O trabalho experimental desenvolvido teve como objectivo a obtenção de dados fundamentais relativos às condições de funcionamento da instalação de bancada para o estudo de chamas de hidrocarbonetos com ou sem presença de compostos azotados. Este estudo, procurou determinar os limites de flamabilidade relativos ao queimador, bem como monitorizar os gases de combustão com determinadas condições de alimentação. Os resultados obtidos com esta parte do trabalho são utilizados para comparação com os resultados do modelo numérico proposto e apresentado no Capítulo IV.
3.1 Instalação
Os ensaios relativos à parte experimental deste trabalho foram realizados numa instalação de bancada, montada especificamente para o efeito (Figura 3.1). A montagem desta bancada de ensaio ocorreu de Julho de 2004 a Abril de 2007, quando foi efectuado o primeiro ensaio.
Figura 3.1: Vista da bancada de ensaios.
De forma sumária, consideram-se duas partes distintas para esta instalação de bancada. A montante da chama, pelo sistema de alimentação que engloba as centrais de distribuição de gases, os postos de abastecimento, os controladores de caudal, o misturador e o queimador, propriamente dito. A jusante da chama
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temos todo um conjunto de equipamentos, que permitem controlar diversos parâmetros da combustão, como uma sonda de quartzo para recolha dos gases e, respectivo congelamento reaccional, um termopar capilar platina/platina-ródio para medição de temperatura em chama, passando pelo sistema de amostragem e monitorização dos gases de combustão, constituído por um condensador e diversos borbulhadores, um contador de gases secos e, respectivamente, um analisador de NOx e uma bomba de vácuo seguida por um saco de amostragem de gases. Como periféricos e off-line, ainda se podem encontrar os eléctrodos de iões específicos, o cromatógrafo de gases, bem como o sistema de aquisição de dados e um computador.
Seguidamente é feita uma breve descrição dos equipamentos mencionados, que se entende importante devido às especificações de cada um, configuráveis ou não pelo utilizador.
3.1.1 Sistema de alimentação
Queimador
O tipo de queimador utilizado neste trabalho foi inicialmente apresentado por Padley & Sugden (1958), e utilizado, posteriormente, por diversos investigadores (Cabrita, 1981, Axford & Hayhurst, 1995, Hayhurst & Taylor, 1996, Butler & Hayhurst, 1997 e Axford et al., 1998). Ao contrário da maior parte do equipamento utilizado nesta instalação de bancada, não foi necessário adquirir o queimador visto que o DEECA possui dois queimadores com as características pretendidas. As condições de funcionamento do sistema foram definidas pelas dimensões do queimador, principalmente, através dos caudais passíveis de serem utilizados e, consequentemente, dos limites de estabilidade da chama. Desta forma, os componentes dependentes destes parâmetros, como os controladores de caudal e o misturador, foram, respectivamente, modificados e dimensionados com esse objectivo.
Este queimador condicionou a composição da mistura combustível, por via da não obtenção de uma chama do tipo Méker em determinadas condições de chama. Devido às elevadas temperaturas que se poderiam esperar de chamas de pré-mistura, foi considerada a hipótese de diluir a chama com árgon adicional, de forma a baixar a temperatura, mas a chama apresentava tendências para descolar do queimador (Figura 3.17), o que segundo Gaydon & Wolfhard (1979) se pode dever à combinação das características do queimador (relação entre o diâmetro das agulhas e o diâmetro da boca do queimador). Neste queimador, este tipo de chama surge, principalmente, quando se utiliza misturas pobres em combustível. Este queimador é constituído por duas entradas de gases e tem duas zonas concêntricas com injectores (Figuras 3.2 e 3.3). A entrada principal encontra-se na parte inferior do queimador, onde o escoamento acede, directamente, a uma
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câmara com 130 mm de diâmetro e 160 mm de altura. Esta câmara encontra-se, imediatamente, abaixo do núcleo de agulhas.
Figura 3.2: Desenho em corte do queimador utilizado neste trabalho.
A entrada secundária ou auxiliar é efectuada radialmente por dois orifícios opostos e corresponde aos orifícios que se encontram no anel exterior ao núcleo de agulhas. Apesar deste anel permitir produzir uma segunda chama, de protecção à chama principal, ou, apenas, introduzir um escoamento com uma espécie inerte, nem todos os investigadores o utilizam (Cabrita, 1981 e Axford et al., 1998), por motivos diversos.
Figura 3.3: Cabeçotes para montar no queimador. O da esquerda apresenta o núcleo de agulhas.
O núcleo de agulhas é constituído por 127 agulhas hipodérmicas, com diâmetro interno, aproximado, de 1,2 mm (Figura 3.4) e 40 mm de comprimento, que se
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encontram coladas e prensadas entre si na boca do queimador, com 21 mm de diâmetro (Figura 3.3).
Figura 3.4: Medição do raio de uma das 127 agulhas no microscópio óptico de reflexão Zeiss AxioVert 200, com objectiva de 5x e ocular de 10x, e software AxioVision v4.1.
Verificou-se que a câmara de admissão da entrada secundária se comportava como isolante térmico para o núcleo de agulhas, não permitindo que a água de refrigeração retirasse calor ao sistema e, assim, o sobreaquecimento das agulhas provocava o afastamento da chama em relação ao queimador, na sua zona central.
Desta forma, não foi possível utilizar nem uma chama secundária, nem uma barreira de protecção à chama principal, visto que se verificou indispensável converter essa câmara para um circuito de refrigeração adicional e, assim, permitir uma melhor ancoragem da chama, através do arrefecimento melhorado do núcleo.
O escoamento proveniente do queimador arrasta ar ambiente que se mistura com os gases de combustão. Este ar parasita necessita ser contabilizado, o que se verifica através dos ensaios de brancos efectuados. Estes ensaios permitem conhecer qual a penetração deste ar parasita através da quantidade de N2
encontrada nos gases de combustão, visto que não foi adicionada qualquer espécie azotada. Tal como o azoto que deverá ser retirado da composição dos gases de combustão, o mesmo deverá ser feito com o O2 na correspondência
atmosférica com o N2 (1:3,773 em volume).