condições I e II é o mesmo, o que sugere que independente da razão de
equivalência global utilizada, pode-se esperar resultados qualitativos equivalentes para
as análises realizadas.
Referindo-se à temperatura, em 50mm, há um decréscimo desta na chama com o
uso da excitação acústica, provavelmente devido à grande quantidade ar presente
decorrente do campo acústico, diminuindo localmente a temperatura da chama. Tal
hipótese é reforçada pela existência de menor concentração de NO
x
na região central
do queimador, em 50mm, (Condição I), com o uso da atuação acústica, pois a
formação de NO
x
térmico está diretamente ligada à temperatura.
Nas posições axiais de 150 e 250mm, há aumento na temperatura com a
utilização do campo acústico, verifica-se que este promove uma melhor mistura entre
os reagentes, fazendo com que as reações de combustão locais sejam mais eficientes.
Ocorre ainda a diminuição no comprimento da chama, concentrando a liberação de
energia em um volume menor, aumentando assim a temperatura.
Com relação à razão de equivalência global utilizada, ou seja, às diferenças
existentes entre as vazões de entrada dos gases de alimentação (Condição I e II de
trabalho), não é notada alteração considerável no incremento da temperatura, com o
uso da atuação acústica.
De uma forma geral, para a reconstrução tomográfica de chama em ambas as
condições de trabalho. Verifica-se que ocorre diminuição na intensidade luminosa do
C
2
com a aplicação do campo acústico, principalmente em 250mm, sendo esta redução
pouco acentuada em 50mm. Este radical é característico em chamas ricas em
combustível, o que denota aqui a melhor mistura entre combustível e oxidante para as
três posições axiais estudadas. Para o radical CH, a utilização da atuação acústica
promove maior distribuição das intensidades luminosas, principalmente em 150 e 250
mm, ao longo do eixo radial, para todas as freqüências utilizadas neste trabalho. Este
comportamento ocorre provavelmente devido às reações de combustão estarem mais
espalhadas (quando é imposto o campo acústico), indicando que o campo acústico
transforma uma chama difusiva em uma chama com características de pré-misturada.
174
Para os radicais CH e C
2
o processo de atuação acústica promove um decréscimo
na intensidade luminosa à medida que é aumentada a amplitude de pressão, denotando
que qualitativamente ocorre redução nestas emissões, provavelmente, devido ao fato
de que com o campo acústico, a região de liberação de energia, anteriormente
localizada apenas na fronteira da chama, se espalha e com isso a concentração dos
radicais se torna mais bem distribuída, o que pode ser verificado através da
distribuição radial e axial dos gases e da temperatura na chama.
Ocorre considerável redução da fuligem para todas as freqüências dos
harmônicos do queimador em 250mm, denotando queima mais completa em todas as
condições de atuação. Uma das causas predominantes para a formação da fuligem é a
situação onde se tem condição rica de queima, ou seja, chamas com alta concentração
de combustível com relação ao oxidante. Neste trabalho a combustão pulsante induz à
inserção de O
2
na região de chama, promovendo ambiente com excesso de oxidante, o
que reduz a formação de fuligem. Observa-se para 150 e 250 mm, o mesmo nível de
concentração de fuligem obtido em 50mm.
A presença da fuligem acumulada diminui a troca térmica, provocando o
aumento no consumo de combustível, além de promover efeitos nocivos ao meio
ambiente, sendo este fator por si só um forte argumento para a utilização da combustão
pulsante em sistemas que utilizam o processo de combustão para geração de energia.
Em 250mm, a fuligem possui maior intensidade se comparado a 150mm e
50mm, conforme esperado, pois se tomando como ponto de referência zero a base do
queimador, à medida que se aumenta axialmente a posição na chama, ocorre
diminuição da temperatura, o que favorece a formação de fuligem, além de, nestas
posições a atuação do campo acústico ser menor do que na base do queimador e à
medida que se distancia do queimador vai-se somando a concentração da fuligem.
