Este capítulo apresenta e discute os resultados obtidos, os quais permitem quantificar o efeito da temperatura de pré-aquecimento do ar de combustão, Taq, e do coeficiente de excesso de ar, λ, ao qual está associado uma variação na velocidade de entrada do ar de combustão, va.
3.1 Procedimentos e condições de operação da câmara de
com-bustão
O pré-aquecimento da câmara de combustão era iniciado com uma potência térmica de aprox-imadamente 6 kW, sendo esta potência aumentada gradualmente até à potência nominal de 8 kW. O ar de combustão era injectado a 300 K, não se tendo detectado problemas ao nível da instabilidade da chama em todo o processo de combustão. O pré-aquecimento da câmara de combustão, desde a temperatura ambiente até temperaturas de cerca de 850oC na parede, demorava cerca de uma hora e trinta minutos, podendo ser mais rápido se se pré-aquecesse o ar de combustão.
Na fase de pré-aquecimento da câmara de combustão, para valores de λ relativamente baixos e temperaturas de pré-aquecimento do ar de cerca de 300 K, a chama encontrava-se ligeiramente afastada do queimador, tinha uma coloração azulada e uma forma anular (figura 3.1). Para estas circunstâncias observou-se um escoamento azulado na direcção da exaustão, indicando uma baixa eficiência da combustão. A posteriori, através das medidas de concentração de espé-cies químicas na exaustão, confirmaram-se elevadas emissões de hidrocarbonetos na exaustão
para valores de λ até ≈ 1,3. Estas emissões resultam das relativamente baixas velocidades de entrada do ar (inferiores a 25 m/s), associadas a estas condições de operação. A quantidade de movimento do jacto de ar não era suficientemente elevada para impedir que o sistema de exaustão arrastasse parte do combustível na corrente dos gases de exaustão.
Figura 3.1: Aspecto da chama durante a fase de pré-aquecimento (lado esquerdo) e para uma condição nominal (lado direito) da câmara de combustão.
Assim, em termos de excesso de ar, considerou-se como limite inferior de operação λ = 1,3. Verificou-se, ainda, uma atenuação gradual da intensidade luminosa da chama para valores crescentes de λ, sendo esta praticamente invisível em determinadas condições como mostra a figura 3.2. A atenuação da intensidade luminosa da chama foi também acompanhada por uma acentuada diminuição de ruído para valores de λ relativamente elevados, para cada condição de temperatura de pré-aquecimento do ar. Estas duas características resultam da mudança de regime de combustão, tal como discutido ao longo deste capítulo. A tabela 3.1 apresenta os limites de operação em termos de excesso de ar da câmara de combustão. Foi considerado como limite inferior o valor de λ = 1,3 pelas razões atrás referidas. Como limite superior de
Figura 3.2: Aspecto da chama para duas condições de operação: lado esquerdo, λ = 1,3 e Taq = 600 K; lado direito: λ = 2,6 e Taq = 600 K. Potência térmica em ambos os casos = 8 kW.
operação da câmara de combustão considerou-se o valor de λ = 3,8, uma vez que para valores mais elevados de λ as temperaturas adiabáticas de chama seriam muito baixas e com pouco significado no âmbito deste trabalho. Verificou-se, contudo, que para condições de Taq = 700 K e Taq = 800 K, o limite de extinção pobre da chama era superior a λ = 3,8.
Taq [K] λ va [m/s] Rear (x10E-04) CO [ppm@15% O2] NOx [ppm@15% O2] 300 1,3 - 2,1 30 - 46 2,10 - 3,28 0 - 1 1 - 15 400 1,3 - 3,1 38 - 91 1,61 - 3,90 1 - 30 2 - 20 500 1,3 - 3,2 48 - 119 1,39 -3,49 1 - 10 2 - 25 600 1,3 - 3,2 58 - 143 1,24 - 3,07 1 - 3 2 - 35 700 1,3 - 3,8 68 - 195 1,14 - 3,23 1 - 3 4 - 38 800 1,3 - 3,8 78 - 222 1,06 - 2,96 1 - 5 9 - 61
Vel. GN: 17,7 m/s; Potência: 8 kW; Pressão: 1 atm
Tabela 3.1: Condições de operação em termos de excesso de ar da câmara de combustão.
