O combustível binário é a mistura de dois combustíveis puros. A mistura foi feita com os seguintes combustíveis:
• etanol (99,5 % de pureza) • n-butanol (99,8 % de pureza)
A nomenclatura do combustível binário está relacionado com o porcentagem de concentração em volumen do n-butanol na mistura n-butanol/etanol, e é escrito da seguinte maneira: se o volume do n-butanol corresponde ao 20 % do volume da mistura n-
butanol/etanol temos que a nomenclatura é B20. A letra B é a inicial do combustível que vai
mudando sua porcentagem de volumen respeito à mistura, por exemplo, o B40 é o combustível binário composto por 40 % de n-butanol e 60 % de etanol e assim por diante.
Nas próximas figuras para cada mistura de ar/combustível são apresentadas dois medidas da velocidade de chama laminar em função da razão de equivalência explorada, além disso, esses pontos medidos são apresentados com símbolos geométricos ocos e com barras de incerteza para valores da razão de equivalência e da velocidade de chama laminar, os valores de incerteza são calculados por meio da teoria de propagação de erro descrita na seção 3.3 por meio da Equação (3.6), (Albertazzi Jr. e Sousa 2008).
4.3.1 Medições experimentais com barras de incerteza
As Figuras 4.16, 4.17, 4.18 e 4.19 apresentam os resultados da velocidade de chama laminar em função da razão de equivalência para as misturas ar/n-butanol/etanol. As medições foram feitas para temperatura inicial de 400 K e pressão inicial de 100 kPa. Além disso, os
valores de razão de equivalência explorados foram: 0,8; 0,9; 1,0; 1,1; 1,2; e 1,3.
Nas Figuras 4.16, 4.17 e 4.19 para as misturas B20, B40 e B80, respectivamente, se observa que para certa razão de equivalência os dados medidos têm pouca dispersão entre eles, isto é, estão dentro do limite de incerteza. Nessas figuras mencionadas acima a tendência dos dados medidos é aumentar a partir da faixa de mistura pobre até atingir um máximo onde o ponto tem razão de equivalência igual 1,1; logo esses dados medidos tende a diminuir na faixa de mistura rica.
Figura 4.16: Resultados da velocidade de chama laminar da mistura B20 em função da razão de equivalência obtida experimentalmente em 400 K e 100 kPa. Fonte: Do autor.
Na Figura 4.18 para a mistura B60, se observa que para certa razão de equivalência os dados medidos têm maior dispersão entre eles em comparação com as demais misturas. A tendência dos valores medidos para a mistura B60 é a mesma que as outras misturas. Os dados medidos aumentan a partir da faixa de mistura pobre até atingir um máximo com razão de equivalência 1,0; logo esses dados medidos tende a diminuir na faixa de mistura rica.
Figura 4.17: Resultados da velocidade de chama laminar da mistura B40 em função da razão de equivalência obtida experimentalmente em 400 K e 100 kPa. Fonte: Do autor.
Figura 4.18: Resultados da velocidade de chama laminar da mistura B60 em função da razão de equivalência obtida experimentalmente em 400 K e 100 kPa. Fonte: Do autor.
Figura 4.19: Resultados da velocidade de chama laminar da mistura B80 em função da razão de equivalência obtida experimentalmente em 400 K e 100 kPa. Fonte: Do autor.
A Tabela 4.5 mostra os valores médios dos dados experimentais da velocidade de chama laminar em função da razão de equivalência mostrado nas figuras 4.15, 4.16, 4.17 e 4.18. Na Tabela 4.5 se observa que a velocidade máxima para as misturas ar/n-butanol/etanol acontecem nos valores de razão de equivalência 1,11; 1,10; 1.20 e 1,10; respectivamente.
Tabela 4.5: Valores médios dos dados experimentais da velocidade de chama laminar em função da razão de equivalência das misturas B20, B40, B60 e B80. Fonte: Do autor.
