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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
INSTITUTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
TESE DE DOUTORADO
Estudo Numérico da Termo-Aerodinâmica de
Câmaras de Combustão para Turbinas a Gás:
Aplicação ao caso de Micro Turbinas
Autor: Harley Souza Alencar
Orientador: Prof. Dr. Marco Antonio Rosa do Nascimento
Co-orientador: Prof. Dr. Hélcio Francisco Villa Nova
Itajubá
Estado de Minas Gerais
Março de 2007
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
INSTITUTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
TESE DE DOUTORADO
Estudo Numérico da Termo-Aerodinâmica de
Câmaras de Combustão para Turbinas a Gás:
Aplicação ao caso de Micro Turbinas
Autor: Harley Souza Alencar
Orientador: Prof. Dr. Marco Antonio Rosa do Nascimento
Co-orientador: Prof. Dr. Hélcio Francisco Villa Nova
Curso: Doutorado em Engenharia Mecânica
Área de Concentração: Conversão de Energia
Tese submetida ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica como
parte dos requesitos para obtenção do Título de Doutor em Engenharia Mecânica
Itajubá
Estado de Minas Gerais
Março de 2007
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
INSTITUTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
TESE DE DOUTORADO
Estudo Numérico da Termo-Aerodinâmica de
Câmaras de Combustão para Turbinas a Gás:
Aplicação ao caso de Micro Turbinas
Autor: Harley Souza Alencar
Orientador: Prof. Dr. Marco Antonio Rosa do Nascimento
Co-orientador: Prof. Dr. Hélcio Francisco Villa Nova
Composição da Banca Examinadora:
Prof. Dr. José Nivaldo Hinckel - INPE
Prof. Dr. Pedro Teixera Lacava – ITA
Prof. Dr. Genésio José Menon – UNIFEI
Prof. Dr. Electo Eduardo Silva Lora – UNIFEI
Prof. Dr. Ricardo Dias Martins de Carvalho, Presidente – UNIFEI
Dedicatória
Dedico este trabalho aos meus pais Raimundo Alencar e Cremilda Souza Alencar, aos
meus filhos Maria Sofia Pádua Alencar e Rafael Pádua Alencar, e à memória de minha
querida avó Olindina Côrrea de Souza.
Agradecimentos
Agradeço a todos aqueles que se dispuseram em me ajudar para desenvolver este
trabalho, em especial aos professores,
Prof. Dr. Marco Antônio Rosa do Nascimento – IEM - NEST,
Prof. Dr. Hélcio Francisco Villa Nova,
Prof. Dr. Genésio José Menon do IEM,
Prof. Dr. José Leonardo Noronha do IEPG,
Prof. Dr. Luiz Fernando Barca do IEM, e
Prof. Dr. José Juliano de Lima Júnior do IEM.
À empresa ALSTOM de Taubaté, São Paulo, que me incentivou e deu todo o apoio
necessário para iniciar este trabalho em Dinâmica de Fluido Computacional (CFD),
Ao Engenheiro Lourival Jorge Mendes Neto, cujo Mestrado defendido na UNIFEI em
2003 inspirou esta Tese,
À Engenheira Lucilene de Oliveira Rodrigues - NEST, pelo apoio no decorrer do
trabalho de cálculo, bem como aos demais colaboradores do NEST,
E, finalmente, aos funcionários da UNIFEI, sobretudo à Janice Duarte Viana do
NEST, Cristina Silva da PRPPG e Regina Aparecida Salomon Storino do DRA
“O pensamento é a grandeza do homem.”
Blaise Pascal (1623-1662)
Resumo
ALENCAR, H. S. (2007), Estudo Numérico da Termo Aerodinâmica de Câmaras de
Combustão para Turbinas a Gás: Aplicação ao caso das Micro Turbinas, Itajubá, 151p.
Tese (Doutorado em Ciências de Engenharia Mecânica) - Instituto de Engenharia
Mecânica, Universidade Federal de Itajubá.
Este trabalho estuda o comportamento de uma câmara de combustão para uma micro
turbina a gás na condição nominal e em regime permanente. Para isso, é desenvolvida uma
metodologia que aplica a Dinâmica de Fluido Computacional com a função de determinar a
distribuição de pressão, velocidade e temperatura, os quais são úteis para entender o
comportamento termo aerodinâmico da chama e sua influência para o projeto da câmara de
combustão.
A câmara de combustão adotada é do tipo Anular. Foi projetada para operar com
diesel e/ou querosene. Este equipamento aciona uma microturbina a gás da Solar Turbines
com potência igual a 50 [kW], a qual está instalada no Laboratório de Sistemas Térmicos do
NEST-UNIFEI.
Devido ao fato deste equipamento poder apresentar escoamento turbulento e chamas
híbridas (pré-misturadas ou não pré-misturadas), diferentes aproximações matemáticas são
testadas para simular seu escoamento e seu processo de combustão. O fluido adotado é o gás
natural, o qual é padrão para muitas pesquisas sobre combustão, uma vez que seu mecanismo
de reação é bem conhecido e apresenta baixas emissões de poluentes.
Os modelos de escoamentos turbulentos testados são k-ε, RNG k-ε e SST. Os modelos
de combustão testados são Eddy Dissipation Model (EDM) e Laminar Flamelet Model
(LFM). Os modelos de transferência de calor por radiação testados são Discrete Transfer
Model e P1 Model. São realizados também estudos de validação destes modelos a fim de
identificar os modelos mais precisos. O Software comercial adotado é ANSYS CFX v5.7®.
A reação química do gás natiral adota reação com duas etapas para o metano e o etano,
porque representam sua principal composição química. A reação química da combustão é
simulada pelo software GASEQ®, o qual é útil para determinar a concentração das emissões.
As características termodinâmicas nas entradas e saídas dos componentes do ciclo térmico da
micro turbina a gás são simuladas pelo software GateCycle® da GE.
Desta forma, este trabalho permite também apresentar uma análise inicial para avaliar
as potenciais modificações no projeto original para a câmaras de combustão, quando operam
com diferentes combustíveis e seus efeitos no comportamento termo aerodinâmico da chama.
Palavras-chave: Micro Turbinas a Gás, Câmara de Combustão, CFD e Centrais
Termelétricas.
Abstract
ALENCAR, H. S. (2007), Numerical Study about Thermal Aerodynamic of Combustion
Chambers for Gas Turbines: Application to Small Gas Turbines, Itajubá, 151p. Thesys
(Doctor in Sciences of Mechanical Engineering) –Mechanical Engineering Institute,
Federal University of Itajubá.
This work studies the behavior of a combustion chamber for a small gas turbine in
nominal condition and steady state. For it, it is developed a methodology that uses
Computational Fluid Dynamic with the function to set the distribution of pressure, velocity
and temperature, which are useful to understand the thermo aerodynamic behavior of flame
and its influence for the design of combustion chamber.
The adopted combustion chamber is the type Annular. It was deseigned to work with
the fuels diesel and/or kerosene. This equipment drives a microturbirne from Solar Turbines
with power equal to 50 [kW], which is installed in the Thermal Sciences Laboratory at NEST-
UNIFEI.
Due to this equipment can have turbulent flow and hybrid flames (premixed and non-
premixed), different mathematical approx are tested to simulate its flow and its combustion
process. The adopted fluid is the natural gas, which it is standard to many researches about
combustion, once that its reaction mechanism is well known and has low emission.of
pollutants.
The tested turbulence models are k-ε, RNG k-ε e SST. The tested combustion models
are: Eddy Dissipation Model (EDM) and Laminar Flamelet Model (LFM). The Radiation is
simulated by Discrete Transfer Model and P1 Model. It is realized a validation work to
identify the models with more precision. The commercial software adopted is ANSYS CFX
v5.7®.
The chemical reaction for the natural gas adopts reaction with two steps for methane
and ethane, because represent its main chemical composition. The chemical reaction is made
by software GASEQ®, which is useful to determine the concentrations of emissions. The
thermodynamic characteristics in inlets and outlets from equipments of cycle to know the
parameters for combustion chamber are calculated by software GateCycle® from GE.
From this, this work permits to present too an initial analysis to evaluate the potential
modifications in the original design for combustion chambers, when operate with different
fuels and its effects in thermal aerodynamic behavior of flame.
Keywords: Small Gas Turbines, Combustion Chamber, CFD and Thermal Electric Power
Plants.
i
Sumário
DEDICATÓRIA ___________________________________________________________V
AGRADECIMENTOS_____________________________________________________ VI
RESUMO_______________________________________________________________VIII
SUMÁRIO_________________________________________________________________I
LISTA DE FIGURAS_______________________________________________________V
LISTA DE TABELAS ____________________________________________________ XII
SIMBOLOGIA __________________________________________________________XIII
LETRAS LATINAS ______________________________________________________XIII
LETRAS GREGAS ____________________________________________________ XVIII
SUBSCRITOS___________________________________________________________XXI
SIGLAS _______________________________________________________________XXII
CAPÍTULO 1 _____________________________________________________________ 1
INTRODUÇÃO ___________________________________________________________ 1
1.1 Aspectos Gerais-----------------------------------------------------------------------------------1
1.2 Objetivo do Trabalho-----------------------------------------------------------------------------7
1.3 Justificativas do Trabalho -----------------------------------------------------------------------7
1.4 Contéudo do Trabalho ---------------------------------------------------------------------------8
1.5 Revisão Bibliográfica ---------------------------------------------------------------------------10
CAPÍTULO 2 _____________________________ ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO.
MICRO TURBINAS A GÁS_________________ ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO.
2.1 Cronologia-----------------------------------------------------Erro! Indicador não definido.
2.2 Caracterização Operacional ---------------------------------Erro! Indicador não definido.
2.2.1 Principais Fabricantes ----------------------------------Erro! Indicador não definido.
2.2.2 Aplicações -----------------------------------------------Erro! Indicador não definido.
2.2.3 Características Construtivas Principais --------------Erro! Indicador não definido.
2.2.4 Comparação com Outras Tecnologias de Geração ElétricaErro! Indicador não definido.
2.3 Câmaras de Combustão--------------------------------------Erro! Indicador não definido.
2.3.1 Combustíveis para Micro Turbinas a Gás -----------Erro! Indicador não definido.
2.3.2 Funcionamento de Câmara de Combustão Testada Erro! Indicador não definido.
2.4 Caracterização da Combustão-------------------------------Erro! Indicador não definido.
ii
2.5 Caracterização da Transferência de Calor-----------------Erro! Indicador não definido.
2.6 Caracterização das Emissões--------------------------------Erro! Indicador não definido.
2.7 Pespectivas Tecnologicas------------------------------------Erro! Indicador não definido.
CAPÍTULO 3 _____________________________ ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO.
A DINÂMICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL APLICADA ÀS CÂMARAS DE
COMBUSTÃO ____________________________ ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO.
3.1 Generalidades -------------------------------------------------Erro! Indicador não definido.
3.1.1 Processo de Modelagem e Simulação----------------Erro! Indicador não definido.
3.1.2 Dinâmica de Fluido Computacional------------------Erro! Indicador não definido.
3.2 Equacionamento do Problema Físico ----------------------Erro! Indicador não definido.
3.2.1 Equações de Transporte das Espécies, Quantidade de Movimento e Energia para a
Combustão utilizadas pelo CFX ------------------------------------Erro! Indicador não definido.
3.3 Simulação do Problema Físico------------------------------Erro! Indicador não definido.
3.3.1 Modelos de Escoamentos Turbulentos---------------Erro! Indicador não definido.
3.3.2 Modelos de Combustão --------------------------------Erro! Indicador não definido.
3.3.3 Modelos de Radiação-----------------------------------Erro! Indicador não definido.
3.3.4 Modelos de Variação da Energia no Sistema--------Erro! Indicador não definido.
3.3.5 Condições de Convergência ---------------------------Erro! Indicador não definido.
CAPÍTULO 4 _____________________________ ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO.
MODELAGEM DE UMA CÂMARA DE COMBUSTÃOERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO.
4.1 Descrição da Metodologia-----------------------------------Erro! Indicador não definido.
4.2 Descrição do Modelo da Micro Turbina a Gás Testada -Erro! Indicador não definido.
4.3 Cálculo Termodinâmico do Ciclo da Micro Turbina a Gás TestadaErro! Indicador não definido.
4.4 Cálculo Termo Químico da Mistura Combustível e OxidanteErro! Indicador não definido.
4.5 Modelagem da Câmara de Combustão---------------------Erro! Indicador não definido.
4.5.1 Modelo Geométrico ------------------------------------Erro! Indicador não definido.
4.5.2 Geração da Malha---------------------------------------Erro! Indicador não definido.
4.5.3 Estabelecimento das Condições de Contorno IniciaisErro! Indicador não definido.
4.5.4 Especificação do Modelo de Escoamento -----------Erro! Indicador não definido.
4.5.5 Especificação do Modelo de Combustão ------------Erro! Indicador não definido.
4.5.6 Especificação do Modelo de Variação da Energia--Erro! Indicador não definido.
4.5.7 Especificação do Modelo de Radiação---------------Erro! Indicador não definido.
4.5.8 Especificação das Condições de Convergência-----Erro! Indicador não definido.
CAPÍTULO 5 _____________________________ ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO.
iii
ANALÍSE DOS RESULTADOS______________ ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO.
5.1 Validação do CFD--------------------------------------------Erro! Indicador não definido.
5.1.1 Validação Aerodinâmica-------------------------------Erro! Indicador não definido.
5.1.2 Validação Termo Aerodinâmica ----------------------Erro! Indicador não definido.
5.2 Resultados sobre o Estudo Aerodinâmico da Câmara de Combustão TestadaErro! Indicador não
d
5.3 Resultados sobre o Estudo Termo Aerodinâmico da Câmara de Combustão TestadaErro! Indicado
5.3.1 Resultados para os Modelos de Combustão EDM e FM utilizando Gás MetanoErro! Indicado
5.3.2 Resultados para o Modelo de Combustão FM utilizando Gás NaturalErro! Indicador não def
i
5.3.3 Resultados para o Modelo de Combustão EDM utilizando Gás NaturalErro! Indicador não d
e
5.3.4 Comparação entre os Modelos de Combustão Testados utilizando Gás NaturalErro! Indicado
r
5.4 Propostas para Adequação do Projeto da Câmara de Combustão Testada para Gás
Natural -----------------------------------------------------------------Erro! Indicador não definido.
CAPÍTULO 6 _____________________________ ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO.
CONCLUSÕES, CONTRIBUIÇÕES E RECOMENDAÇÕESERRO! INDICADOR NÃO DEFINID
O
6.1 Conclusões-----------------------------------------------------Erro! Indicador não definido.
6.2 Contribuições--------------------------------------------------Erro! Indicador não definido.
6.3 Recomendações-----------------------------------------------Erro! Indicador não definido.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ________________________________________ 21
APÊNDICE A _____________________________ ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO.
FOTOS DO EQUIPAMENTO MODELADO___ ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO.
A.1 Micro Turbina a Gás-----------------------------------------Erro! Indicador não definido.
A.2 Câmara de Combustão --------------------------------------Erro! Indicador não definido.
APÊNDICE B _____________________________ ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO.