Como apresentado na tabela 3.1, os ensaios experimentais foram realizados para uma gama de temperaturas de pré-aquecimento do ar entre 300 e 800 K. Para a menor temperatura de pré-aquecimento do ar, Taq = 300 K, verifica-se que os limites de operação do queimador estão associados ao intervalo mais baixo de velocidades do jacto de ar, 30 ≤ va≤ 46 m/s. À medida que Taqaumenta, o intervalo alarga; admitindo para Taq = 800 K velocidades de entrada de ar superiores, 78 ≤ va ≤ 222 m/s. Este resultado está também implícito nos valores do número de Reynolds1 do jacto de ar, o qual é função da velocidade do jacto de ar e da massa volúmica do ar. O aumento da gama de velocidades de entrada do ar está directamente relacionado com aumento dos valores de λ. O facto de se pré-aquecer o ar de combustão e (como será discutido adiante) existir uma forte recirculação de gases de combustão no interior da câmara de combustão promove uma melhor estabilização e homogeneização da zona de reacção, tanto temporal como espacialmente, permitindo atingir regimes de combustão substancialmente mais pobres.
1
O número de Reynolds é definido de acordo com:
Rear=v.ρ.D
µ (3.1)
Verificou-se ser possível, para todos os valores de Taq, operar o queimador numa vasta gama de valores de λ (grosso modo entre 1,3 e 3,5), assegurando-se, ainda, condições de elevada eficiência da combustão uma vez que nestes intervalos não foram detectados HC na exaustão e as emissões de CO mantiveram-se inferiores a 10 ppm@15% O2.
3.2 Emissões de poluentes
As medidas na exaustão foram corrigidas a 15% de oxigénio, de acordo os padrões das emissões para turbinas a gás, usando a seguinte equação:
X(N Ox/CO)@15%O2 = 21 − 15
21 − [O2]medX(N Ox/CO)med (3.2)
A figura 3.3 mostra a influência de Taq e de va nas emissões de NOx e de CO. No gráfico referente ao NOxestá ainda representada a evolução das emissões a λ constante (λ = 1,4; 1,8; 2,0; 2,6; e 3,0).
3.2.1 Influência de Taq nas emissões de NOx
Na figura 3.3a, para uma evolução a λ constante, verifica-se que as emissões de NOx são menores para valores de Taq mais baixos, aumentando com o aumento de Taq. O gráfico mostra que a temperatura de pré-aquecimento do ar tem maior influência nas emissões de NOx nas condições com valores de excesso de ar realtivamente menores. Por exemplo, para λ = 1,4, a variação das emissões de NOx com Taq é muito mais significativa do que o observado para λ = 2,5.
Este comportamento pode ser explicado tendo em conta o mecanismo de formação térmico de NO e a variação da temperatura adiabática de chama2. Por exemplo, para λ = 1,4 e Taq = 300 K (e pressão atmosférica), a temperatura adiabática de chama é ≈ 1580oC, enquanto para λ 0 1,4 e Taq = 800 K, a temperatura adiabática de chama é ≈ 1880 oC. A formação de NO
2
No presente trabalho recorreu-se ao programa ComGás para o cálculo da temperatura adiabática de chama para diferentes valores de temperatura de pré-aquecimento do ar e coeficientes de excesso de ar.
(a) Emissões de NOx.
(b) Emissões de CO
Figura 3.3: Influência de Taq e vanas emissões de NOx e CO. Potência térmica para todas as condições = 8 kW. (Para Taq = 400 K e λ = 3,1 a emissão de CO é 30 ppm@15% O2).
via mecanismo térmico começa a ser importante para temperaturas superiores a ≈ 1580 oC, justificando-se assim o aumento das emissões de NOx com o aumento da temperatura de pré-aquecimento do ar. Contudo, independentemente de Taq, para valores de λ mais elevados (e.g., λ = 2,5), a temperatura adiabática de chama não é suficientemente elevada para desencadear a formação de NO via mecanismo térmico, o que explica a menor dependência das emissões de NOx com Taq para valores mais elevados de λ (para uma evolução a λ constante). Concluí-se, portanto, que nestes casos as emissões de NOx estarão associadas aos mecanismos de formação de Fenimore e de N2O intermédio. Como referido nos fundamentos teóricos deste trabalho, estes dois mecanismos ocorrem para temperaturas relativamente mais baixas quando comparadas com as temperaturas necessárias ao mecanismo de formação térmico.