Combustível
Binário Valores médios dos dados experimentais B20 𝛟 0,80 0,93 1,02 1,11 1,20 1,30 SL 45,62 55,88 60,38 62,27 61,80 56,89 B40 𝛟 0,80 0,91 1,00 1,10 1,20 1,31 SL 45,66 53,64 59,17 61,37 60,25 55,12 B60 𝛟 0,80 0,90 1,00 1,10 1,20 1,30 SL 44,60 53,53 57,72 58,19 59,20 54,14 B80 𝛟 0,81 0,90 1,00 1,10 1,21 1,30 SL 46,49 53,00 58,60 60,45 58,66 52,71
4.3.2 Curvas de ajuste dos valores medidos
Como foi apresentado para os combustíveis primários, para relacionar a velocidade de chama laminar e a razão de equivalência das mistura ar/n-butanol/etanol, foi feito um ajuste dos dados experimentais por meio de um polinômio de terceiro grau.
As Figuras 4.20, 4.21, 4.22 e 4.23 apresentam as curvas de ajuste para os dados da velocidade de chama laminar em função da razão de equivalência das misturas B20, B40, B60 e B80, respectivamente.
Além disso, a Tabela 4.6 mostra os coeficientes da Equação (4.1), correspondente ao ajuste polinomial das misturas B20, B40, B60 e B80 (Veja as Figuras 4.20, 4.21, 4.22 e 4.23). Os resultados desses ajustes polinomiais foram bons, isso é devido a que o parâmetro R2 para as misturas B20, B40 e B80 está muito próximo da unidade, esses valores são 0,9935; 0,9887 e 0,9917; respectivamente. Além disso, o parâmetro R2 da mistura B60 de valor 0,9474 é muito menor em comparação com os anteriores.
Figura 4.20: Curva de ajuste para os resultados da velocidade de chama laminar em função da razão de equivalência da mistura B20 obtida em 400 K e 100 kPa. Fonte: Do autor.
Figura 4.21: Curva de ajuste para os resultados da velocidade de chama laminar em função da razão de equivalência da mistura B40 obtida em 400 K e 100 kPa. Fonte: Do autor.
Figura 4.22: Curva de ajuste para os resultados da velocidade de chama laminar em função da razão de equivalência da mistura B60 obtida em 400 K e 100 kPa. Fonte: Do autor.
Figura 4.23: Curva de ajuste para os resultados da velocidade de chama laminar em função da razão de equivalência da mistura B80 obtida em 400 K e 100 kPa. Fonte: Do autor.
Tabela 4.6: Coeficientes da curva de ajuste para dados da velocidade de chama laminar em função da razão de equivalência das misturas B20, B40, B60 e B80. Fonte: Do autor.
Combustível Binário T (K) SL(𝛟) = a + b𝛟 1 + c𝛟 2 + d𝛟 3 a b c d R² B20 400 -87,23 200,85 -1,82 -51,92 0,9935 B40 400 -61,56 127,21 66,65 -73,40 0,9887 B60 400 -190,64 524,89 -336,25 59,68 0,9474 B80 400 -11,78 -10,39 195,36 -114,73 0,9917
A Figura 4.24 mostra a comparação integrada dos dados experimentais da velocidade de chama laminar com suas respectivas curvas de ajuste para as misturas B20, B40, B60 e B80. Para que o gráfico seja claro, as incertezas estimados não são consideradas.
Figura 4.24: Curva de ajuste para os resultados da velocidade de chama laminar em função da razão de equivalência das misturas B20, B40, B60 e B80 obtida em 400 K e 100 kPa. Fonte:
Do autor.
Na figura 4.24, se pode observar que a velocidade de chama laminar em função da razão de equivalência das misturas ar/n-butanol/etanol são semelhantes para os pontos com razão de equivalência 0,8 e 0,9 esses pontos corresponden à região de mistura pobre. A partir da razão de equivalência 0,9 observa-se que os dados de velocidade de chama laminar das misturas ar/n-butanol/etanol começam a aumentar até chegar ao máximo onde a razão de equivalência é 1,1 e desse ponto àte a razão de equivalência 1,3 os dados de velocidade de chama laminar permanecen com uma diferença quase constante entre eles, essa diferença constante ocorre em quase toda a região da mistura rica.