TELAS DO PROGRAMA GASEQ PARA ANÁLISE TERMOQUÍMICA DOS
FLUIDOS DE TRABALHO DO CFX _________ ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO.
B.1 Interface para Entrada e Saída de Dados------------------Erro! Indicador não definido.
B.2 Interface com Reações em Numero de Moles------------Erro! Indicador não definido.
B.3 Interface com Reações em Massa--------------------------Erro! Indicador não definido.
APÊNDICE C _____________________________ ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO.
GUIA DE UTILIZAÇÃO DO CFX PARA CÂMARAS DE COMBUSTÃOERRO! INDICADOR NÃ
O
C.1 Definição do Problema Físico------------------------------Erro! Indicador não definido.
C.2 Definição do Domínio Geométrico ------------------------Erro! Indicador não definido.
C.3 Definição das Condições de Cálculo ----------------------Erro! Indicador não definido.
iv
C.4 Obtenção da Solução Numérica----------------------------Erro! Indicador não definido.
APÊNDICE D _____________________________ ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO.
EQUACIONAMENTO DE UM MODELO DE TURBULÊNCIAERRO! INDICADOR NÃO DEFINI
D
D.1 Escoamento Turbulento-------------------------------------Erro! Indicador não definido.
D.2 Energia Cinética Turbulenta e Dissipação da Energia devido à TurbulênciaErro! Indicador não d
e
D.3 Modelos de Turbulência ------------------------------------Erro! Indicador não definido.
D.4 Teoria de Boussinesq----------------------------------------Erro! Indicador não definido.
D.5 Equações para a Energia Cinética--------------------------Erro! Indicador não definido.
D.5.1. Equação Exata -----------------------------------------Erro! Indicador não definido.
D.5.2. Modelo da Equação -----------------------------------Erro! Indicador não definido.
D.6 Modelo de Turbulência à Duas Equações-----------------Erro! Indicador não definido.
D.6.1. Modelo da Equação para ε ---------------------------Erro! Indicador não definido.
D.6.2. Modelo de Turbulência RNG k-ε--------------------Erro! Indicador não definido.
APÊNDICE E _____________________________ ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO.
EQUACIONAMENTO DE UM MODELO DE COMBUSTÃOERRO! INDICADOR NÃO DEFINID
O
E.1 Generalidades-------------------------------------------------Erro! Indicador não definido.
E.2 Modelo EBU (“Eddy Break Up”) ou EDM (“Eddy Dissipation Model”)Erro! Indicador não defi
n
E.3 Equação de Kuramoto-Sivashinski------------------------Erro! Indicador não definido.
APÊNDICE F _____________________________ ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO.
EQUACIONAMENTO DO PROCESSO DE COMBUSTÃOERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO.
F.1 Definição dos Parâmetros Básicos para Reações de CombustãoErro! Indicador não definido.
F.2 Definição das Equações Gerais de Transporte da Espécies, Quantidade de Movimento
e Energia para a Combustão-----------------------------------------Erro! Indicador não definido.
APÊNDICE G____________________________________________________________ 29
RESUMO DOS ARTIGOS DESENVOLVIDOS _______________________________ 29
G.1 Publicações em Congressos--------------------------------------------------------------------29
G.2 Publicações em Periodicos---------------------------------------------------------------------33
v
Lista de Figuras
Figura 1. 1 Distribuição das unidades de geração no setor elétrico brasileiro, MME (2006):
Central Geradora Hidrelétrica (CGH), Central Geradora Eolielétrica (EOL), Pequena Central
Hidrelétrica (PCH), Central Geradora Solar Fotovoltaica (SOL), Usina Hidrelétrica de
Energia (UHE), Usina Termelétrica de Energia (UTE), Usina Termonuclear (UTN)----------2
Figura 1. 2 Estrutura simplificada de uma região de uma chama, destacando os tempos
característicos e velocidades de propagação do escoamento e da chama: região 1, onde ocorre
o pré-aquecimento da mistura; região 2, onde ocorre a reação e liberação de energia e
luminescência; e região 3, onde ocorre a propagação dos gases quentes, Poinsot e Veynante
(2005) e Williams (1985)--------------------------------------------------------------------------------4
Figura 1. 3 Micro turbina a gás instrumentada do laboratório do NEST adotada para a
realização das simulações--------------------------------------------------------------------------------6
Figura 2. 1 –Turbina a Gás de Frank Whittle ---------------------Erro! Indicador não definido.
Figura 2. 2 Micro Turbina a Gás desenvolvida para aeromodelosErro! Indicador não definido.
Figura 2. 3 Microtubina a gás: (a) Esquema básico do Ciclo Brayton; (b) Diagrama T-s real
(com irreversibilidades e perdas de pressão)----------------------Erro! Indicador não definido.
Figura 2. 4 Eficiência da micro turbina a gás em função da razão de pressão do compressor e
da temperatura do gás na entrada da turbina, EPA (2002) ------Erro! Indicador não definido.
Figura 2. 5 Custo unitário da instalação das micro turbinas a gás em função da potência
instalada, EPA (2002)------------------------------------------------Erro! Indicador não definido.
Figura 2. 6 Micro turbina de 80 [kW] com emissão de NOx de 25 [ppmv] à 15 [%[ de O
2
e
eficiência global de 80 [%] (com recuperador) da fabicante Bowman Power (2006)Erro! Indicador não
d
Figura 2. 7 Micro turbina modelo C65 com potência de 65 [kW], eficiência global 82 [%] e
emissão de NOx menor do que 5 [ppmv] à 15 [%[ de O
2
para operar com gás natural da
fabricante Capstone Micro Turbines (2006) ----------------------Erro! Indicador não definido.
Figura 2. 8 Micro turbina modelo T100 CHP com potência de 100 [kW], eficiência global 77
[%] e emissão de NOx menor do que 15 [ppmv] à 15 [%[ de O
2
para operar com gás natural
da fabricante Turbec--------------------------------------------------Erro! Indicador não definido.
Figura 2. 9 Micro turbina modelo CHP com potência de 100 [kW], eficiência global 75 [%] e
emissão de NOx menor do que 24 [ppmv] à 15 [%[ de O
2
para operar com gás natural da
fabricante Elliot Micro Turbines (2006)---------------------------Erro! Indicador não definido.
Figura 2. 10 Diferentes micro turbinas a gás, Solar Perkins Mars, Turbo-Genset e Harvester
Company, respectivamente da esquerda para a direita-----------Erro! Indicador não definido.
vi
Figura 2. 11 Esquema de um ciclo híbrido de célula à combustível de óxido sólido com micro
turbina a gás, com um recuperador de calor, um trocador de calor, duas unidades de
compressão e um gerador elétrico, Camparani (2000)-----------Erro! Indicador não definido.
Figura 2. 12 APU modelo APIC APS3200 para aviões Airbus fabricado pela Pratt Whitney
(2006) ------------------------------------------------------------------Erro! Indicador não definido.
Figura 2. 13 Principais componentes de micro turbina a gás fabricada pela Capstone Turbines
(2006) ------------------------------------------------------------------Erro! Indicador não definido.
Figura 2. 14 Característica de auto ignição de alguns combustíveis, Lefebvre (1983)Erro! Indicador não
Figura 2. 15 Curvas características referentes ao tempo de combustão necessário para atingir a
pressão máxima da combustão completa para a combustão do metano com ou sem
turbulência, em função da razão de equivalência (a proporção estequiométrica corresponde à
razão de equivalência 10 [%] para o metano), Poinsot e Veynante (2005)Erro! Indicador não definido.
Figura 2. 16 Estrutura da chama com escoamento turbulento, Williams (1985)Erro! Indicador não defin
i
Figura 2. 17 Esquema da transferência de calor em câmaras de combustão, Lefebvre (1983)Erro! Indica
d
Figura 2. 18 Concentrações de NOx e CO típicas em câmaras de combustão tubulares,
Lefebvre (1995)-------------------------------------------------------Erro! Indicador não definido.
Figura 2. 19 Evolução esperada para a eficiência das micro turbinas, Massardo et al. (2000)Erro! Indicad
Figura 2. 20 Expectativas de volução no desenvolvimento das micro turbinas, Massardo et al.
(2000) ------------------------------------------------------------------Erro! Indicador não definido.
Figura 2. 21 Câmara de combustão ULN, fabricante COEM, http://www.coen.comErro! Indicador não
d
Figura 3. 1 Esquema básico da modelagem e da simulação-----Erro! Indicador não definido.
Figura 4. 1 Micro turbina a gás testada, modelo T-62T – 32 da SOLARErro! Indicador não definido.
Figura 4. 2 Micro turbina a gás T-62T – 32 nas dependências do Laboratório de Sistemas
Térmicos do NEST – UNIFEI --------------------------------------Erro! Indicador não definido.
Figura 4. 3 Câmara de combustão desmontada-------------------Erro! Indicador não definido.
Figura 4. 4 Vista lateral da câmara de combustão. No detalhe à direita, o injetor de
combustível com o estrangulamento -------------------------------Erro! Indicador não definido.
Figura 4. 5 Esquema elaborado pelo GateCycle para a micro turbina testadaErro! Indicador não definid
o
Figura 4. 6 Modelo geométrico da câmara de combustão elaborado pelo CAD no Mechanical
DeskTop.---------------------------------------------------------------Erro! Indicador não definido.
Figura 4. 7 Modelo exportado no ANSYS CFX v.57: (a) vista frontal; (b) vista lateralErro! Indicador nã
o
Figura 4. 8 Detalhes do modelo: (a) injetor; (b) orifícios de ar secundário; (c) orifícios do
Liner; e (d) entrada de ar e exaustão do gás quente --------------Erro! Indicador não definido.
vii
Figura 4. 9 Vista lateral da malha ----------------------------------Erro! Indicador não definido.
Figura 4. 10 Detalhes da malha: (a) na região próxima ao injetor; eErro! Indicador não definido.
Figura 4. 11 Superfícies de controle para o segundo modelo geométrico: (a) Vista frontal; (b)
Vista lateral------------------------------------------------------------Erro! Indicador não definido.
Figura 5. 1 Distribuição de velocidade média do escoamento para a malha 1Erro! Indicador não definid
o
Figura 5. 2 Distribuição de velocidade média do escoamento para a malha 2Erro! Indicador não definid
o
Figura 5. 3 Distribuição de velocidade média do escoamento para a malha 3Erro! Indicador não definid
o
Figura 5. 4 Pontos de referência na câmara Floxcom------------Erro! Indicador não definido.
Figura 5. 5 Magnitude da velocidade média adimensional do escoamento ao longo da câmara
Floxcom para as malhas 1,2 e 3, identificadas por GM 2.76, GM 2.75 e GM 2.70,
respectivamente, em relação aos dados experimentais (curva tracejada) do Projeto
FLOXCOM------------------------------------------------------------Erro! Indicador não definido.
Figura 5. 6 Diferença das magnitudes da velocidade média adimensional do escoamento na
câmara Floxcom para as malhas 1, 2 e 3 com comprimento do maior lado do elemento de
volume iguais a 2,76 (mm), 2,75 (mm) e 2,70 (mm), respectivamente em relação aos dados
experimentais----------------------------------------------------------Erro! Indicador não definido.
Figura 5. 7 Modelo k-ε:- Distribuição de velocidade média. ---Erro! Indicador não definido.
Figura 5. 8 Modelo RNG k-ε - Distribuição de velocidade média.Erro! Indicador não definido.
Figura 5. 9 Modelo SST - Distribuição de velocidade média. --Erro! Indicador não definido.
Figura 5. 10 Magnitude da velocidade media adimensional do escoamento ao longo da
câmara Floxcom para diferentes modelos de turbulência em relação aos dados experimentais
(curva tracejada). -----------------------------------------------------Erro! Indicador não definido.
Figura 5. 11 Diferença das magnitudes da velocidade média adimensional do escoamento na
câmara Floxcom para diferentes modelos de turbulência em relação aos dados experimentaisErro! Indica
d
Figura 5. 12 Distribuição de temperatura radial obtida pelo teste experimental e pelos modelos
de combustão para o experimento 1, Wunning (1996)-----------Erro! Indicador não definido.
Figura 5. 13 Distribuição de temperatura do ar obtida pelo teste experimental e pelos modelos
de combustão para o experimento 2, Weber et al (1999)--------Erro! Indicador não definido.
Figura 5. 14 Aspecto da curva de convergência obtida após 2000 iterações para a simulação
aerodinâmica da câmara de combustão anular, utilizando modelo de turbulência SSTErro! Indicador nã
o
Figura 5. 15 Distribuição de velocidade média ao longo de um plano longitudinal na câmara
de combustão anular utilizando o modelo de turbulência SST, com identificação de quatro
regiões com escoamentos típicos. ----------------------------------Erro! Indicador não definido.
viii
Figura 5. 16 Vetor velocidade média ao longo de um plano longitudinal na câmara de
combustão anular utilizando o modelo de turbulência SST-----Erro! Indicador não definido.
Figura 5. 17 Magnitude da velocidade média adimensional ao longo de um plano longitudinal
na câmara de combustão anular utilizando o modelo de turbulência SST com escoamento em
regime permanente e nas condições nominais de projeto.-------Erro! Indicador não definido.
Figura 5. 18 Pontos de referência na câmara de combustão anular da Solar Turbines.Erro! Indicador não
Figura 5. 19 Distribuição de pressão total relativa ao longo de um plano longitudinal na
caâmra de combustão anular da micro turbina do NEST utilizando o modelo de turbulência
SST em regime permanente e nas condições nominais de projetoErro! Indicador não definido.
Figura 5. 20 Magnitude da velocidade média relativa ao longo de dois planos tranversais na
câmara de combustão da solar turbines nas posições x/L = 0,25 e x/L = 0,50Erro! Indicador não definid
o
Figura 5. 21 Campo de velocidade em um plano paralelo ao eixo de um injetorErro! Indicador não defi
n
Figura 5. 22 Campos de velocidade média: a) EDM; b) FM----Erro! Indicador não definido.
Figura 5. 23 Campos de pressão média relativa: a) EDM; b) FMErro! Indicador não definido.
Figura 5. 24 Campo de temperatura total média: a) EDM; b) FMErro! Indicador não definido.
Figura 5. 25 Localização do eixo de referência X a partir da saída do injetor (à direita) na
direção longitudinal da câmara.-------------------------------------Erro! Indicador não definido.
Figura 5. 26 Representação da velocidade média característica da câmara funcionando com
gás metano-------------------------------------------------------------Erro! Indicador não definido.
Figura 5. 27 Representação da pressão relativa média característica da câmara funcionando
com gás metano-------------------------------------------------------Erro! Indicador não definido.
Figura 5. 28 Representação da temperatura total média característica da câmara funcionando
com gás metano e do ponto de referência da temperatura da chama adiabática calculada pelo
programa Gaseq v. 7.2 -----------------------------------------------Erro! Indicador não definido.
Figura 5. 29 Campo de velocidade média num plano longitudinal passante por um dos
orifícios laterais do tubo de chama ---------------------------------Erro! Indicador não definido.
Figura 5. 30 Campo de pressão média relativa num plano longitudinal passante por um dos
orifícios laterais do tubo de chama ---------------------------------Erro! Indicador não definido.