3.2.2 Influência de λ e va nas emissões de NOx
Considere-se a evolução das emissões de NOx a Taq constante. Verifica-se que à medida que λ aumenta (o que implica um aumento de va), as emissões de NOx diminuem, indepen-dentemente da temperatura de pré-aquecimento do ar de combustão. Pode ainda observar-se que esta variação das emissões de NOx depende do valor de va, observando-se que o declive da curva que une os pontos experimentais tende para zero para valores de va mais elevados de cada condição de Taq. Isto significa que a variação das emissões de NOx é marginal a partir de uma certa quantidade de movimento do jacto de ar, o qual depende da condição de temperatura de pré-aquecimento do ar. Pode ainda acrescentar-se que este comportamento se verifica em todas as condições de Taq estudadas sendo mais expressivo nos casos de 300, 400, 500 e 600 K. Nestes limites, as emissões de NOx são inferiores a 10 ppm@15% O2 in-dependentemente do valor de Taq. Os resultados obtidos estão de acordo com os resultados publicados na literatura da especialidade, e.g. [36]. Este resultado é explicado considerando a aerodinâmica do escoamento. Se se considerar a condição de Taq = 300 K e λ = 1,4 (a que corresponde um determinado valor de va), a temperatura adiabática de chama é ≈ 1580 oC, logo, para o mesmo valor de Taq e para λ = 1,8 (a que corresponde um valor de va superior ao valor da condição anterior), a temperatura adiabática de chama será inferior à anterior. Se se considerar que a formação de NO não ocorre via mecanismo térmico em λ = 1,4, então não ocorrerá certamente em λ = 1,8, verificando-se, no entanto, que as emissões de NOxdiminuem significativamente entre estas duas condições de operação. Assim, a atenuação das emissões de NOx com o aumento de va, para uma dada temperatura de pré-aquecimento do ar constante,
é fortemente explicada pela aerodinâmica do escoamento no interior da câmara de combustão. O aumento de va provoca o aumento da recirculação dos produtos de combustão, os quais são arrastados na corrente dos reagentes para a zona de reacção. Com a entrada dos produtos de combustão na zona de reacção a concentração de inertes nesta zona aumenta, o que contribui quer para a diminuição da temperatura na zona de reacção, quer para a diminuição local da concentração de oxigénio. Esta diminuição da concentração de oxigénio na zona de reacção, de acordo com [15, 45], contribui para a diminuição da taxa de reacção associada à reacção de oxidação do azoto (1.6) e (1.5). Um outro argumento apresentado em [36] diz respeito à diminuição do tempo de residência das espécies químicas no interior da câmara de combustão. Com o aumento de va o tempo de residência das espécies químicas diminui, existindo assim menos tempo para ocorrerem as reacções químicas associadas aos mecanismos de formação de NO, resultando numa diminuição das emissões de NOx.
Contudo, para condições de Taq mais elevadas, a diminuição das emissões de NOx com o aumento de va/ λ poderá resultar da combinação destes dois efeitos: por um lado, a diminuição da temperatura adiabática de chama como resultado do aumento do excesso de ar e, por outro lado, a maior diluição de oxigénio, a diminuição da temperatura na zona de reacção e a diminuição do tempo de residência global, como resultado das maiores taxas de recirculação dos produtos da combustão (devido ao aumento da velocidade de entrada do ar).
3.2.3 Emissões de CO
A figura 3.3b mostra que as emissões de CO são inferiores a 10 ppm@15% O2 independente-mente do valor de Taq e de λ (à excepção da condição referida na legenda da figura 3.3). Para Taq = 400 e 500 K, o aumento das emissões de CO está associado à proximidade do limite de extinção pobre da chama. Próximo deste limite a temperatura na zona de reacção é relati-vamente mais baixa, inibindo a formação de radicais OH. Por sua vez, a menor concentração de radicais OH implicará (de acordo com a reacção (1.2)) a diminuição da taxa de reacção associada à oxidação das moléculas de CO. Por outro lado, a menor concentração de oxigénio na zona de reacção, por via do aumento da taxa de recirculação associada a velocidades mais elevadas, faz também com que ocorra a diminuição da taxa de reacção local associada à reacção de oxidação da molécula de CO em CO2, justificando assim o aumento de CO. No entanto, a intensificação da recirculação dos produtos de combustão contribui para o aumento da
tur-bulência no interior da câmara de combustão e potencia o aumento da taxa de mistura de espécies químicas na zona de reacção, nomeadamente de radicais OH. Este resultado indica que a geometria da presente câmara de combustão, ao potenciar elevadas taxas de mistura, ajuda a manter os níveis de emissões de CO relativamente baixos.
Refira-se, ainda, que não foram detectadas emissões de HC na exaustão para nenhuma das condições experimentais apresentadas na figura 3.3, o que revela, em conjunto com as emissões de CO, que a combustão é completa.