Além disso, para uma certa razão de equivalência se pode observar que os dados medidos da mistura ar/n-butanol/etanol tendem a diminuir à medida que aumenta a concentração de n-butanol na mistura. Isso pode ser devido ao peso molecular equivalente dessas misturas de combustíveis, portanto, como observado na figura acima as misturas ar/n- butanol/etanol com maior peso molecular ou maior concentração de n-butanol em volume têm menor velocidade de chama laminar, neste caso, o peso molecular do B80 é maior do que o peso molecular do B60, B40 e B20 em 0,86; 0,76 e 0,67 vezes, respectivamente.
No entanto, a análise recentemente descrita não é cumprida para o caso da mistura B60, onde temos que os dados medidos na faixa de razão de equivalência entre 0,9 a 1,2 é menor
respeito a velocidade do B80.
4.3.3 Comparação com simulações numéricas
As Figuras 4.25, 4.26, 4.27 e 4.28 apresentam os resultados da velocidade de chama laminar medida para as misturas ar/n-butanol/etanol. Esses resultados são comparados com dados de velocidade de chama laminar obtidos por simulações numéricas. O trabalho realizado no estudo numérico consistiu em obter as velocidades de chama laminar através da simulação da combustão das misturas B20, B40, B60 e B80 para as condições de temperatura inicial de 400 K e pressão inicial de 100 kPa. Além disso, os valores de razão de equivalência explorados foram: 0,8; 0,9; 1,0; 1,1; 1,2 e 1,3. Este estudo aborda o uso de mecanismos de cinética química desenvolvido em estudo anterior de mestrado na UNICAMP. Para mais detalhes sobre a metodología deste estudo, veja a seção 3.5 do capítulo 3.
Nas Figuras 4.25, 4.26, 4.27 e 4.28 os resultados obtidos para as misturas B20, B40, B60 e B80 apresentam uma tendência semelhante com os dados obtidos por meio do estudo numérico da mistura do n-butanol/etanol. Para o caso das Figuras 4.25, 4.26 e 4.27 os dados medidos diferem um pouco com os dados obtidos pelo mecanismo Rocha (2016), por exemplo, para os pontos de mistura pobre e rica (ϕ = 0,8; 0,9 e 1,4) se observa que têm melhor acordo que os pontos de mistura estequiométrica e rica (ϕ = 1,0; 1,1 e 1,2) em comparação com os dados obtidos pelo mecanismo Rocha (2016). A comparação dos dados medidos com os dados obtidos pelo mecanismo Rocha (2016), para as misturas B20, B40 e B60, nos dá uma diferença máxima de 9 %, 6 % e 8 %, respectivamente.
Figura 4.25: Resultados da velocidade de chama laminar da mistura B20 em função da razão de equivalência versus dados de simulações numéricas obtida em 400 K e 100 kPa. Fonte: Do
autor.
Figura 4.26: Resultados da velocidade de chama laminar da mistura B40 em função da razão de equivalência versus dados de simulações numéricas obtida em 400 K e 100 kPa. Fonte: Do
Figura 4.27: Resultados da velocidade de chama laminar da mistura B60 em função da razão de equivalência versus dados de simulações numéricas obtida em 400 K e 100 kPa. Fonte: Do
autor.
Na Figura 4.28, os resultados obtidos para a mistura B80 apresentam uma tendência muito semelhante com os dados obtidos pelo mecanismo Rocha (2016), esta comparação nos dá uma diferença máxima de 4 %. Além disso, esses dados medidos têm a melhor correlação em comparação com as outras misturas. Neste caso a faixa de mistura pobre e estequiométrica (ϕ = 0,8; 0,9 e 1,0) têm melhor acordo que a faixa de mistura rica (ϕ = 1,1; 1,2 e 1,3) em comparação com os dados obtidos pelo mecanismo Rocha (2016).
Figura 4.28: Resultados da velocidade de chama laminar da mistura B80 em função da razão de equivalência versus dados de simulações numéricas obtida em 400 K e 100 kPa. Fonte: Do