Qualitativamente, observar-se que em 50, 150 e 250mm, os radicais C
2
e
CH e a
fuligem para as condições I e II têm comportamento semelhante, indicando que a
vazão dos gases de alimentação da chama não altera significativamente a reconstrução
tomográfica da chama para estas espécies estudadas.
175
De uma forma geral, observou-se que a atuação acústica, ou seja, a combustão
pulsante é um forte aliado para o controle das condições de combustão em que se
precise alterar as vazões de ar ou combustível e obter redução das emissões de
poluentes e de custos.
Como sugestões para trabalhos futuros, destacam-se:
• Realizar medidas para obtenção do campo de velocidades a frio e à quente,
utilizando por exemplo, PIV e espalhamento Rayleigh e PLIF para medir as
concentrações de outros compostos da chama,
nas mesmas condições dos
ensaios realizados neste trabalho para melhor entendimento do processo de
“air entrainment”.
• Estudo destas chamas em condições confinadas a fim de se entender melhor a
formação de NO
x.
176
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183
ANEXO I
I.1) CÁLCULO DAS VAZÕES DOS GASES DA CHAMA PILOTO
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
H
C
Mantendo a mesma relação Carbono / Hidrogênio
da chama principal, para
a chama piloto tem-se:
5103,72663,0
2
=⎯→⎯== x
xH
C
Na reação estequiométrica para a chama piloto tem-se então:
C
2
H + 2,7552 H + 3,8776 (O + 3,76N
2 2 2 2
) 2 CO
2
+ 3,7552 H
2
O + 14,5798 N
2
Assim, tem-se:
A) Cálculo da vazão mássica de acetileno (C
2
H
2
) e hidrogênio (H
2
) piloto.
A potência da chama piloto (P
CP
) é 1% da potência da chama principal. A
potência da chama piloto pode ser definida como:
P
CP
= m
&
CP
x PCI
CP
(I.1)
Onde:
•
PCI representa o poder calorífico inferior da chama piloto (kJ/kg
CP, comb
),
definido por:
184
comb
RP
o
M
h
PCI
CP
= - (I.2)
RP
o
h , representa a entalpia padrão de combustão, ou seja, a diferença entre o
somatório do número de moles dos produtos multiplicado pelas suas
respectivas entalpias padrão, menos o número de moles dos reagentes
multiplicado pelas suas respectivas entalpias padrão, (kJ/gmol);
•
• , representa a massa molecular do combustível (kg/kgmol).
comb
M
Para a Condição I, tem-se:
Potência chama piloto (P
CP
) = 1% x 10,3kW = 103 W
=
o
RP
h 2 (-393522) + 3,7552 (-241826)-1 (226731)= -1921880 kJ/kgmol
PCI = 1921880 kJ/kgmol / 31,5104 kg/kgmol = 60991,9 kJ/kg
CP comb
m
&
C2H2 + H2
= 103 W / 60991,9 kJ/kg
comb
= 0,0017 g/s
C2H2 + H2
= 6,12 g/h
comb
Na estequiometria:
Para 1 mol C
2
H tem-se 2,7552 mol H
2, 2
6,12 g/h, – 3,7552 mol
total
m
&
H2
g/h
–
2,7552 mol H
2
= 4,49 g/h
m
&
H2
6,12 g/h – 3,7552mol