3.3 Quimiluminiscência dos radicais OH
Como descrito no capítulo 2, a quimiluminiscência dos radicais OH foi obtida com o auxílio de uma câmara ICCD. A tabela 3.2 resume as condições experimentais usadas para a recolha de imagens de quimiluminiscência dos radicais OH.
λ Taq [K] 1,3 1,4 1,5 1,6 2,0 2,4 300 T3-13 T3-14 - - T3-20 -500 - T5-14 - - T5-20 -600 T6-13 - T6-15 T6-16 T6-20 T6-24 700 - T7-14 - - T7-20 -800 - T8-14 - T8-16 T8-20 T8-24
Tabela 3.2: Condições experimentais usadas para a recolha de imagens de quimiluminiscência dos radicais OH.
Na tabela 3.2, “Ta-n” identifica a imagem para uma dada condição experimental, onde “T” representa “Temperatura”, “a” é referente ao primeiro algarismo da condição de temperatura de pré-aquecimento do ar (e.g., a 300 K corresponde 3), e “n” identifica a condição de λ em questão (e.g., a λ = 1,3 corresponde “n” = 13). Assim, por exemplo, a condição experimental com Taq = 300 K e λ = 1,3 corresponde ao código T3-13 na tabela 3.2.
O estudo das imagens de quimiluminiscência dos radicais OH foi conduzido para condições de Taq entre 300 e 800 K e para condições de λ entre 1,3 e 2,4. A figura 3.4 mostra a influência
da temperatura de pré-aquecimento do ar e do coeficiente de excesso de ar nas imagens dos radicais OH. Note-se que a escala de intensidades não é igual para todas as imagens, tendo sido necessário introduzir 3 escalas. A primeira escala é usada nas imagens para λ = 1,3 (imagens T3-13 e T6-13) e a segunda escala está associada a todas as restantes imagens, à excepção da imagem T6-24, na qual se recorre a uma terceira escala.
Globalmente, a figura 3.4 mostra que, para todas as condições experimentais estudadas, os radicais OH encontram-se distribuídos nos primeiros 2/3 do volume da câmara de combustão. Como discutido no capítudo 1, a localização dos radicais OH é indicativa da localização da zona de reacção da combustão. Considerando os resultados, pode-se então dizer que a zona de reacção mantém, de modo geral, a mesma forma não ultrapassando 50 mm em largura e 80 mm em comprimento (à excepção da condição T6-24).
3.3.1 Influência de Taq nas imagens de quimiluminiscência dos radicais OH
A influência da temperatura de pré-aquecimento do ar nas imagens de OH é discutida con-siderando valores de λ iguais a 1,4 e 2 (figura 3.4). Para estas duas condições de λ, verifica-se que com o aumento da temperatura de pré-aquecimento do ar, a intensidade das imagens de OH aumenta e, simultaneamente, há um ligeiro deslocamento das imagens de OH no sentido do queimador. Tanto o deslocamento da zona de reacção, tipificada pela localização dos radicais OH, como a variação da intensidade das imagens de OH são consistentes para os dois valores de λ considerados, verificando-se o mesmo comportamento para qualquer outra evolução a λ constante.
Quanto maior a temperatura de pré-aquecimento do ar menor é o tempo de ignição dos reagentes. Se o tempo de ignição dos reagentes diminui, as reacções químicas ocorrem mais cedo dentro da câmara de combustão, ou seja, mais perto do queimador, justificando o deslo-camento da zona de reacção no sentido do queimador com o aumento de Taq. Verifica-se, apesar disso, que o deslocamento da zona de reacção é maior para a condição com λ = 2, comparativamente à condição com λ = 1,4. Para λ = 1,4 constante, para Taq = 300 K, o início da zona de reacção encontra-se em z ≈ 60 mm; para Taq = 800 K o início da zona de reacção ocorre em z ≈ 40 mm, ou seja, desloca-se sensivelmente 20 mm com o aumento de Taq. Para λ = 2 verifica-se que, para a mesma variação de Taq, a zona de reacção desloca-se
Figura 3.4: Influência da variação de Taq (horizontal) e de λ (vertical) nas imagens de quimi-luminiscência dos radicais OH.
≈ 50 mm. Esta diferença no deslocamento da zona de reacção é explicada tendo em conta que as velocidades de entrada do ar (num mesmo intervalo de variação de Taq (ver figura 3.3)) variam mais acentuadamente para a condição com λ = 2 do que para a condição com λ = 1,4. Esta diferença entre as velocidades de entrada do ar (para cada condição de λ) têm influência na taxa de mistura dos reagentes. Se a gama de velocidades do ar é maior na condição com λ = 2, considera-se que existirá maior diferença entre as taxas de mistura, contribuindo para a ignição da mistura mais cedo com o aumento da temperatura (a que está associado o aumento da velocidade do ar, para uma evolução a λ constante).