Figura 5. 31 Campo de temperatura total média num plano longitudinal passante por um dos
orifícios laterais do tubo de chama ---------------------------------Erro! Indicador não definido.
Figura 5. 32 Campo de velocidade média em três planos transversais localizados nas posições
x/L = 0,20, x/L = 0,40 e x/L = 0,70 no tubo de chama-----------Erro! Indicador não definido.
Figura 5. 33 Campo de temperatura total média na exaustão do tubo de chamaErro! Indicador não defin
i
ix
Figura 5. 34 Campo de velocidade média num plano longitudinal passante por um dos
orifícios laterais do tubo de chama ---------------------------------Erro! Indicador não definido.
Figura 5. 35 Campo de pressão média relativa num plano longitudinal passante por um dos
orifícios laterais do tubo de chama ---------------------------------Erro! Indicador não definido.
Figura 5. 36 Campo de temperatura total média num plano longitudinal passante por um dos
orifícios laterais do tubo de chama ---------------------------------Erro! Indicador não definido.
Figura 5. 37 Campo de temperatura total média em dois planos transversais localizados nas
posições x/L = 0,20 e x/L = 0,40 no tubo de chama-------------Erro! Indicador não definido.
Figura 5. 38 Campo de temperatura total média em dois planos transversais localizados nas
posição x/L = 0,70 no tubo de chama------------------------------Erro! Indicador não definido.
Figura 5. 39 Campo de temperatura total média na exaustão do tubo de chamaErro! Indicador não defin
i
Figura 5. 40 Representação da velocidade média adimensional ao longo do plano longitudinal
na câmara, em relação às velocidades máximas Vo obtidas pelos modelos de combustão FM e
EDM nos pontos de referência, respectivamente, 423 [m/s] e 384 [m/s]Erro! Indicador não definido.
Figura 5. 41 Representação da pressão característica: pressão média relativa adimensional ao
longo do plano longitudinal na câmara, em relação às pressões máximas Po obtidas pelos
modelos de combustão FM e EDM nos pontos de referência, respectivamente, 48835 [Pa] e
42508 [Pa] -------------------------------------------------------------Erro! Indicador não definido.
Figura 5. 42 Representação da temperatura total média característica ao longo do plano
longitudinal na câmara, em relação às temperaturas To da chama obtidas pelos modelos de
combustão FM e EDM nos pontos de referência, respectivamente, 1942 [K] e 2209 [K]Erro! Indicador
n
Figura 5. 43 Distribuição do vetor velocidade num plano longitudinal passante por um dos
orifícios laterais do tubo de chama ---------------------------------Erro! Indicador não definido.
Figura 5. 44 Linhas de corrente formadas no interior da câmara de combustão projetadas
sobre um plano longitudinal passante por um dos orifícios laterais do tubo de chamaErro! Indicador não
Figura 5. 45 Distribuição de temperatura na superfície da câmara de combustão usando
metano e o modelo de combustão FM -----------------------------Erro! Indicador não definido.
Figura 5. 46 Formação de intenso gradiente de temperatura na superfície interna do tubo de
chama, posição radial inferior nas proximidades do injetor-----Erro! Indicador não definido.
Figura A. 1- (a) Micro turbina montada; (b) Detalhe dos injetores na carcaçaErro! Indicador não definid
Figura A. 2- Carcaça externa desmontada-------------------------Erro! Indicador não definido.
Figura A. 3- (a) Turbina a gás e exaustor da câmara de combustão; (b) Detalhe do exaustor da
câmara de combustão ------------------------------------------------Erro! Indicador não definido.
Figura A. 4- Rotor da turbina a gás---------------------------------Erro! Indicador não definido.
x
Figura A. 5 - Saída da Câmara de combustão: (a) vista externa; (b) vista internaErro! Indicador não defi
n
Figura A. 6 - Câmara de combustão: (a) vista externa; (b) vista internaErro! Indicador não definido.
Figura A. 7 - Detalhe interno da câmara de combustão mostrando a conexão dos injetores de
combustível à esquerda e à direita. No meio, a ignição----------Erro! Indicador não definido.
Figura A. 8 - Detalhe externo da câmara de combustão mostrando a conexão dos injetores de
combustível------------------------------------------------------------Erro! Indicador não definido.
Figura B. 1- Interface do GASEQ
®
, com identificação dos principais itens de entrada e saída
de dados----------------------------------------------------------------Erro! Indicador não definido.
Figura B. 2 - Tela do GASEQ para o gás natural em unidade de número de mols obtida após 3
iterações----------------------------------------------------------------Erro! Indicador não definido.
Figura B. 3 - Tela do GASEQ para o gás natural em unidade de massa obtida após 3 iteraçõesErro! Indic
a
Figura C. 1- Tela do CFX launcher para acessar ferramentas CFXErro! Indicador não definido.
Figura C. 2 - Tela principal do CFX Build para a definição da geometria do problemaErro! Indicador nã
o
Figura C. 3 - Tela do CFX Build para importação do modelo no formato IGESErro! Indicador não defin
Figura C. 4 - Tela do CFX Build para visualização do modelo sólido criadoErro! Indicador não definid
o
Figura C. 5 - Tela do CFX Build para visualização da malha --Erro! Indicador não definido.
Figura C. 6 - Tela principal do CFX Pre para a definição das condições de cálculoErro! Indicador não d
e
Figura C. 7 - Tela do CFX Pre para a definição da mistura para a Reação de CombustãoErro! Indicador
n
Figura C. 8 - Detalhe na tela do CFX Pre para a definição do domínio de cálculoErro! Indicador não de
fi
Figura C. 9 - Detalhe na tela do CFX Pre para a definição das condições de contornoErro! Indicador não
Figura C. 10 - Tela do CFX Pre para a definição das condições iniciaisErro! Indicador não definido.
Figura C. 11 - Detalhe na tela do CFX Pre para a definição das condições de convergênciaErro! Indicad
o
Figura C. 12 - Detalhe na tela principal do CFX Pre para iniciar iniciar calculos no CFX
Solver-------------------------------------------------------------------Erro! Indicador não definido.
Figura C. 13 - Tela principal do CFX Solver para a execução dos cálculosErro! Indicador não definido.
Figura C. 14 - Tela do CFX Solver após a execução dos cálculosErro! Indicador não definido.
Figura C. 15 - Tela principal do CFX Post para visualozação dos resultadosErro! Indicador não definid
o
Figura C. 16 - Tela do CFX Post com plano de referência 1 sobre a distribuição de velocidade
do escoamento---------------------------------------------------------Erro! Indicador não definido.
Figura C. 17 - Tela do CFX Post com plano de referência 2 sobre a distribuição de
temperatura------------------------------------------------------------Erro! Indicador não definido.
xi
Figura D. 1- Espectros da energia cinética κ: I representa a região com grande escala de
turbulência, energia contem vórtices; II representa a sub região inercial; e III representa a
região com pequena escala de turbulência, meios isotrópicos, Davidxon (2003)Erro! Indicador não defi
n
Figura D. 2 Tensão cisalhante do escoamento próxima a uma parede, Davidxon (2003)Erro! Indicador
n
Figura D. 3 Balanço de energia na equação k para um escoamento entre superfícies planas
paralelas com distância adimensional y+: (a) Comparativo com relação ao termo de
dissipação ε; (b) Comparativo com relação ao termo difusão viscosa, Davidxon (2003)Erro! Indicador n
ã
Figura D. 4 Balanço da equação k sobre a camada limite ao longo de uma placa planaErro! Indicador n
ã
Figura E. 1 Curvas características referentes ã evolução da temperatura computada com as
técnicas RANS, DNS e LES para chama com escoamento turbulenta, Poinsot e Veynante
(2005) ------------------------------------------------------------------Erro! Indicador não definido.
Figura E. 2 Espectro de energia dissipada pela turbulência em função da intensidade da
turbulência k para as técnicas RANS, DNS e LES para chama com escoamento turbulenta,
utilizando escala di-log, Poinsot e Veynante (2005)-------------Erro! Indicador não definido.
Figura E. 3 Comparação entre o modelo EBU com o Modelo de Arrhenius para chamas pré-
misturadas com escoamento turbulento, Peters (2002) ----------Erro! Indicador não definido.
xii
Lista de Tabelas
Tabela 2. 1 - Micro turbinas instaladas no mundo, Antonio et. al. (2003)Erro! Indicador não definido.
Tabela 2. 2 Diferenças básicas entre câmaras de combustão, Lefebvre (1983Erro! Indicador não definid
o
Tabela 2. 3 Emissões das micro turbinas a gás da Capstone e da Volvo, Eli Eber (2003)Erro! Indicador
n
Tabela 2. 4 Comparação das emissões de micro turbinas a gás, turbinas a gás e motores
alternativos de combustão interna, Eli Eber (2003)--------------Erro! Indicador não definido.
Tabela 3. 1 Valores típicos das constantes dos modelos de turbulênciaErro! Indicador não definido.
Tabela 3. 2 Valores típicos das constantes do modelo de turbulência SST k-ωErro! Indicador não defin
i
Tabela 3. 3 Aplicação dos modelos de combustão --------------Erro! Indicador não definido.
Tabela 4. 1 Dados técnicos do equipamento segundo o fabricanteErro! Indicador não definido.
Tabela 4. 2 Valores obtidos pelo GateCycle para a micro turbina testadaErro! Indicador não definido.
Tabela 4. 3 Composição química do gás natural, Abreu e Martinez (1999)Erro! Indicador não definido.
Tabela 4. 4 Composição dos reagentes e produtos da reação de combustão para o gás natural
obtida pelo GASEQ® v7.2. -----------------------------------------Erro! Indicador não definido.
Tabela 4. 5 Condições de Contorno para o Estudo AerodinâmicoErro! Indicador não definido.
Tabela 4. 6 Dados fornecidos pelo GASEQ ® v 7.6 para Definição dos Fluidos de Trabalho
no CFX-----------------------------------------------------------------Erro! Indicador não definido.
Tabela 4. 7 Condições de Contorno para o Gás Metano no estudo Termo-Aerodinâmico pelo
CFX---------------------------------------------------------------------Erro! Indicador não definido.
Tabela 4. 8 Fração mássica dos produtos da combustão do gás natural para a definição das
condições iniciais no CFX a partir do GASEQ ® v 7.6 ---------Erro! Indicador não definido.
Tabela 4. 9 Condições de convergência aplicadas----------------Erro! Indicador não definido.
Tabela 5. 1 Malhas testadas segundo o tamanho do elemento de volume e das condições de
convergência.----------------------------------------------------------Erro! Indicador não definido.
Tabela 5. 2 Resultados obtidos para o modelo de combustão EDMErro! Indicador não definido.
Tabela 5. 3 Resultados obtidos para o modelo de combustão FMErro! Indicador não definido.
Tabela 5. 4 Resultados obtidos para o modelo de combustão FMErro! Indicador não definido.
Tabela 5. 5 Resultados obtidos para o modelo de combustão EDMErro! Indicador não definido.
Tabela E. 1 Comparação entre as técnicas RANS, DNS e LES sob o aspecto das simulações
numéricas da combustão com escoamento turbulento, Peters (2000)Erro! Indicador não definido.