total
185
g/h - 1 mol Cm
&
C2H2 2
H
2
= 1,63 g/h
m
&
C2H2
B) Cálculo da vazão mássica de ar da chama piloto
= 1,4 na chama piloto tem-se:
Adotando Ø
G
realreaçãonaoxigênion
tricaestequioméreaçãonaoxigênion
o
o
Ø
= (I.3)
G
Assim:
o
1,4 = 7,7552 / n
oxigênio combustão rica
o
n
Oxigênio combustão rica = 5,5394
Então, para combustão rica, tem-se na chama piloto:
C
2
H + 2,7552 H + 2,7697 (O + 3,76 N
2 2 2 2
) Produtos
1 mol de combustível (C
2
H H
2 + 2
) reage com 2,7697 mol de O
2
31,5104 g
combustível
– 88,6304 g O
2
1 g
combustível
– x g O
2
x = 2,813 g O
2
1 mol de combustível (C
2
H H
2 + 2
) reage com 10,414 mol de N
2
31,5104 g
combustível
– 291,594 g N
2
1 g
combustível
– y g N
2
y = 9,254 g N
2
Para 1 g combustível – 2,813 g O
2
186
6,12 g combustível – x g
x = 17,22 g O
2
Para 1 g combustível – 9,254 g N
2
6,12 g combustível – y
y = 56,634 g N
2
= 73,85 g/h m
&
Ar Piloto
Para a Condição II, utilizando o mesmo raciocínio:
m
&
C2H2 + H2
= 8,44 g/h
= 1,63 g/h m
&
C2H2
= 6,19 g/h m
&
H2
m
&
Ar Piloto
= 101,84 g/h
187
ANEXO II
II.1. CÁLCULO DO NÚMERO DE REYNOLDS PARA O AR PRIMÁRIO E O GÁS
NATURAL NAS CONDIÇÕES DE ENTRADA
II.1.1 Cálculo do número de Reynolds para o ar primário
Condições de Entrada
Vazão de Ar Primário:
Condição I: 15,3 g/h = 0,00425 kg/s
Condição II: 18,2 kg/h = 0,00506 kg/s
e
t
D..
m.
μπ
4
μ
ρ
De.v.
= (II.1)
Re =
Sendo:
• = vazão mássica do fluido (kg/s)
t
m
•
μ
= viscosidade do fluido (kg/m.s)
• = Diâmetro equivalente (m)
De
Cálculo do D
e
-3
Diâmetro externo
tubo de ar
= 45mm = 45x10 m
-3
Diâmetro tubo
GNV + parede
= 15mm = 15x10 m
Área
equivalente
= Área
externa
- Área
interna
4
)1015(.
4
)1045(.
4
.
23232
−
−
−=
xxDe
πππ
-3
D
e
= 42,4x10 m
188
Cálculo da viscosidade absoluta (
μ
) à temperatura “t”
Utilizando-se a fórmula de Sutherland, a viscosidade de um gás é dada por:
tC
C
.)
t
(.
n
n
ogás
++
+
+
=
273
273
273
273
μμ
(II.2)
Fazendo uso da fórmula de Herning-Zipperer, tem-se para a viscosidade da
mistura:
nnn
nnn.n
Tc.M.
.
mistura
Tc.Mn...Tc.M.nTc.M.n
Tc.Mn...Tc.M..nn
+++
+++
=
222111
2222
1
1
11
μμμ
μ
(II.3)
Onde:
o -6
= viscosidade absoluta a O C (x 10 p) •
o
μ
o
• t = temperatura (
C)
• C
n
= número de Sutherland
• n
n
= número de moles do gás (% volumétrica)
= viscosidade absoluta do gás à temperatura t
•
n
μ
• M
n
= massa molecular do gás
• Tc
n
= temperatura crítica do gás (K)
Dados:
• Composição do ar: 79% N
2
e 21% O
2
o
• Temperatura “t” = 25
C
• Tc
= 126,2 K
nitrogênio
• Tc
= 126,2 K
oxigênio
-6
•
o
μ
nitrogênio
= 166 x 10 p
-6
•
o
μ
oxigênio
= 192 x 10 p
Assim:
189
25105273
105273
.)
273
25273
(
2
3
++
++
-6 -6
μ
N2
= 166 x 10 . = 177,57 x 10 p
25125273
125273
.)