Por sua vez, o aumento da intensidade das imagens de OH (com o aumento de Taq) resulta do aumento de temperatura da zona de reacção em consequência da maior entalpia do ar de combustão. Segundo o mecanismo de formação dos radicais OH discutido no capítulo 1, o aumento da temperatura no interior da câmara de combustão potencia um aumento da con-centração dos radicais OH por via da reacção (1.1). Este resultado explica também o aumento das emissões de NOx com o aumento de Taq. A figura 3.4 revela que o aumento de Taq (a λ constante) é acompanhado por um aumento da concentração de radicais OH na zona de reacção, o que contribui para o aumento da oxidação dos átomos de azoto via reacção (1.7).
Para valores de Taq menores, a intensidade das imagens de OH são mais baixas, revelando menores temperaturas na zona de reacção. Verifica-se também que, para valores de Taq maiores, o gradiente associado aos radicais OH na zona de reacção é mais acentuado do que para valores de Taq menores. Uma vez que as intensidades das imagens de OH estão direc-tamente associadas à temperatura na zona de reacção (reacção (1.1)), pode-se concluir que (considerando-se a evolução a λ constante) para Taq menores os gradientes de temperatura na zona de reacção são mais suaves do que nas condições com Taq mais elevados.
3.3.2 Influência de λ nas imagens de quimiluminiscência dos radicais OH
A influência de λ nas imagens de OH é discutida considerando a uma temperatura de pré-aquecimento do ar igual a 600 K.
Verifica-se que a intensidade das imagens de OH diminui com o aumento de λ ou, associado a este, com o aumento da velocidade de entrada do ar de combustão. Os radicais OH
man-têm a sua localização no interior da câmara de combustão, observando-se, apesar disso, uma expansão gradual à medida que λ aumenta. Para valores de λ mais elevados (e.g., λ = 2 e λ = 2,4), verifica-se que a intensidade das imagens de OH é significativamente mais baixa do que para os restantes valores de λ. Verifica-se também que, para estes valores de λ, os radicais OH encontram-se mais distribuídos no interior da câmara de combustão. Uma vez que existe uma relacção directa entre a intensidade das imagens de OH e a temperatura na zona de reacção, pode-se afirmar que, com o aumento de λ, os gradientes de temperatura e de concentração de espécies químicas na zona de reacção diminuem (como será discutido na secção 3.4). Comparando estes resultados com os resultados das emissões de NOx (figura 3.3), verifica-se que a diminuição da concentração dos radicais OH com o aumento de λ deverá contribuir para a diminuição da formação de NO. Para T6-13 verifica-se uma maior concen-tração de radicais OH entre z ≈ 60 mm e z ≈ 80 mm. Tendo em conta a escala da figura, observa-se um gradiente elevado de radicais OH nesta zona a que está associado um gradi-ente acentuado de temperatura. Este gradigradi-ente mais intenso dos radicais OH poderá estar na base das elevadas emissões de NOx, que para esta condição experimental é ≈ 35 ppm@15 % O2.
Para temperaturas de pré-aquecimento do ar mais baixas (e.g., Taq = 300 K), verifica-se uma diminuição mais acentuada da concentração de OH entre valores de λ mais baixos (e.g., entre λ = 1,3 e λ = 1,4). Para Taq = 800 K verifica-se que a intensidade da imagem de OH apenas decai mais acentuadamente para λ = 2,4. Este resultado está relacionado, por um lado, com o limite de extinção pobre de combustão e, por outro lado, com uma possível mudança do regime de combustão. No limite de extinção pobre, devido à diminuição de temperatura na zona de reacção, a intensidade dos radicais OH é menor. Contudo, no caso de Taq = 300 K, a condição com λ = 1,4 está ainda relativamente afastada deste limite de extinção pobre (λ ≈ 2). É razoável admitir que da condição T3-13 para a condição T3-14 há uma mudança das características do processo de combustão. De acordo com as imagens de OH a zona de reacção na condição T3-13 está concentrada numa pequena zona da câmara de combustão, enquanto na condição T3-14 verifica-se que a zona de reacção ocupa um volume maior da câmara de combustão e que a intensidade da imagem é significativamente menor do que na condição T3-13. Tanto os resultados das emissões de NOx, como a expansão volumétrica da zona de reacção e a diminuição dos gradientes de temperatura observados na imagem T3-14, apoiam