xiii
Simbologia
Letras Latinas
Constante de proporcionalidade, que depende das propriedades físicas dos reagentes e se ocorre
ou não pré-mistura;
Constante que depende das propriedades físicas dos produtos e da natureza da reação química
em cadeia com ou sem ramificações, formadas pelos radicais livres, no cálculo da taxa dos
produtos;
Constante de proporcionalidade na Equação de Zimont;
Coeficiente Linear de Anisotropia no modelo de radiação Aproximação Diferencial ou P1;
A
Coeficiente linear de anisotropia;
[A]
Concentração molar ou mássica da espécie A
A
C
Área da superfície interna da carcaça [m
2
];
Superfície da chama laminar [m
2
];
A
L
Área transversal de referência no tubo de chama [m
2
];
A
K
Constante de proporcionalidade na Taxa de Reação de Arrhenius;
A
AN
Área transversal de referência no anular ou câmara de resfriamento [m
2
];
A
REF
Área transversal da câmara de combustão do tipo anular, em [m
2
];
A
W
Área da superfície interna do tubo de chama [m
2
];
B
K
Constante que representa a direção das reações reversíveis (produtos para reagentes);
C
1
Convecção de calor do gás para as paredes do tubo de chama [W / m
2
];
C
2
Convecção de calor do gás das paredes do tubo de chama para o ar da carcaça [W / m
2
];
C
ε1
Coeficiente da equação de transporte para o modelo de turbulência k -ε;
C
ε2
Coeficiente da equação de transporte para o modelo de turbulência k - ε;
C
μ
Coeficiente da equação de transporte para o modelo de turbulência k - ε;
C
p
Calor específico à pressão constante [J / kg.K];
Da
Número de Damkholer (adimensional);
D
AN
Diâmetro do anular ou câmra de resfriamento [m
2
];
D
L
Diâmetro interno do tubo de chama [m];
D
K
Coeficiente de difusão de Fick para a espécie k
D
REF
Diâmetro de referência externo da câmara de combustão do tipo anular, em [m];
D
0
Diâmetro médio do injetor do combustível [m];
Diâmetro do orifício do injetor [m];
d
Dimensão característica da escala de turbulência [m];
E
Energia total do sistema;
E
b,j
Energia de radiação de corpo negro no modelo de radiação P1
E
K
Energia de Ativação na Taxa de Reação de Arrhenius;
xiv
E(κ)
Espectro de energia;
e
Energia total química;
erfc
Função Erro Complementar;
ez
Vetor unitário na direção z;
es
Energia sensível;
e
t
Energia total especifica do sistema;
[F]
Concentração molar do combustível na mistura;
f(x)
Função Densidade de Probabilidade;
f
C
Fração ar e combustível na mistura (adimensional);
F
k,j
Força de campo gravitacional atuante na espécie k na direção j;
F
K
Constante que representa a direção das reações reversíveis (Reagentes para produtos);
Fator de Extensão na Equação de Zimont (adimensional);
G
Intensidade da radiação Incidente [J / m
2
];
g
Força de campo (gravitacional) no meio na Equação de Navier Stokes, aceleração da gravidade
[m / s
2
];
H
Entalpia total do escoamento para misturas homogêneas;
h
Entalpia específica do meio [kcal / kg ];
h
i
Entalpia especifica da espécie na mistura [kcal/kg];
h
s
Entalpia sensível da mistura;
h
s,k
Entalpia sensível da espécie k;
Concentração molar de cada espécie entre os reagentes [mol / m
3
];
[I]
Índice de uma espécie química em uma reação;
I
ν0
Intensidade da radiação saindo da parede no Modelo de Radiação do tipo Transferência Discreta
de Calor [kcal / kg];
I
b
Intensidade da emissão do corpo negro [kcal / kg];
I
bν
Intensidade da radiação devida ao corpo negro no Modelo de Radiação do tipo Transferência
Discreta de Calor [kcal / kg];
I
L
Espessura da chama;
I
n
Intensidade da radiação espectral [kcal / kg];
I
ν
Intensidade média da radiação no Modelo de Radiação do tipo Transferência Discreta de Calor
[kcal / kg];
K
av
Coeficiente de absorção do meio (adimensional);
K
b, ν
Coeficiente de absorção do corpo negro;
K
exp
Coeficiente experimental da taxa de reação da mistura;
K
s
Coeficiente de reflexão na equação de fluxo total da radiação (adimensional);
K
sv
Coeficiente de reflexão do meio (adimensional);
xv
Intensidade da Turbulência;
Taxa especifica de consumo obtida pela equação de Arrhenius [kg / s];
Condutividade térmica [J / m
2
];
Condutividade térmica no Modelo de Rosseland [J / m
2
];
Índice de uma reação química elementar;
Energia cinética devido à turbulência
k
Índice de uma espécie elementar
k
1-2
Condução de calor através da parede do tubo de chama [W / m
2
];
k
r
Condutividade Térmica Geral no Modelo de Rosseland [W / m . K];
k
G
Condutividade Térmica do gás [W / m . K];
Comprimento do tubo de chama [m];
L
Distância percorrida pela chama na zona de combustão [m];
Le
Numero de Lewis (adimensional);
L
t
Comprimento da chama turbulenta na Equação de Zimont [m];
l
Comprimento da mistura segundo Prandtl;
Mistura de espécies químicas;
M
Massa molecular;
Valor médio de uma amostra de variáveis aleatórias escolhidas em um dado intervalo, conhecido
o desvio padrão médio do Modelo de Monte Carlo;
m
Massa total de gás;
m
k
Massa da espécie química k;
m
AN
Vazão mássica no anular ou câmara de resfriamento para o ar [kg / s];
m
PZ
Vazão mássica na zona primária do ar [kg / s];
a
m
&
Vazão mássica do ar nos injetores [kg/s];
m
3
Vazão mássica na entrada de ar [kg/s];
N
Quantidade total de espécies;
Quantidade de amostras no Modelo de Monte Carlo;
Número de moléculas no modelo PDF;
n
Número de mols total;
n
k
Número de moles da espécie k;
Pressão do gás na combustão [Pa];
P
Função probabilidade;
P
~
Pressão média do gás;
p
Flutuação de pressão devido à turbulência;
P
2
Pressão estática na entrada da câmara de combustão [Pa];
P
3
Pressão dinâmica na entrada de ar [Pa];
Prt
Número de Prandtl;num escoamento turbulento;
xvi
Q
&
Energia específica devido à geração interna de calor [J / kg];
q
Fluxo de calor por radiação [J /m
2
];
q
c
Fluxo de calor por convecção [J/s];
q
i
Quantidade de calor trocada no meio na direção x [J / kg];
q
R
Fluxo de calor por radiação [J / s];
Q
r,w
Fluxo de calor por radiação da parede [J / s];
Q
j
Quantidade de calor trocada no meio na direção y [J / kg];
Razão em peso estequiométrico ar / combustível;
R
Constante geral dos gases e igual a 8,314 [J / Mol. K];
R
K
Taxa de reação de Arrhenius;
Percentual de reflexão da radiação;
Vetor posição;
R
Raio de referência correspondente à parte externa do tubo de chama;
R
2
Radiação de calor entre tubo de chama e carcaça;
R
3
Radiação de calor do gás quente para a parede do tubo de chama;
R
KI
Coeficiente estequiométrico / ordem da reação do componente I na reação elementar k
Sc
Número de Schmidt (adimensional);
S
E
Energia molecular dos fluidos da mistura;
S
I
Taxa de consumo e produção de espécies químicas [mol / s];
S
IJ
Tensor de Cisalhamento Médio;
S
M
Somatório da força do campo gravitacional atuante em cada fluido;
Vetor direção da radiação emitida por uma superfície;
s
Variável equivalente ao tempo quando se aplica a Transformada de Laplace na equação
principal do Modelo de Radiação do tipo Transferência Discreta de Calor;
s´
Comprimento do caminho percorrido pela radiação [m];
Temperatura absoluta do meio [K];
T
Temperatura absoluta do gás na combustão [K];
t
Tempo [s];
T
Temperatura absoluta da mistura na região da chama para dada posição (x,y,z) [K];
Tc
Temperatura de referência da chama [K];
t
CHEM
Tempo de residência na chama [s];
t
FLOW
Tempo do escoamento [s];
Tg
Temperatura do gás nas proximidades da parede na equação de radiação emitida por uma parede
[K];
To
Temperatura de referência do meio [K];
T
3
Temperatura do ar na entrada do anular ou tubo de resfriamento [K];
T
PZ
Temperatura do gás na zona primária [K];
xvii
T
ST
Temperatura da chama estequiométrica [K];
Tw
Temperatura na parede na equação de radiação emitida por uma parede [K];
Raiz quadrada da velocidade da chama turbulenta;
U
Velocidade do escoamento na direção x [m/s];
U
i
Velocidade do escoamento [m/s];
i
U
~
Velocidade média do escoamento [m/s];
u
i
Flutuação da velocidade do escoamento devido à turbulência [m/s];
V
Velocidade do escoamento numa mistura homogênea [m/s];
Vc
Volume da câmara de combustão [m
3
];
Ve
Volume empregado na vaporização do combustível [m
3
];
Vi
Projeção da velocidade do escoamento na direção x;
Vj
Projeção da velocidade do escoamento na direção y;
V
k,i
Velocidade de difusão da espécie k na direção i;
L
k
V
Velocidade de difusão de Kirschfelder e Curtis;
V
Velocidade do escoamento na direção y [m /s];
vs
Coeficiente estequiométrico;
W
Velocidade média de propagação da chama [m/s];
X
Fração molar total (adimensional);
x
Coordenada cartesiana
x
i
Posição de referência no meio escoante na direção x [m];
x
j
Posição de referência no meio escoante na direção y [m];
x
K
Fração molar da espécie k;
Fração mássica total (adimensional);
Y
k
Coordenada cartesiana;
I
Y
~
Fração molar média da espécie química i;
Z
Coordenada cartesiana;
Z
COMB
Fração mássica de combustível na mistura (adimensional);
Z
J
Fração mássica da espécie química j (Carbono ou hidrogênio) (adimensional);
Z
~
Fração mássica média da mistura;
Z
OXIDANTE
Fração mássica do oxidante na mistura (adimensional);
xviii
Letras Gregas
Razão ar / combustível;
Número de átomos de carbono no hidrocarboneto;
α
Grau de reação;
Parâmetro usado para calcular o coeficiente C
e1
no modelo de turbulência RNG k - ε;
Número de átomos de hidrogênio no hidrocarboneto;
β
Coeficiente de Excitação (isto é, absorção mais reflexão) na equação de fluxo total da
radiação;
β
K
Coeficiente de temperatura adimensional na Taxa de Reação de Arrhenius;
χ
Concentração em massa do gás no injetor, na forma adimensional;
χ
~
Taxa de dissipação na mistura;
χ
ST
Taxa de Dissipação em condição estequiométrica [J / s];
ΔA
W1
Área da superfície interna da parede do tubo de chama [m
2
];
ΔA
W2
Área da superfície externa da parede do tubo de chama [m
2
];
Δh
Variação da entalpia [kcal];
o
k,f
hΔ
Entalpia de formação mássica da espécie k na temperatura de referência To;
ΔP
Perda de carga no no tubo de chama [Pa];
∇E
bν
Gradiente da energia total no corpo negro na equação de fluxo total da radiação [J];
∇Ζ
ST
Gradiente da fração mássica das espécies em mistura segundo a taxa de dissipação de Linan
(1961);
δ
Amostra no Modelo de Monte Carlo;
δi
Valor amostral usado mo Modelo de Monte Carlo;
δ
IJ
Delta de Dirac;
δ
J
Variáveis aleatórias;
Energia dissipada pela turbulência [J];
ε
Emissividade do meio pela Lei de Radiação de Stefan-Boltzmann para o Corpo Negro
[W/m
2
];
ε
CR
Valor crítico da energia de dissipação turbulenta [J];
ε
C
Emissividade da parede da carcaça;
ε
G
Emissividade do gás;
ε
W
Emissividade da parede do tubo de chama;
Razão de Equilíbrio entre ar e combustível;
Variação da energia no sistema devido às irrervesibilidades;
Função fase da reflexão devido a um sólido imerso no meio;
Φ
Razão de equivalência para o gás metano;
xix
Ângulo de refração nas paredes na equação de radiação emitida por uma parede;
φ
Razão de equilíbrio da mistura;
ℑ
Função mistura para o modelo de turbulência SST;
Parâmetro usado para calcular o coeficiente C
e1
no modelo de turbulência RNG k - ε;
η
Escala de comprimento de Kolmogorov [m];
η
0
Parâmetro usado para calcular o coeficiente C
e1
no modelo de turbulência RNG k - ε;
η
CC
Eficiência da câmara de combustão;
η
CE
Eficiência da taxa de evaporação do combustível;
η
Cθ
Eficiência da taxa de reação;
η
TCOMBUSTÃO
Eficiência Térmica da Combustão;
κ
Constante de Von Karman para o modelo de turbulência SST;
γ±
Razão equivalente entre ar e combustível normalizado (adimensional);
γ
Coeficiente de excesso de ar;
γ
Κ
Peso específico da espécie k;
λ
Condutividade térmica da mistura ignitável;
λ
eff
Valor efetivo da constante de evaporação do combustível na temperatura ambiente m
2
/s;
λ
u
Condutividade térmica na Equação de Zimont (adimensional);
μ
Viscosidade dinâmica [kg/m.s];
μ
Τ
Viscosidade dinâmica devido à turbulência;
μ*
Média aritmética;
μ
STR
Coeficiente empírico do modelo de combustão com Pré-mistura, cujo valor universal é 0.28;
Desvio padrão médio;
Freqüência na Equação de Transporte de Radiação Espectral [Hz];
Viscosidade cinemática [m
2
/s]
ν
Escala de viscosidade de Kolmogorov;
*
KI
ν
Coeficiente estequiométrico das espécies reagentes k;
**
KI
ν
Coeficiente estequiométrico das espécies produtos k;
θ
Fator de Lefebvre para estimar a eficiência da combustão, na forma adimensional;
Θ
Temperatura reduzida utilizada pelo modelo de combustão EDM;
ρ
Massa especifica do fluido [kg /m
3
];
ρo
Massa específica inicial [kg /m
3
];
ρ
PZ
Massa específica do gás na zona primaria [kg /m
3
];
ρ
K
Massa específica da espécie k [kg /m
3
];
ρ
u
Massa específica da mistura de não reativos [kg /m
3
];
Constante de Stefan Bolztmann e igual a 5.6705119. 10
-8
[W/m
2
K
4
];
σ
Desvio padrão de uma distribuição de probabilidade;
σ*
Desvio padrão;
xx
σ
C
Número de Schmidt (adimensional);
σ
ε
Coeficiente da equação de transporte de energia dissipada no modelo k - ε;
σ
k
Coeficiente de Prandtl da equação de transporte de turbulência no modelo k - ε;
Tempo de residência médio (volume da câmara dividido pela vazão volumétrica do fluido)
[s];
τ
Escala de tempo de Kolmogorov;
τ
chem
Tempo químico de Kolmogorov, conforme a escala de turbulência na combustão [s];
τ
Fuel
Tempo de residência do combustível [s];
τ
i,j
Tensor deformação devido à viscosidade e À gradiente de velocidade;
℘
Coeficiente de difusão de Fixk;
Ângulo do sólido [graus];
Ω
Ângulo do sólido através de pontos discretos distribuídos sobre o corpo imerso no meio que
irradia calor [graus];
ω
Intensidade da vorticidade de Von Karman;
ω
Κ
Taxa de reação da espécie k;
ω
Τ
Quantidade de calor gerado em uma reação de combustão (adimensional);
F
ω
Taxa de reação no modelo de combustão EDM;
Coeficiente de escorregamento na equação de radiação emitida por uma parede;
Energia específica no meio devido à transferência de calor pelo atrito do fluido com as
paredes por onde escoa (adimensional);
ψ
Fator de perda de carga no tubo de chama;
Γ
i
Coeficiente de difusão molecular da espécie i;
Γ
REF
Coeficiente de difusão molecular da mistura;
xxi
Subscritos
0
Índice adotado como referência na saída do injetor;
2
Relativo a entrada da câmara de combustão;
α
Relativo à razão de pressão e de empuxo na turbina a gás;
a
Relativo ao ar;
av
Indicie do coeficiente de absorção da radiação no meio;
b
Relativo à radiação do corpo negro;
bν
Relativo à radiação do corpo negro simulado pelo modelo de Transferência Discreta;
CE
Relativo a taxa de evaporação do combustível;
COMB
Relativo ao combustível;
Cθ
Relativo a taxa de reação;
e
Relativo ao gás;
ε1
Índice da primeira constante definida para o modelo de turbulência k - ε;
ε2
Índice da segunda constante definida para o modelo de turbulência k - ε;
eff
Efetivo;
F
Relativo a chama;
g
Relativo ao gás;
M
Mistura;
μ
Índice para o coeficiente da equação de transporte para o modelo de turbulência k - ε;
n
Relativo ao espectro da radiação térmica;
ν
Relativo a radiação térmica no meio;
ν0
Relativo à radiação que surge na superfície de um corpo;
OXIDANTE
Relativo à substância oxidante de uma reação de combustão;
p
Pressão, produtos da combustão;
PZ
Relativo a zona primária da câmara de combustão;
r
Radiação;
REF
Referência;
s
Relativo a reflexão na equação de fluxo total da radiação;
Σ
Totalização de uma espécie em uma reação química numa dada posição da câmara de
combustão;
ST
Relativo à chama estequiométrica;
STR
Relativo ao coeficiente empírico do modelo de combustão com Pré-mistura;
sv
Relativo a reflexão da radiação no meio;
To
Relativo à temperatura do fluido na saída do injetor;
u
Relativo à condutividade térmica na equação de Zimont;
w
Relativo à parede;
xxii
Siglas
ACT
Advanced Combustion Tool
ANEEL
Agência Nacional de Energia Elétrica
ANP
Agência Nacional do Petroleo
APU
Auxiliary Power Unity
ASTM
American Society for Testing and Material Standards
CFD
Computational Fluid Dynamic
CNP
Conselho Nacional do Petroleo
DES
Detached Eddy Simulation
LES
Large Eddy Simulation
DLN
Dry Low NOx
DNC
Departamento Nacional de Combustiveis
DNS
Direct Numerical Simulation
EBU
Eddy Break Up
EDM
Eddy Dissipation Model
EERC
Environment Energy Research Corporation
EPA
Environment Protection Association
FM
Flamelet Model
HITAC
High Temperature Air Combustion
IEM
Instituto de Engenharia Mecânica
IEPG
Instituto de Engenharia de Produto e Gestão
INPE
Instituto Nacional de Pesquisas Especiais
IP
Portal Interno da ANP
IRCM
Infinite Rate Chemistry Model
ISSN
International Standard Serial Number
ITA
Instituto de Engenharia da Aeronáutica
MDF
Método de Diferenças Finitas
MEF
Método de Elementos Finitos
MVF
Método de Volume Finito
MVFE
Método de Volume Finito Espectral
MME
Ministério de Minas e Energia
PDF
Probability Density Factor
PPG
Pesquisa e Pós-Graduação
PRPPG
Pré Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação
NEST
Núcleo de Excelência em Sistemas Térmicos e Geração Distribuída
RANS
Reynolds Averaged Navier Stokes
RSM
Reynolds Stress Model
xxiii
SCR
Selective Catalytilic Reduction
SST
Shear Stress Model
ULN
Ultra Low NOx
UNIFEI
Universidade Federal de Itajubá
WSEAS
World Scientific and Engineering Academy and Society
Capítulo 1
INTRODUÇÃO
1.1 Aspectos Gerais
O uso de turbinas a gás para a geração de energia elétrica tem crescido gradualmente
nos últimos anos, Gurgel e Mandela (2000) e Antonio
et al (2003).