273
25273
(
2
3
++
++
-6 -6
=192 x 10 . = 206 x 10 p
μ
O2
4,154.3221,02,126.2879,0
4,154.3210206.21,02,126.281057,177.79,0
66
+
+
−
−
xx
= 184,37 x 10
-6
p
μ
ar
=
-6 -6
μ
ar
= 184,37 x 10 p = 18,437 x 10 Ns/m
2
= 18,437 kg/ms
Desta forma:
Para a Condição I (
φ
=0,82)
mx
ms
kg
x
s
kg
36
104,42.10437,18.
00425,0.4
−−
π
Re
ar primário
= = 6922,2
Para a Condição II (
φ
=0,95)
mx
ms
kg
x
s
kg
36
104,42.10437,18.
00506,0.4
−−
π
Re
ar primário
= = 8241,5
II.1.2 Cálculo do número de Reynolds para o gás natural
Dados:
• Composição do Gás Natural: 89,44%CH
4
; 6,7%C
2
H
6
; 2,26%C
3
H
8
;
0,34%CO
2
; 0,8%N
2
; 0,15%
i
C
4
H e 0,31%C
10 5
H
12
o
• Temperatura “t” = 25
C
• Tc
CH4
= 190,8 K
• Tc
C2H6
= 305,3 K
• Tc
C3H8
= 369,8 K
190
• Tc
CO2
= 304,2 K
• Tc
N2
= 126,2 K
• Tc i
C4H10
= 408,1 K
• Tc
C5H12
= 469,9 K
-6
•
o
μ
CH4
= 100 x 10 p
-6
•
o
μ
C2H6
= 86,1 x 10 p
-6
•
o
μ
C3H8
= 75 x 10 p
-6
•
o
μ
CO2
= 138 x 10 p
-6
•
o
μ
N2
= 166 x 10 p
Assim:
-6
= 107,87 x 10 p
•
μ
CH4
-6
= 93,73 x 10 p
•
μ
C2H6
-6
= 81,9 x 10 p
•
μ
C3H8
-6
= 150,26 x 10 p
•
μ
CO2
-6
= 177,6 x 10 p
•
μ
N2
Para o cálculo das
μ
C4H10
e
μ
C5H12
, utilizando-se a expressão de Chapman e
Enskog, calcula-se a viscosidade de um gás pode ser calculada usando o potencial
de Lennard-Jones:
μ
Ωσ
μ
.
t.M
x,
2
6
1066932
−
= (II.4)
onde:
• M = massa molar (kg/kg-mol)
• t = temperatura (K)
•
σ
= diâmetro efetivo de colisão entre duas moléculas (Å)
• = integral de colisão para a viscosidade (adimensional)
μ
Ω
191
Dados:
•
σ
C5H12
= 5,769 Å
•
σ
i
C4H10
= 5,341 Å
•
μ
Ω
C5H12
= 1,629
• i
μ
Ω
C4H10
= 1,587
Assim:
-6
μ
i = 75,52 x 10 p
C4H10
-6
= 68,11 x 10 p
μ
C5H12
Desta forma, tem-se para o gás natural:
+++
+++
=
83694402260330530067081901689440
83694498102260330530739306708190168710789440
,..,,..,,..,
,.,.,,.,.,,.,.,
naturalgás
μ
+++
+++
212628008023044400340
212628617700802304442615000340
,.,,.,
,.,.,,.,.,
9469720031014085800150
946972116800310140858527500150
,.,,.,
,.,.,,.,.,
++
++
-6
naturalgás
μ
= 10,545 x 10 Ns/m
2
Dados:
-3
• De
= 6 mm = 6x10 m
GNV
-3
• (Condição I) = 756 g/h = 0,2 g/s = 0,2x10
kg/s m
&
-3
• (Condição II) = 1044 g/h = 0,29 g/s = 0,29x10
kg/s m
&
192
Para a Condição I (
φ
=0,82)
mx
ms
kg
x
s
kg
x
36
3
106.10545,10.
102,0.4
−−
−
π
Re
= = 4025
GNV
Para a Condição II (
φ
=0,95)
mx
ms
kg
x
s
kg
x
36
3
106.10545,10.