Segundo o Balanço Energético Nacional fornecido pelo Ministério de Minas e
Energia-2006 (http://www.mme.gov.br) , a participação das unidades de geração termelétrica
à turbina a gás no setor elétrico brasileiro já constitui mais de 21 [%] dos empreendimentos de
geração elétrica em operação, totalizando uma potência de aproximadamente 44 [GW] em
relação ao total instalado de 195 [GW], como mostra a Figura 1, comparativamente às outras
unidades de geração de eletricidade. Esta participação pode aumentar nos próximos anos em
decorrência da política energética atuante, a qual tem priorizado a implantação de sistemas
termo - hidroelétricos, a fim de atender a demanda por energia elétrica no Brasil.
2
Potência Instalada (%)
74,75%
21,47%
0,01%
1,43%
0,13%
2,10%
0,11%
CGH
EOL
PCH
SOL
UHE
UTE
UTN
Figura 1. 1 Distribuição das unidades de geração no setor elétrico brasileiro, MME (2006):
Central Geradora Hidrelétrica (CGH), Central Geradora Eolielétrica (EOL), Pequena Central
Hidrelétrica (PCH), Central Geradora Solar Fotovoltaica (SOL), Usina Hidrelétrica de
Energia (UHE), Usina Termelétrica de Energia (UTE), Usina Termonuclear (UTN)
De acordo com Gurgel e Mandela (2000), é fato que muitas pesquisas têm sido
realizadas com a intenção de se obter maior eficiência e menor emissão de poluentes tanto em
turbinas a gás, quanto em micro turbinas a gás. Para isso, a câmara de combustão tem sido o
principal alvo destas pesquisas, as quais têm consistido tanto na realização de testes
experimentais, quanto na aplicação de simulações numéricas, uma vez que este equipamento
tem a finalidade de aumentar temperatura e a energia cinética dos gases ou fluido de trabalho,
visando à expansão na turbina e a produção de potência útil.
Dentro do contexto de turbinas a gás, a complexidade das câmaras de combustão foi
primeiro descrita por Lefebvre (1983), segundo o grande número de variáveis envolvidas, seja
pela aerodinâmica, seja pela termodinâmica, que podem afetar a emissão de poluentes,
temperatura máxima da chama e a eficiência da combustão.
Desta forma, a busca de projetos de câmaras de combustão mais eficientes tanto no
aspecto termodinâmico quanto ambiental, tem em vista a emissão de NOx e CO por parte dos
combustíveis fósseis empregados em grande parte do mundo. Isto tem levado os grandes
laboratórios e fabricantes de Turbinas a Gás a buscar ferramentas alternativas para a análise
do processo de combustão nestes equipamentos. Tais ferramentas constituem os chamados
modelos numéricos de cálculo de escoamento reativo, uma das subáreas da dinâmica dos
fluidos computacional (CFD), que aliados a computadores mais eficientes, têm permitido a
análise de câmaras de combustão de forma mais rápida.
A Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) abrange três métodos numéricos
básicos: a) Método de Diferenças Finitas; b) Método de Elementos Finitos; e c) Método de
3
Volumes Finitos. O último método tem sido aplicado à fenômenos de transporte, porque é
conservativo.
Estas simulações numéricas permitem a otimização dos projetos a baixo custo sem a
necessidade de grande número de experimentos para aquisição de dados.
Dentre as pesquisas que têm sido conduzidas para o levantamento dos principais
parâmetros termo - aerodinâmicos que afetam o comportamento da chama em câmaras de
combustão, com a aplicação de testes experimentais e de métodos numéricos mais precisos,
podem ser destacados os trabalhos de Lee
et al. (1990), Fuller e Smith (1994), Hamer e Roby
(1997), Allen (1998), Melick
et al. (1998), Yadigaroglu (1998), Gosselin et al. (2000), Peters
(2000), Xinming (2001), Nickolaus
et al. (2002), Lyckama et al. (2002), Wakabayashi et al.
(2002), Vandebroek
et al. (2003), Cristina e Tuccilo (2004), Jiang e Campell (2004),
Koutsenko
et al. (2004), e Parente et al. (2004).
Com base nestes trabalhos, é importante conhecer a estrutura da chama, que depende
do tipo de chama. Para chamas com escoamento turbulento, sua estrutura pode ser constituída
por três regiões distintas: a primeira região, onde ocorre o escoamento da mistura ar -
combustível e já afetada pelo pré-aquecimento, devido à propagação do calor gerado pela
combustão por convecção e radiação; a segunda região, onde ocorre a reação de combustão e
a luminescência, também conhecida como Frente de Chama; e uma terceira região, onde os
gases quentes produtos da combustão se afastam da região de combustão.
Dentre estas regiões da chama, o enfoque dos modelos de combustão se concentra na
Frente de Chama, onde as moléculas do combustível se quebram e reagem com as moléculas
do oxidante.
A Figura 1.2 apresenta um esquema simplificado da estrutura da chama em suas três
regiões principais, destacando as locais de referência para indicar os tempos de deslocamento
da mistura, tempo de residência da mistura reativa, tempo de choque da mistura com a zona
de reação, tempo de reação química e liberação de energia (em amarelo, assinalando a zona de
luminescência da chama), bem como as velocidades de propagação do escoamento e da
chama, Poinsot e Veynante (2005) e Williams (1985).
4
Figura 1. 2 Estrutura simplificada de uma região de uma chama, destacando os tempos
característicos e velocidades de propagação do escoamento e da chama: região 1, onde ocorre
o pré-aquecimento da mistura; região 2, onde ocorre a reação e liberação de energia e
luminescência; e região 3, onde ocorre a propagação dos gases quentes, Poinsot e Veynante
(2005) e Williams (1985)
Entre os modelos de escoamento turbulento utilizados pelo CFD, podem ser
destacados: k-ε, RNG k-ε e RSM (“Reynolds Stress Model”) e SST (“Shear Stress Model”).
O modelo k-ε é o mais usado devido à sua estabilidade numérica, robustez e menor custo
computacional, porém tem limitações da simulação de escoamentos que apresentem separação
da camada limite e em superfícies curvas. Para corrigir esta deficiência, o modelo RNG k-ε
permite rastrear as menores escalas de turbulência junto com as demais escalas. O modelo
SST tem merecido maior atenção recentemente por sua maior precisão para prever o
comportamento do escoamento em regiões com gradientes de pressão adversos, tais como,
por exemplo, nas regiões com descolamento do escoamento em perfis aerodinâmicos e
palhetas ou perfis para turbo máquinas..
Além disso, entre os modelos de combustão aplicados, podem ser destacados: EDM
(“Eddy Dissipation Model”), FM (“Flamelet Model”) e FRCM (“Finite Rate Chemistry
Model”). Enquanto o EDM é aplicado ao caso de chamas formadas por pré-mistura entre
combustível e oxidante fora da zona de combustão, o FM é utilizado para caracterizar as
chamas do tipo difusiva ou não pré misturada, onde a mistura do combustível e oxidante
ocorre dentro da zona de combustão. O modelo FRCM pode ser aplicado para ambos os tipos
5
de chama, desde que sejam conhecidas as taxas de reação de todos as espécies químicas da
mistura ignitável ar e combustível.
O uso do CFD pelos fabricantes de turbinas a gás tem merecido maior atenção
progressivamente, como citado em Lai
et al (2002) que contribuem para a Honeywell Engines
e a Systems & Services, respectivamente, no desenvolvimento de um sistema especialista (um
programa capax de vincular os resultados do CFD com as dimensões definidas em CAD, a
fim de otimizar o projeto), conhecido como ACT (“Advanced Combustion Tool”), cuja
análise agrega diferentes geometrias de câmaras de combustão.
Neste contexto, é importante a implementação de procedimentos de simulação que
utilizem os recursos computacionais e métodos numéricos existentes com a finalidade de
determinar as principais variáveis que afetam o complexo fenômeno da combustão,
principalemente sobre o enfoque de verificar potenciais modificações do projeto original da
câmra, quando operada com diferentes combustíveis. Uma referência para este estudo de caso
é o projeto Floxcom de uma câmara de combustão de baixa emissão de NOx realizado por um
grupo internacional formado por Israel Institute of Technology, Imperial College of Science
Technology & Medicine (ICSTM), CINAR Ltd. (CINAR), Instituto Superior Técnico de
Portugal (ISTP), Institute of Fundamental Technological Research (IPPT-PAN), ANSALDO
Ricerche Srl, B&B AGEMA Gmbh (B&B_AGEMA), Rheinish-Westfaelische Technische
Hochschule Aachen (RWTH), e Caldaie Italy (CCA-I), em 2003.
Desta forma, no presente trabalho de tese de doutorado aceitou-se o desafio de propor
uma organização prática dos modelos de escoamento, de combustão e de transferência de
calor por radiação desenvolvidos para o Cálculo da Dinâmica de Fluidos num formato de
procedimento, e sua aplicação num estudo de caso com a finalidade de caracterizar o
comportamento termo-aerodinâmico de uma câmara de combustão de micro turbinas a gás
para operar com diferentes combustiveis.
Para isso, a modelagem é validada, seja no aspecto aerodinâmico, seja no aspecto
termodinâmico. A primeira validação se efetua sobre um modelo de câmara de combustão
anular de baixa emissão do projeto Floxcom da Israel Instute of Technology
et al (2003),
cujos dados experimentais sobre as distribuições de velocidade e pressão no seu interior são
conhecidas. A segunda validação se efetua em dois modelos geométricos, a fim de verificar a
precisão dos modelos de combustão adotados no presente trabalho: o primeiro modelo
geométrico consiste em um Queimador FLOX desenvolvido por Wunning (1996), onde são
comparados os dados de temperatura obtidos numérica e experimentalmente, enquanto o
segundo modelo geométrico consiste num experimento relizado pela International Flame
6
Research Foundation em uma fornalha HITAC (“High Temperature Air Combustion”),
segundo Weber
et al (1999), onde são comparados os dados de temperatura.
Após a validação, realiza-se uma análise aerodinâmica e termo - aerodinâmica de uma
câmara de combustão do tipo anular de uma micro turbina a gás da Solar Turbines
instrumentada existente no Laboratório de Sistemas Térmicos no NEST / UNIFEI, que opera
com diesel e/ou querosene, a fim de obter as distribuições de velocidade, pressão e
temperatura, os quais são parâmetros úteis para realizar a comparação de deferentes modelos
de escoamentos e de combustão, bem como, podem atuar como parâmetros para avaliar as
potenciais modificações do projeto original da câmara quando operada com combustível
alternativo, neste caso, o gás natural em condições nominais e em regime permanente. A
Figura 1.3 mostra esta micro turbina a gás instrumentada no laboratório do NEST.
Figura 1. 3 Micro turbina a gás instrumentada do laboratório do NEST adotada para a
realização das simulações
Neste trabalho, dentre os parâmetros da câmara de combustão que podem ser
utilizados para caracterizar o seu funcionamento, podem ser destacados:
a) distribuição de temperatura na exaustão;
b) distribuição da temperatura ao longo de uma seção longitudinal da câmara, a fim de
identificar a posição e o alcance da chama;
c) levantamento dos vetores velocidade para indicar o posicionamento da recirculação
ao longo de uma seção longitudinal da câmara, a qual pode ser afetada pelos orifícios laterais
do tubo de chama, que influenciam também a estabilidade e a posição da chama, bem como a
diluição dos gases quentes produtos da combustão;
d) determinação das distribuições de pressão ao longo da mesma seção longitudinal
para calcular a perda de carga localizada; e
e) distribuição da temperatura na superfície do tubo de chama.
7
1.2 Objetivo do Trabalho
O objetivo principal deste trabalho é desenvolver uma metodologia para o projeto e
estudo preliminar do comportamento termo aerodinâmico tridimensional de câmara de
combustão de micro turbina a gás operando em regime permanente e a carga nominal, com a
aplicação do Cálculo da Dinâmica de Fluidos para o combustível gás natural.
Os objetivos específicos são:
1°. Estabelecer os principais parâmetros físicos (velocidade, pressão e temperatura)
que permitem caracterizar o comportamento termo-aerodinâmico de um modelo de câmara de
combustão, que podem ser associados com a geometria;
2°. Modelagem numérica usando cálculo CFD da aerodinâmica a fim de caracterizar
as perdas de carga a partir do levantamento dos campos de velocidade e pressão, e a
simulação da termo-aerodinâmica, a fim de caracterizar o comportamento da chama a partir
do levantamento do campo de temperatura, envolvendo reações químicas até 2 passos usando
como combustível o gás natural; e
3°. Desenvolver uma metodologia que funcione como ferramenta de engenharia
complementar em auxílio ao projeto de câmaras de combustão para micro turbinas a gás.
1.3 Justificativas do Trabalho
Atualmente, a necessidade de desenvolver equipamentos para micro turbinas a gás
com melhor eficiência norteia também a necessidade para implementar câmaras de combustão
com menor emissão de poluentes, utilizando diversos combustíveis.
O desafio se concentra no conhecimento do complexo fenômeno da combustão, que
envolve muitas variáveis físico – químicas, cuja determinação através de testes experimentais
é onerosa.
Contudo, diversas pesquisas têm sido realizadas e demonstrado que a caracterização
do comportamento termo aerodinâmico destes equipamentos tem encontrado motivação no
campo da simulação numérica, devido à aplicação de métodos numéricos mais robustos e
precisos associados à computadores mais rápidos, que têm permitido obter respostas a
diversos tipos de problemas correlatos as necessidades de adequação das câmaras de
combustão para operar com diferentes combustíveis, utilizando dados que são impraticáveis
experimentalmente, tais como a visualização tridimensional do escoamento dos gases quentes
no interior de turbinas a gás e micro turbinas a gás.
8
Neste contexto, o presente trabalho contribui pela implementação de uma metodologia
para avaliação de projetos e estudo termo aerodinâmico tridimensional de câmaras de
combustão do tipo anular para turbinas a gás e micro turbinas a gás em regime permanente e
em condições nominais de operação, utilizando como combustível o gás natural.
Para isso, desenvolve-se um procedimento prático para utilização de diferentes
modelos matemáticos na simulação de escoamentos, da combustão e da transferência de calor
por convecção e radiação com o uso da Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD), a fim de
caracterizar o comportamento termo aerodinâmico com a determinação das principais
variáveis que afetam o complexo fenômeno da combustão, tais como: a velocidade e pressão
do escoamento, e a temperatura da chama.
O CFD adotado no presente trabalho utiliza o Método de Volumes Finitos, que
emprega um algoritmo de pressão-velocidade tipo Simple, o qual acopla e resolve as equações
de Navier Stokes discretizadas, permitindo obter num mesmo passo de tempo todas as
variáveis termo aerodinâmicas junto com o cálculo do termo fonte na equação de espécies
(isto é, reação química), Arioli e Koch (2003).
Desta forma, criam-se subsídios de projeto para futuras configurações e suas
eficiências, utilizando combustíveis com várias formas de hidrocarbonetos, tanto no aspecto
térmico, quanto ambiental das emissões, bem como verificar também que parâmetros
geométricos e operacionais podem ser modificados a fim de otimizar o projeto original da
câmara de combustão.
1.4 Contéudo do Trabalho
As atividades realizadas no presente trabalho compreendem o capítulo 1, que
apresenta uma revisão bibliográfica sobre câmaras de combustão para micro turbinas a gás e
Dinâmica de Fluídos Computacional. Nesta revisão, busca-se identificar quais são os
parâmetros que melhor caracterizem o funcionamento da câmara de combustão e os modelos
matemáticos mais robustos e precisos para a simulação termo aerodinâmica, bem como a
atual importância deste equipamento para o setor de geração distribuída de energia.
O capítulo 2 fornece uma idéia geral sobre as micro turbinas a gás, com sua
cronologia, caracterização funcional, comparação com outros equipamentos alternativos para
suprimento de energia, limitações, dando enfoque para um dos seus principais componentes, a
câmara de combustão, fornecendo informações sobre sua classificação, limitações
operacionais e principio de funcionamento, apresentado uma caracterização do seu processo
9
de combustão e emissões. Ao final deste capítulo, apresentam-se perspectivas tecnológicas
sobre as potenciais modificações necessárias para aumentar sua eficiência e diminuir suas
emissões.
No capítulo 3, apresenta-se a metodologia da Dinâmica de Fluidos Computacional
utilizando o software ANSYS CFX v.5.7
® na modelagem das câmaras de combustão, suas
principais etapas, seus modelos de escoamentos turbulentos, de combustão, de transferência
de calor por radiação, bem como os critérios usados no equacionamento e simplificação dos
problemas físicos envolvidos e o estabelecimento das condições de contorno e de
convergência.
No capítulo 4, mostra-se a modelagem de uma câmara de combustão, apresentando os
modelos de escoamentos turbulentos, de combustão, de transferência de calor por radiação,
seguindo os passos definidos pelo procedimento proposto pelo anexo D.
Além disso, também se apresentam dois softwares auxiliares, a destacar: GateCycle e
o Gaseq. O primeiro é utilizado na simulação do ciclo térmico da micro turbina a gás com a
finalidade de estabelecer os parâmetros de operação da câmara de combustão em regime
permanente e em carga nominal, tanto na entrada, quanto na saída de cada componente. O
segundo software pode ser utilizado como ferramenta para a obtenção das concentrações dos
reagentes e produtos das reações químicas da combustão, cuja principal função é fornecer
dados indicativos sobre as emissões, para diferentes combustíveis e a temperatura adiabática
da chama.
No capítulo 5, apresentam-se os resultados obtidos das simulações numéricas
realizadas em três etapas.
A primeira aborda o processo de validação aerodinâmica de modelos de escoamentos
turbulentos utilizados pelo CFD, apresentando um caso de uma câmara de combustão de
baixa emissão de NOx referente ao projeto Floxcom da Israel Isntitute of Technology
et al
(2003), comparando dados sobre pressões e velocidades do escoamento.
A segunda etapa contempla a validação termo-aerodinâmica dos modelos de
combustão em dois modelos geométricos: o primeiro, um Queimador FLOX desenvolvido por
Wunning (1996), onde são comparados os dados de temperatura obtidos de forma numérica e
experimentalmente, enquanto o segundo modelo geométrico consiste num experimento
relizado pela International Flame Research Foundation em uma fornalha HITAC (“High
Temperature Air Combustion”), segundo Weber
et al (1999), onde são comparados os dados
de temperatura.
10
A terceira etapa apresenta o estudo termo-aerodinâmico de uma câmara de combustão
do tipo anular da fabricante Solar Turbines, apresentando dois casos: a) estudo aerodinâmico
para se verificar o tempo de residência do escoamento dentro da câmara e visualizar o campo
de pressão e velocidade para caracterizar as perdas de carga; e b) estudo termo-aerodinâmico
para visualizar os campos de temperatura, pressão e velocidade para caracterizar o
comportamento da chama.
Finalmente, no capítulo 6, se apresentam as conclusões e as recomendações propostas
para futuros trabalhos em CFD.
Além disso, no anexo A, mostram-se algumas fotos da micro turbina a gás
desmontada, onde se identificam seus principais componentes. No anexo B, apresentam-se as
telas do programa GASEQ com as informações sobre a simulação da reação de combustão do
gás natural. No anexo C, apresenta-se o procedimento proposto por este trabalho, utilizando o
programa CFX para a simulação tridimensional de câmaras de combustão em CFD. Nos
anexos D e E são apresentados, respectivamente, os principais conceitos e equacionamentos
sobre o modelo de escoamento turbulento RNG k-ε e o modelo de combustão “Eddy
Dissipation Model” (EDM) ou “Eddy Break Up” (EBU) aplicados neste trabalho. No Anexo
F, são apresentadas as variáveis físicas e as equações diferenciais num formato generalizado,
as quais podem ser empregadas para o estudo de processos de combustão e, no Anexo G, são
apresentados os artigos elaborados para congressos e publicações indexadas que ajudaram
para o desenvolvimento deste trabalho.
1.5 Revisão Bibliográfica
O complexo fenômeno da combustão vem sendo estudado há muito tempo. Existem
evidências que foram encontradas nos trabalhos desenvolvidos por Leonardo da Vinci (1452-
1519), onde o mesmo relata suas observações sobre a função do oxigênio na chama.
Contudo, o primeiro químico que provou através de medições que o oxigênio é essencial para
a combustão foi Joseph Prestly (1733-1764) e a formulação das equações químicas da
combustão foram definidas por Antonie Laurent Lavoisier (1743-1794), cuja teoria das
reações químicas é aceita até os dias atuais.
A aplicação comercial das câmaras de combustão para turbinas a gás pela indústria
aeronáutica começou no final da década de 1930 com a 2° Mundial (1939-1945).
Considerando a importância que as micro turbinas a gás têm representado para o setor
elétrico quanto à geração distribuída, apresenta-se a seguir um enfoque sobre a participação
11
deste equipamento em relação às demais formas para obtenção de energia, destacando os
trabalhos que contribuíram para o desenvolvimento das micro turbinas e das câmaras de
combustão, dentro do aspecto construtivo e operacional. Apresentam-se, também, os trabalhos
que estudam o processo de combustão e o comportamento da chama, bem como os trabalhos
que desenvolveram e/ou aplicaram modelos numéricos com satisfatória precisão para simular
o comportamento do escoamento e da chama no interior de câmaras de combustão:
Fontes Alternativas de Energia e Combustíveis Renováveis
Raivanshi e Goswam (1986) detalham o processo de extração e aplicação do gás de
biomassa na geração de calor e potência, fornecendo informações sobre suas principais
características físicas, tais como, poder calorífico, composição química, peso, combustão e
emissão de poluentes de forma comparativa com outros tipos de combustíveis. Realizam um
trabalho experimental sobre comportamento da chama.
Appleby (1995) realiza um estudo comparativo entre os veículos convencionais de
combustão interna com os veículos elétricos movidos à bateria química, as quais são feitas
com um catalítico à base de platina. Estes veículos elétricos podem ter autonomia de até 400
[km]. Para a sua fabricação, são gastos normalmente 0,25 [g/kW]. Mostra-se, também, um
breve histórico sobre a concepção das baterias químicas, bem como a aplicação da tecnologia
híbrida entre bateria química e células a combustível.
Bove e Lunghi (2006) apresentam um trabalho sobre as células a combustível,
mostrando sua viabilidade técnica e econômica frente às outras fontes alternativas de energia,
bem como seu principio de funcionamento e tecnologias atualmente disponíveis que
melhoram sua performance também no aspecto ambiental.
Ghoneim (2006) explora as principais características construtitivas e de
operacionalidade de uma central de bombeamento acionada por energia solar através de
painéis constituídos por célulcas fotovoltaicas. Realiza diversas experiências visando verificar
potenciais melhorias em sua performance. Esta central localiza-se no College of
Technological Studies em Shuwaikh, no Kuwait. É desenvolvida também uma ferramenta
computacional com a finalidade de monitorar a operação e mostrar potenciais melhorias no
funcionamento deste equipamento submetido a diversas condições de isolação, ao longo de
um período de um ano.
Ugursal
et al (2006) também realiza estudo sobre as células a combustível aplicadas
aos sistemas micro-cogerativos em residências, hospitais e hotéis que necessitam de potência
e calor até, aproximadamente, 30 [kW]. Os ciclos cogerativos analisados tratam-se da união
de células a combustível com micro turbinas a gás e/ou motores de combustão interna.
12
Características quanto à performance, benifícios ambientais, e custo de instalação e operação
são também avaliados.
Micro-Turbinas a Gás
Environment Protection Agency (2002) desenvolve um estudo sobre a caracterização
das micro turbinas a gás no contexto de energia alternativa, apresentando suas principais
características técnicas quanto aos seus componentes, operação, aplicações e custos.
Antonio et al (2003) ressalta as micro turbinas a gás como uma das alternativas de
energia economicamente viáveis, conforme o novo contexto energético de
desregulamentação, privatização, maior preocupação ambiental e restrições da oferta de
energia obtida pelos meios convencionais no Brasil, bem como um estudo de caso de uma
unidade instalada no Nordeste operando com gás natural num ciclo cogerativo.
Pavlas
et al (2005) conduz o estudo de melhoria do projeto e aumento de potência de
uma micro turbina a gás, com a adequação de um câmara de combustão para operar com
diferentes combustíveis (gás natural e gás de biomassa). Este estudo é parte integrante de um
projeto de pesquisa visando otimizar o desempenho de ciclos combinados aplicados na
industria, onde diferentes arranjos dos componrnetes de micro turbinas a gás são testados
(compressror, câmara de combustão e turbina e gás). Conclui que o uso do ciclo combinado
de calor e potência, usando gás de biomassa é a melhor opção. Deste estudo, desenvolve uma
metodologia sobre “repotenciação de micro turbinas a gás” apresentando esquemas
alternativos para outros casos, tais como: ciclos cogerativos à gás natural; ciclo de produção
de calor usando biomassa; ciclo de produção de eletricidade usando biomassa; e ciclo
combinado usando biomassa. A vantagem destas alternativas é não ser necessário trocar o
compressor ou a turbina.
Poullikkas (2006) realiza um estudo sobre custo e benefício de tecnologias de geração
distribuída para sistemas isolados, com destaque para as micro turbinas a gás e motores de
combustão interna. Mostra também que, dependendo do mercado consumidor regional, o
custo das micro turbinas a gás ainda é maior do que dos motores de combustão interna,
porém, que este quadro está mudando mundialmente.
Câmaras de Combustão
Bicen et al (1988) realizam testes experimentais para avaliar potenciais modificações
no projeto de uma câmara de combustão do tipo anular de uma miicro turbina a gás de
helecoptero, a fim de adequar seu funcionamento utilizando um combustivel alternativo, neste
caso, o gás natural com razões ar / combustível variando de 29:1 a 37:1. Mostra-se que a
13
ancoragem da chama neste tipo de câmara de combustão é significativamente mais afetada
pela localização dos orifícios primários do que em relação ao processo termo-químico, porque
afetam a geração e a migração de vórtices a partir do tubo de chama até a zona de combustão.
Stickles
et al (1993) descrevem os resultados dos ensaios realizados pelo Centro de
Propulsão Aéreo e Naval dos EUA em 27 tipos diferentes de injetores. Determina os
principais fatores que afetam diretamente o controle das emissões de poluentes para câmaras
de combustão que utizem combustíveis líquidos. Este estudo convergiu para a obtenção de um
United States Patent 6543235 em 2003.
Environment Protection Agency (1993) define os limites aceitáveis de emissão de
poluentes, conforme a potência instalada e o tipo de combustível, bem como estabelece as três
regras básicas para controle de emissões de poluentes: Injeção de água e/ou vapor na exaustão
das câmaras para emissões médias entre 25 (ppmv) a 45 (ppmv) para o gás natural e entre 42
(ppmv) a 75 (ppmv) para os óleos combustíveis; Mudança no projeto das câmaras de
combustão para operar com pré-mistura ou combustão em multi estágios para emissões
médias entre 9 (ppmv) a 25 (ppmv) para o gás natural e entre 25 (ppmv) a 42 (ppmv) para os
óleos combustíveis; e redução catalítica com a injeção de amônia (NH
3
) para emissões
médias entre 25 (ppmv) a 42 (ppmv) para o gás natural e, no mínimo, 18 (ppmv) para os óleos
combustíveis.
Allen (1998) expõe os principais procedimentos para o projeto de tubos de chama de
baixa emissão de NOx e as condições para a estabilização da chama, bem como a
dependência da combustão quanto ao estado físico do combustível. Mostra-se uma técnica
que permite controlar a mistura ignitável a fim de evitar os picos de temperatura da chama, os
quais estão diretamente relacionados com a formação de NOx térmico.
Wahabayashi (2002) realiza um estudo sobre as câmaras de baixa emissão do tipo
DLN (Dry Low NOx). Mostra que a performance destas câmaras de combustão pode ser
melhorada quando usam gás natural como combustível, uma vez que o mesmo já apresenta
baixas emissões.
Israel Institute of Technology (2003) é um dos grupos internacionais reunidos
(Imperial College of Science Technology & Medicine (ICSTM), CINAR Ltd. (CINAR),
Instituto Superior Técnico de Portugal (ISTP), Institute of Fundamental Technological
Research (IPPT-PAN), ANSALDO Ricerche Srl, B&B AGEMA Gmbh (B&B_AGEMA),
Rheinish-Westfaelische Technische Hochschule Aachen (RWTH), e Caldaie Italy (CCA-I))
para desenvolver um projeto de uma câmara de combustão de baixa emissão, conhecida como
Floxcom, a partir da modificação do projeto original de uma câmara de combustão do tipo
14
anular para turbinas a gás. Este estudo abrange a realização de uma bateria de testes
experimentais para a validação da análise teórica e numérica (CFD), onde se efetua a
visualização das distribuições de pressão e temperatura para caracterizar as perdas de carga e
a posição da chama. São realizadas validações tanto sob o aspecto aerodinâmico e termo-
aerodinamico, comparando distribuições de velocidade e temperatura. Os estudos revelam que
a novo projeto de câmara de combustão pode apresentar estabilidade da chama, seja para uma
maior escala de razão de equivalência ar / combustível, seja para maior escala de pressões, o
que pode permite a obtenção de menores emissões de NOx.
Combustão
Lefebvre e Reid (1966) realizam um estudo sobre a influência do escoamento
turbulento sobre o comportamento de chama produzida pela combustão de propano. Realiza-
se o levantamento dos campos de velocidade e de temperatura, para caracterizar a propagação
da chama. Verifica-se que a turbulência afeta o alcance da chama, dependendo da velocidade
inicial do escoamento e da temperatura inicial da mistura ar /combustível no injetor.