1029,0.4
−−
−
π
Re
= = 5836
GNV
193
ANEXO III
III.1 MEDIDAS DE FREQÜÊNCIA E PRESSÃO ACÚSTICA
Como mencionado na seção 2.2.1 foi utilizado um transdutor de pressão
piezelétrico do tipo Kistler, modelo 7261, para converter as ondas de pressão acústica
em sinais elétricos no escoamento de ar primário. Um amplificador de carga também
do tipo Kistler, modelo 5006 foi utilizado para amplificar o sinal do transdutor
piezelétrico, sendo este posteriormente enviado ao sistema de aquisição de dados.
Mediante a inexistência de equipamentos necessários para a calibração do
conjunto transdutor/amplificador de carga, Flügel (2006) realizou um procedimento
comparativo para ajuste do referido conjunto.
Este procedimento consistiu na escolha de um conjunto transdutor/amplificador,
designado como padrão, de fabricação mais recente e ainda não utilizado (portanto
esperou-se que as especificações do fabricante estivessem corretas); este conjunto
padrão serviu como referência para a calibração dos demais.
Neste trabalho foi utilizado o conjunto transdutor de pressão e amplificador de
pressão 4 (T4). Assim desenvolveu-se um equipamento , conforme Figura III.1, com o
intuito de se realizar a calibração comparativa dos transdutores, sendo tal equipamento
constituído de uma pequena câmara cilíndrica de aproximadamente 70 cm
3
e
preenchido com esferas de vidro com cerca de 8 mm de diâmetro, com cada uma das
faces contendo um furo.
194
Figura III.1 - Dispositivo de calibração dos transdutores de pressão (FONTE: Flügel, 2006).
(O elemento “A” é um motor controlado por inversor de freqüência, “B” é um detalhe do disco com 40 orifícios
e “C” é a vista frontal da montagem dos transdutores da câmara barométrica).
Um compressor fornecia ar por um destes orifícios e descarregava por outro.
Com estas esferas garantia-se a inexistência de correntes preferenciais no interior da
câmara, desde que os sensores estivessem submetidos a uma mesma pressão, o que
dependia da pressão de alimentação do ar e das condições de abertura do ponto de
descarga. Após o ajuste da pressão do ar, uma válvula agulha controlava a vazão nas
proximidades do ponto de alimentação. Com o giro do motor a descarga da câmara
alternava entre a condição de aberta ou fechada, ou seja, de acordo com a coincidência
ou não dos orifícios, o que propiciava uma oscilação de pressão aproximadamente
senoidal na câmara. O controle da amplitude foi possível através da abertura da
válvula agulha e do ajuste da pressão de alimentação do ar. Já a freqüência estava
relacionada à velocidade de giro do motor e ao número de orifícios do disco. A
aquisição de dados foi realizada pelo programa “Labview”. Após todos os testes
verificou-se que as medidas de freqüência estavam em concordância com as obtidas a
partir do conjunto de referência, como pode ser confirmado pela Figura III.2. Com
relação às amplitudes, a Figura III.3 mostra que alguns dos equipamentos estavam
completamente desajustados para todas as escalas (1, 2, 5, 10 mbar) sendo necessárias
correções da ordem de 50% em algumas situações.
195
Figura III.2 - Resultados da calibração dos transdutores de pressão em termos de freqüência (FONTE: Flügel,
2006).
Transdutor4
y=1,4707x+0,0043
Transdutor2
y=1,523x+0,0175
Transdutor3
y=0,9825x‐0,0019
Figura III.3 - Resultados da calibração dos transdutores de pressão em termos de amplitude (FONTE: Flügel,
2006).
196
Flügel (2006) concluiu que os transdutores de pressão piezoelétricos estavam em
boas condições de uso, o que não se pôde dizer a respeito dos amplificadores de carga,
os quais necessitaram de ajuste nos seus resultados, tendo sido utilizada neste trabalho
o transdutor 4 com sua respectiva equação de correção dos resultados obtidos.
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