Fenimore
et al (1987) realizam estudos experimentais e numéricos sobre o mecanismo
de formação do NOx em chamas difusivas produzidas pela combustão de diversos
combustíveis gasosos (CO/H
2
/N
2
, CO/H
2
/CO
2
, e CO/H
2
/Ar) injetados em uma câmara de
combustão com jato turbulento à presssão atmosférica. Identifica-se que nas zonas de maior
temperatura, forma-se a maior parte do NOx, cuja taxa de formação diminui de 2,5 para 1,4 se
a pressão dos jatos das misturas no injetor aumentarem de 1 [atm] para 10 [atm],
respectivamente.
Smith
et al (1992) realizam um extenso trabalho experimental para a determinação da
estrutura de chamas não pré-misturadas com o levantamento da temperatura da chama para
diferentes combustíveis.
Dupont e Williams (1998) realizam estudos experimentais em chamas verticais para
analisar as taxas de produção de NOx. A razão de equivalência (inverso da razão ar /
combustível) adotada é igual a 1,9. Verifica-se que a taxa de produção do NOx é alta nas
regiões com baixa temperatura (da ordem de 1900 [K]) e baixa concentração de OH,
localizadas no meio de chamas pré-misturadas e em regiões de alta temperatura ( da ordem de
2200 [K]) e alta concentração de OH localizadas na parte externa de chamas não pré-
misturadas. Além disso, as maiores taxas de produção de NO está na região externa da chama
pré-mistura.
15
Borbely
et al (2001) realizam um estudo termodinâmico do processo de combustão
para diversos combustíveis, bem como fornecem dados empíricos das propriedades físicas dos
combustíveis, segundo a temperatura da chama.
Tomczak
et al (2002) descrevem o comportamento da chama em câmara de
combustão do tipo tubular operando com combustível formado por diferentes concentrações
de hidrogênio e metano. Constata-se que o durante o aumento gradativo de hidrogênio na
mistura ignitável, acarreta: diminuição do alcance da chama; aumento da temperatura da
chama; aumento das emissões de NOx até 3,5 vezes maiores do que usando somente gás
metano; e aumento das emissões de CO.
Wakabayashi
et al (2002) desenvolvem um estudo sobre os mecanismos de controle
das emissões sobre o projeto de uma câmara de combustão do tipo tubular, utilizando
diferentes combustíveis.
Cozzi e Coghe (2006) analisam os efeitos do hidrogênio em uma chama produzida
pela combustão do gás natural em condições não pré-misturada em uma câmara de combustão
do tipo tubular. As concentrações do hidrogênio variam de 0% a 100% em volume e são
realizadas medições nas concentrações de NOx e CO, bem como o levantamento do campo de
temperatura. Este estudo permite constatar que durante o aumento da concentração do
hidrogênio: a) uma chama mais curta e de cor tendendo para azul; b) um jato de combustível
com maior penetração na zona de queima (a velocidade do combustível tende a ser maior do
que a velocidade da chama); c) um acréscimo das emissões de NOx e CO para concentrações
de hidrogênio até 80% devido à maior velocidade de queima (função da razão velocidade do
escoamento pela velocidade da chama) na câmara, operando em condições não-
estequiométricas; e d) aumento da estabilidade da chama nas condições limites de operação da
câmara.
Ilbas
et al (2006) analisam os efeitos das misturas ar-hidrogênio e ar-hidrogênio-
metano no projeto e na performance das câmaras de combustão. Consideram-se chamas com
escoamento laminar produzidas para diferentes razões ar / combustível variando desde 100
[%] de hidrogênio até 100 [%] de metano, em temperatura ambiente e razões de equivalência
variando entre 0,8 a 3,2. Este estudo verifica a influência da composição química na natureza
e estrutura da chama, bem como constata que diminuindo o percentual de hidrogênio nas
misturas ar-hidrogênio-metano, pode ocorrer um aumento na velocidade da chama e aumenta
o intervalo entre os limites de flamabilidade. O teste experimental revela que é possível
elaborar um combustível alternativo competitivo economicamente, usando-se misturas
hidrogênio-metano com 30 [%] de hidrogênio e 70 [%] de metano.
16
Modelagem Computacional
Svehla e McBride (1973) desenvolvem um algoritmo conhecido como Método Lewis
NASA que consiste de um programa interativo capaz de realizar a análise termo química para
algumas reações de combustão a partir do levantamento do equilíbrio termodinâmico e do
equilíbrio de massas das espécies químicas. Serviu de base para a concepção dos programas
para análise química de reações CHEMKIN® e GASEQ®.
Lee
et al (1990) determinam os campos de velocidade e temperatura em um modelo
genérico de câmara de combustão em função do tipo de malha, da quantidade de elementos,
do modelo de combustão FRCM (“Fast Rate Chemistry Model”) com Modelo PDF
(“Probability Density Function”) para as emissões de NOx e FM (“Flamelet Model”), e dos
modelos de turbulência k-
ε, RNG k-ε e Reynolds Stress Model (RSM), aplicando o Método
de Elementos Finitos.
Siegel e Howell (1992) realizam a simulação da transferência de calor por radiação
nos processos de combustão para câmaras de combustão para turbinas a gás. Apresentam o
modelo PDF para simular o mecanismo de formação de NOx, bem como propõem equações
semi-empíricas, seguindo os conceitos sobre os mecanismos de formação do NOx
apresentados por Lefebvre (1983), para estimar as concentrações de NOx em diferentes
regiões das câmaras de combustão e estimar o tempo de residência química.
Fuller e Smith (1994) determinam o campo de temperaturas e velocidades em duas
fases: a primeira contempla o escoamento da chama em um difusor do tipo “Spray” e a
segunda fase consiste em uma câmara de combustão tubular. Utiliza-se modelo de radiação
Discrete Transfer, modelo de combustão EDM (“Eddy Dissipation Model”), modelo de
escoamento turbulento RNG k-
ε e o modelo de emissão de NOx de Zeldovich. A
discretização é obtida utilizando-se o Método de Volumes Finitos.
Hamer e Roby (1997) aplicam o software STAR CD CFD com modelo de combustão
EDM (“Eddy Dissipation Model”), considerando reações com 5 etapas, na simulação do
processo de combustão do gás metano em um modelo 3D de uma câmara de combustão
tubular, descrevendo os campos de temperatura e de emissão de NOx e COy na exaustão. Este
estudo representa um dos primeiros trabalhos focando os efeitos tridimensionais no
escoamento ao redor de chamas.
Sparlat et al (1997) desenvolvem um trabalho sobre as técnicas de solução das
equações de transporte de massa e calor no formato diferencial parcial reunindo em uma única
metodologia as características das técnicas RANS (“Reynolds Averaged Navier Stokes”) e
17
LES (“Large Eddy Simulation”). Esta metodologia, que utiliza uma técnica híbrida entre
RANS e LES, é conhecida hoje por DES (“Detached Eddy Simulation”).
Teodora
et al (1998) efetuam uma investigação experimental sobre o efeito do tempo
de residência do escoamento na formação de NOx durante a combustão do metano com
chama pré-misturada, com temperatura de chama de 1803 [K] em um reator com injetor de
jato rotativo de alta pressão. Obteve como resultados: a) quanto menor o tempo de residência
do escoamento, maior a formação de NOx; e b) o tempo de residência do escoamento
praticamente não afeta a emissão de CO. Para este tipo de combustão, o tempo de residência
pode variar entre 5 [ms] a 40 [ms] em escoamento turbulento.
Yadigaroglu
et al (1998) realizam um estudo aerodinâmico, aplicando três modelos de
turbulência: k-
ε, RNG k-ε (“Renormalization for k-ε“) e RSM (“Reynolds Stress Model”).
Descrevem a influência das perdas de carga na emissão dos gases poluentes, concluindo que o
tempo de residência dos gases pode ser acrescido com o aumento da perda de carga. Realizam
a simulação do escoamento de uma câmara tubular dotada de um injetor, a qual é discretizada
por uma malha com 7320 elementos hexaédricos, bem como demonstram que os modelos de
turbulência RNG k-
ε e RSM apresentam precisão satisfatória, quando comparados com dados
experimentais. Contudo, não aplicam o modelo SST (“Shear Stress Model”).
Melick e Kersch (1999) também realizam um estudo técnico e econômico sobre a
viabilidade para adaptar câmaras de combustão para operar com diferentes combustíveis.
Utilizam câmaras de combustão tubular para as turbinas a gás fabricadas pela Environment
and Energy Research Corporation (EERC) nos EUA. Mostram que é possível reduzir as
emissões de poluentes com a melhoria na performance destes equipamentos.
Gosselin
et al (2000) aplicam o cálculo CFD em um modelo 3D de uma câmara de
combustão do tipo Cilíndrica ou Tubular GHOST, fabricada pela Lucas Gas Turbines
Company, USA, com a finalidade de comparar os campos de temperatura com os resultados
experimentais. O modelo 3D adotado contempla apenas um setor seccionado por um ângulo
de 60° ou 1 / 6 do equipamento, porque existem 6 injetores distribuídos simetricamente,
admitindo que o processo de combustão é simétrico, livre dos efeitos da convecção, usando
Modelo PDF (“Probability Density Factor”), que consiste em modelo estatístico apto para
simular chamas com escoamento turbulento.
Louis
et al (2001) realizam uma simulação em CFD para um modelo, com a finalidade
para prever as condições não adiabáticas de uma chama não pré-misturada turbulenta em uma
câmara de combustão cilíndrica resfriada a ar para um modelo de turbina a gás com potência
de 16 [kW]. O fluido de trabalho trata-se de um gás combustível constituído por 40 [%] de
18
CO, 40 [%] de H
2
e 20 [%] de N
2
com poder calorífico inferior de 11,9 [MJ/kg]. São testados
dois modelos de turbulência: k-ε e RSM. Desenvolve-se um código para simular a combustão
não adiabática conhecida como FIRS, que é embutido no código CFD, e consiste numa
modificação do código interno usado para definir a variável de acompanhamento da reação
durante a combustão, conhecida como FRS. Adota-se o modelo de emissão NOx Térmico de
Zeldovich. Constata-se que o modelo FIRS apresenta satisfatória precisão, quando comparado
aos resultados experimentais sobre as emissões de NO, CO, CO
2
, O
2
, bem como os campos de
temperatura, considerando as perdas de carga no sistema.
Ximming (2001) implementa um estudo sobre modelos de reação com menor número
de etapas sobre a combustão de hidrocarbonetos. Analisa seus efeitos sobre a estabilidade da
chama e emissões, comparando o resultado numérico com informações experimentais.
Gurgel
et al (2002) aplicam CFD no estudo sobre o projeto e o desempenho de uma
câmara de combustão do tipo tubular para micro turbina a gás, mostrando resultados
satisfatórios, quanto à precisão sobre a temperatura, a velocidade e a pressão para caracterizar
a chama e as perdas de carga, respectivamente. A posição da chama é afetada pelos
“Swirlers”.
Gurgel
et al (2002) realizam uma modelagem numérica em câmara de combustão do
tipo tubular para micro turbina a gás, identificando que o tempo de residência aumenta com a
ação do “swirler”.
Lai
et al (2002) apresentam resultados preliminares do pacote comercial ACT
desenvolvido pela Honeywell Engines e Systems & Services no estudo de otimização de
câmaras de combustão dos tipos tubular, anular e turbo-anular. As principais características
do ACT são: a) Redução no tempo de geração da geometria e da malha; b) Eliminação de
configurações complexas para a definição do domínio físico, condições de contorno e de
convergência, apresentando uma boa biblioteca de cálculos; c) Facilidade de uso; e d) Boa
precisão dos resultados.
Lyckama
et al (2002) apresentam um estudo preliminar sobre a influência da mistura
ignitável na eficiência e na estabilidade da chama em uma câmara de combustão usando
inicialmente gás natural e adaptada para admitir quantidades progressivas do gás de biomassa.
A simulação é executada em CFD com o detalhamento das reações químicas pelo software
GRI 3.0. O modelo de combustão usado é FRCM (“Finite Rate Combustion Model”),
conhecidas as taxas de reação das espécies.
Nickolaus
et al (2002) realizam a simulação termo-aerodinâmica de modelos 2D e 3D
de um setor com ângulo de 24° de uma câmara de combustão do tipo tubular dotada de um
19
injetor de combustível do tipo Airblast, utilizando malha hexaédrica com 370000 elementos.
Realizam a validação da malha e do modelo de escoamento turbulento RNG k-ε, do modelo
de combustão EDM (“Eddy Dissipation Model”), modelo de radiação Discrete Transfer
Model, comparando a temperatura da parede do tubo de chama com dados experimentais,
com precisão satisfatória de 5 [%] de desvio.
Arioli e Koch (2003) desenvolvem um trabalho de modelagem da combustão que
utiliza a Equação Kuramoto-Sivashinski para calcular o termo fonte na equação de espécies
(isto é, reação química).
Davidson (2003) desenvolve um extenso trabalho sobre os principais modelos de
turbulência utilizados pelo CFD, apresentando o equacionamento básico para a dedução de
alguns modelos de turbulência, com destaque para k-
ε, RNG k-ε, Modelo de Tensões de
Reynolds – RSM e o Modelo SST k-ω (“Shear-Stress-Transport”).
Rutland e Rao (2003) apresentam um estudo de caso sobre combustão do tipo pré-
misturada com escoamento turbulento, aplicando o modelo de combustão FM. Este estudo
contempla também o levantamento do tempo químico da reação para o gás metano.
Vandebroek
et al (2003) exploram um modelo numérico baseado na cinética química,
com a função de prever a temperatura de auto-ignição dos gases usados como combustíveis
em câmaras de combustão do tipo tubular.
Cristina e Tuccilo (2004) apresentam um estudo comparativo de diferentes modelos de
câmaras de combustão (tubular, tubular com pré-mistura, e anular) para diferentes condições
para admissão do ar, aplicando os modelos de combustão EDM e FRCM. São obtidos os
campos de emissão de poluentes e temperatura na exaustão, mostrando que a perda de carga é
menor na Anular, onde a estabilidade da chama e o tempo de residência são afetados pelos
orifícios de ar localizados nas superfícies laterais do tubo de chama.
Jiang e Campell (2004) apresentam uma análise comparativa quanto aos campos de
velocidade, pressão e temperatura entre os modelos de combustão EDM com PDF e FRCM
em uma câmara de combustão tubular para domínio 2-D e 3-D, usando o software FLUENT,
com modelos de turbulência K-
ε e RSM, e o modelo de emissão de NOx de Zeldovich. Os
resultados obtidos numericamente são comparados com dados experimentais, onde os
modelos de combustão EDM e PDF apresentam melhor precisão do que o FRCM.
Koutsenko
et al (2004) aplicam o cálculo CFD na análise da combustão e o
levantamento das emissões de NOx em um modelo de câmara tipo tubular, usando o
ferramental do TASC Flow. Mostra que o cálculo CFD é um aliado no projeto otimizado
20
desta câmara, na medida que os resultados são obtidos mais rapidamente do que os dados
experimentais.
Parente
et al (2004) apresentam resultados preliminares no desenvolvimento de um
projeto de câmara de combustão tubular para micro turbinas a gás comparando dados
experimentais com dados obtidos pelo cálculo CFD, usando FLUENT com modelos de
Turbulência k-e e RSM, modelos de combustão FRCM e EDM para a reação do metano até 2
etapas, cujo balanço químico para obtenção das concentrações das emissões de NOx são
obtidos pelo CHEMKIN 3 para domínios 2-D e 3-D.
Enfim, a partir da revisão bibliográfica, verifica-se que a maioria dos artigos
apresentados se aplicam ao estudo termo aerodinâmico de câmaras de combustão do tipo
tubular para turbinas a gás, existindo poucas referências sobre a aplicação da Dinâmica de
Fluidos Computacional aplicada para câmaras de combustão do tipo anular para micro
turbinas a gás, cujas características operacionais são comparadas com outros equipamentos,
que podem ser utilizados para a geração distribuída de energia térmica e elétrica no capítulo 2,
tais como turbinas a gás, células de combustível, células solares, motores de combustão
interna e baterias químicas.
Neste contexto, a metodologia necessária para o estudo do comportamento de câmaras
de combustão do tipo anular para turbinas a gás é apresentada nos capítulos 3 e 4, a qual
permite obter uma visualização tridimensional das distribuições de velocidade, pressão e
temperatura, quando a câmara é operada com gás natural em regime permanente e carga
nominal, como é apresentado no capítulo 5.
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Apêndice G
RESUMO DOS ARTIGOS DESENVOLVIDOS
Nesta seção, desenvolve-se uma breve apresentação dos artigos implementados pela
Tese de Doutorado e que têm participação em congressos internacionais e publicação em
periódicos, em ordem cronológica.
G.1 Publicações em Congressos
(1) Alencar H. S., Villanova H. F., Antonio Rosa M. N, 2004, Preliminary Application
of CFX as Tool in the Aerodynamic Study of Combustion Chamber for Micro Gas Turbine,
International Conference of Computational Methods in Sciences and Engineering
,
Vouliagmeni-Kavouri, Attica, Greece, 19-23 August, www.wseas.org
.
Resumo:
O uso de micro turbinas a gás representa ser uma alternativa energética promissora na
medida que pode prover eletricidade em regiões isoladas, ao mesmo tempo, assistir a
crescente demanda de energia regional no Brasil, onde mais de 10 % da energia elétrica
gerada provem de centrais termelétricas. Além disso, considerando a existência de programas
ambientais para o controle da emissão dos agentes poluentes NOx, CO e SOx, as pequenas
centrais termelétricas por operarem com combustíveis de baixo poder calorífico, é necessário
a melhoria da combustão na medida de controlar problemas associados à: instabilidade da
chama; limites de flamabilidade; natureza da chama; e as altas taxas de emissão de poluentes
durante a combustão. Quaisquer que sejam estes problemas, o estudo aerodinâmico das
câmaras de combustão é relevante na medida que a formação de regiões onde a recirculação
se faz presente, pode afetar o tempo de residência da chama e, conseqüentemente, a eficiência
da combustão.
Considerando o progresso no desenvolvimento de modelos matemáticos mais
sofisticados para simular o comportamento da combustão nas turbinas a gás, não existe uma
aplicação específica nas câmaras de combustão do tipo anular para micro turbinas a gás,
somente nas câmaras do tipo cilíndrica ou tubular para grandes turbinas a gás.
Desta forma, este trabalho realiza um estudo aerodinâmico comparativo entre
diferentes modelos de escoamentos com a proposta de determinar o melhor modelo que tenha
capacidade para descrever o comportamento aerodinâmico de uma câmara de combustão do
tipo anular usando um combustível de baixo poder calorífico, aplicando o cálculo CFD via o
pacote comercial CFX v 5.7
®.
(2) Alencar H. S., Villanova H. F., Antonio Rosa M. N, 2005, CFX Application to the
Modeling of Combustion Chamber for Micro Gas Turbines, ANSYS Latin American Users
Conference, São Paulo, Brasil, 10-11 August.
Resumo:
Devido à flexibilidade e à facilidade de programação, este trabalho aplica o cálculo
CFD usando CFX na simulação do comportamento da chama gerada por um modelo da
câmara de combustão. Esta câmara gera a energia necessária para operar um protótipo de
micro turbina de gás com potência até 30 quilowatts, a qual está instalada no laboratório do
núcleo de sistemas térmicos - NEST - na Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI. Esta
micro turbina de gás é fabricada pela Harvester Company com identificação T-62T-32. Para
isto, o CFX é usado para levantar os campos de velocidade, pressão e temperatura. Desta
forma, mostra-se que os resultados obtidos podem ser uma referência para validar o CFX
como uma ferramenta computacional promissora para o desenvolvimento de pesquisa de
extensão, Dissertações e Teses na UNIFEI.
(3) Alencar H. S., Villanova H. F., Antonio Rosa M. N., 2005, Modeling Of Annular
Combustion Chambers Using CFD, 3rd IASME / WSEAS International Conference on Heat
Transfer, Thermal Engineering and Environment, Corfu, Greece, 20-22 August.
Resumo:
O principal objetivo deste trabalho é mostrar dois modelos de combustão aplicados em
uma câmara de combustão anular para micro turbinas de gás, considerando os aspectos sobre
a velocidade, a pressão e a temperatura, que podem ser usados para caracterizar o
comportamento da chama e seus efeitos na emissão de poluentes e na eficiência da
combustão, uma vez que o mesmo tem apresentado resultados satisfatórios baseados em
outros trabalhos usando simulações em câmara de combustão do tipo tubular. O domínio
geométrico é similar ao protótipo de uma câmara de combustão desenvolvida pela Harvester
Company, modelo T-62T-32. A simulação térmico-aerodinâmica é executada pelo CFD
usando os modelos da combustão: Eddy Dissipation Model - EDM e o Flamelet Model -
FLM. O modelo de turbulência é o RNG K-e. O modelo da radiação é P1 usando o modelo da
emissão de NOx de Zeldovich para o metano com 2 etapas da reação química. Nesta câmara
de combustão anular, os injetores têm um ângulo de inclinação e, relação ao eixo principal da
câmara de combustão, e há um fluxo secundário com movimento giratório. Desta forma, há
uma recirculação próxima à zona da combustão, a qual pode permiter o aumento do tempo de
residência da chama, a qual pode ser pouco difusa e com transferência uniforme de calor por
convecção e por radiação.
(4) Alencar H. S., Villanova H. F., Antonio Rosa M. N., 2005, Analysis of Flame
Behavior in Small Combustion Chambers Using CFD, Proceedings of COBEM 2005
, 18th
International Congress of Mechanical Engineering by ABCM, Ouro Preto, Brazil, 6-11
November.
Resumo:
O uso das micro turbinas a gás na eletrificação regional no Brasil é uma alternativa
energética promissora na medida que pode ser instalada em qualquer lugar, com potência até
300 quilowatts e com pequenas dimensões. Embora, alguns limites sejam conhecidos, tais
como: sua baixa eficiência (até 30 %); instabilidade da chama; e emissões de agentes
poluentes, seu projeto otimizado depende da análise do comportamento da chama. Desta
forma, muitos fabricantes têm procurado melhorar o desempenho destes equipamentos a partir
de testes experimentais e numéricos Assim, é possível definir os efeitos criados pela:
geometria (cilíndrica ou anular); quantidade e posição dos injetores; caracterização das
chamas (difusão ou turbulentas); quantidade de etapas para as reações químicas; e emissão de
poluentes e incombustos. Por causa disso, este trabalho mostra um estudo particular sobre o
comportamento da chama gerada em um modelo de micro turbina a gás com câmara de
combustão do tipo anular, e a simulação termo-aerodinâmica usando o CFD. Os resultados
são baseados nas distribuições de velocidade, pressão e temperatura. O líquido de trabalho é o
metano com combustão até 2 etapas. Os modelos matemáticos usados estudam o escoamento,
a combustão e a transferência de calor por radiação, tais como: Modelo de turbulência RNG
K-e; Modelo de Combustão - EDM; e o modelo da radiação P1.
(5) Alencar H. S., Villanova H. F., Antonio Rosa M. N., 2006, The Mathematical
Approximation in Numerical Analysis for a Combustion Chamber for Small Gas Turbines
Using CFD, 1st IASME / WSEAS International Conference on Heat Transfer, Computational
Heat and Mass Transfer, Miami, FL, USA, 18-20 January.
Resumo:
A aplicação da aproximação matemática nas simulações numéricas para conhecer o
comportamento de certos fenômenos físicos é um caminho promissor com baixos custos,
considerando a existência de computadores rápidos. Desta forma, os projetistas de turbinas a
gás têm usado esta importante ferramenta para melhorar a performance dos equipamentos e
viabilidade econômica, em particular, das câmaras de combustão, principalmente em função
do comportamento da chama e seus efeitos na estrutura, depedendo do combustível usado e
do domínio geométrico. Neste trabalho, apresentam-se algumas destas aproximações
matemáticas usadas pelo Cálculo da Dinâmica de Fluidos – CFD no estudo do
comportamento da chama, considerando os modelos de escoamento, de combustão, de
transferência de calor por radiação e modelos de emissão de NOx, os quais são típicos para
câmaras de combustão do tipo anular. A analise dos resultados é feita considerando aspectos
quanto a distribuição de pressão, velocidade e temperatura para uma pequena turbina a gás
desenvolvida pela Harvester Company, Modelo T-62T-32, instalada na Universidade Federal
de Itajubá – UNIFEI.
(6) Alencar H. S., Villanova H. F., Antonio Rosa M. N., 2006, Computational Fluid
Dynamic Applied To Combustion Chamber For Small Gas Turbines Using Natural Gas,
Proceedings of the 11
th
Brazilian Congress of Thermal Sciences and Engineering – ENCIT,
Braz. Soc. of Mechanical Sciences and Engineering – ABCM, Curitiba, PR, Brasil, 12-14
December.
Resumo:
Este trabalho enfoca o desenvolvimento de um procedimento prático utilizado
softwares comerciais para estudar o comportamento da chama (escoamento ecombustão) em
uma câmara de combustão anular para micro turbina a gás, visando verificar sua
adaptabilidade e viabilidade econômica para usar diferentes tipos de combustiveis. Para isso,
utiliza-se como combustível o gás metano para representar o gás natural, cuja composição
química é feita por 88 [%] em volume de metano. Entre os softwares aplicados, destacam-se:
GateCycle
®
, o qual é útil para calcular os parâmetros termodinâmicos da câmara de
combustão para um ciclo de micro turbina a gás; Gaseq
®
, o qual é útil para calcular as reações
químicas e a concentração de reagentes e produtos, afim de estimar as emissões; e CFX
®
, o
qual é útil para simular a dinâmica de fluidos, a combustão, transferência de calor por
radiação e emissões. A combustão em CFD é simulada através do modelo EDM (“Eddy
Dissipation Model”) com duas etapas de reação química para o metano. A turbulência é
simulada utilizando-se o modelo RNG k-ε. A transferência de calor por radiação é simulada
pelo Método P1 e as emissões de NOx são obtidas usando-se os modelos de Fenimore e
Zeldovich. Os resultados numéricos esperados são os campos de velocidade média, pressão
média relativa e temperatura média, para caracterizar as perdas de carga e o volume da chama.
Desta forma, torna-se possível determinar: os parâmetros que afetam a posição da chama; a
temperatura máxima da chama; a temperatura do gás quente na exaustão; os efeitos dos
injetores; os efeitos da chama do gás metano no projeto; e o valor preliminar da eficiência da
câmara de combustão. Além disso, apresenta-se um típico processo de validação para o CFD
em câmara de combustão com domínio tridimensional.
G.2 Publicações em Periodicos
(1) Alencar H. S., Villanova H. F., Antonio Rosa M. N, 2004, Preliminary Application
of CFX as Tool in the Aerodynamic Study of Combustion Chamber for Micro Gas Turbine,
Extended Version, Lecture Series on Computer and Computational Sciences – European
Society of Computational Methods in Sciences and Engineering, VSP International Sciences
Publishers, Vol. 1, ISSN 1573-4196, Netherlands, pp. 16-19, http://www.vspub.com
Resumo:
Trata-se de uma versão extendida do artigo apresentado no International Conference
of Computational Methods in Sciences and Engineering (ICCMSE 2004) na Grécia, agosto de
2004. Detalha o estudo aerodinâmico realizado em uma câmara de combustão do tipo anular
objetivando verificar qual modelo de turbulência tem maior representatividade do escoamento
interno neste equipamento.
(2) Alencar H. S., Villanova H. F., Antonio Rosa M. N, 2005, Numerical Analysis Of
Annular Combustion Chambers Using CFD, IASME TRANSACTIONS Issue 8, Volume 2,
ISSN 1790-031X, pp1350-1360, http://www.iasme.org
.
Resumo:
A análise numérica tem sido mostrada ser uma ferramenta promissora para a
engenharia estudar fenômenos físicos particulares sem custos adicionais com relação aos
testes experimentais. Adicionalmente, o uso das micro turbinas a gás é uma promissora
alternativa energética ao desenvolvimento regional do Brasil. Desta forma, considerando os
resultados satisfatórios já obtidos pelas simulações em câmaras de combustão do tipo tubular
usando o cálculo CFD, este trabalho têm como principal objetivo mostrar dois modelos da
combustão aplicados para uma câmara de combustão do tipo anular, considerando os aspectos
sobre a velocidade, a pressão e a temperatura, que podem ser usados para caracterizar o
comportamento da chama e seus efeitos sobre a emissão de poluentes. Para isto, o domínio
geométrico é similar ao protótipo de uma pequena câmara de combustão fabricada pela
Harvester Company, modelo T-62T-32. A simulação térmico-aerodinâmica é executada pelo
CFD usando os modelos da combustão: Eddy Dissipation Model - EDM e o Flamelet Model -
FLM. O modelo de turbulência é o RNG K-e. O modelo da radiação é P1 usando o modelo da
emissão de NOx de Zeldovich para o metano com 2 etapas da reação química. Nesta câmara
de combustão anular, os injetores têm um ângulo de inclinação e, relação ao eixo principal da
câmara de combustão, e há um fluxo secundário com movimento giratório. Desta forma, há
uma recirculação próxima à zona da combustão, a qual pode permiter o aumento do tempo de
residência da chama, a qual pode ser pouco difusa e com transferência uniforme de calor por
convecção e por radiação.
(3) Alencar H. S., Villanova H. F., Antonio Rosa M. N., 2006, The Mathematical
Approximation in Numerical Analysis for a Combustion Chamber for Small Gas Turbines
Using CFD, Extended Version, WSEAS Transactions on Heat and Mass Transfer, Issue 2,
Volume 1, ISSN 1790-5044, pp135-143, http://www.wseas.org
.
Resumo:
Trata-se de uma versão extendida do artigo apresentado no 1st IASME / WSEAS
International Conference on Heat Transfer, Computational Heat and Mass Transfer em
Miami, janeiro de 2006. Detalha o estudo do comportamento da chama produzida em uma
câmara de combustão do tipo anular, a partir do levantamento das distribuições de
temperatura, velocidade e pressão. Mostra-se as aproximações matemáticas que detêm
melhores resultados com relação à precisão, seja na simulação da turbulência, da transferência
de calor por radiação, no processo de combustão e na formação do NOx.
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