Funcionamento de Câmara de Combustão Testada

A câmara de combustão do tipo anular adotada utiliza como combustíveis o querosene e/ou diesel e encontra-se montada em uma micro turbina a gás, modelo T-62T–32 fabricada pela SOLAR Turbines potência máxima de 50 [kW]. Mais detalhes desta micro turbina são apresentados no capítulo 4.

É constituída por 24 orifícios laterais no tubo de chama, 6 injetores de combustível dispostos de um ângulo de 60° de um em relação ao outro, em referência ao eixo principal. Existem 86 orifícios localizados numa posição externa radial em relação eixo principal e 46 orifícios dispostos em uma posição interna radial em relação ao eixo principal, ambos no entorno dos injetores de combustível.

Os injetores são do tipo Venturi, onde existe um pequeno estrangulamento na seção de escoamento do ar, imediatamente na saída do injetor de combustível. Devido a este estrangulamento, gera-se uma zona de baixa pressão que favorece o arrasto do combustível pelo ar, sendo ambos injetados juntos na zona de combustão da câmara.

Nestas condições, pode ocorrer uma pequena pré-mistura do combustível com o ar antes da zona de combustão. Todavia, isto não significa que a chama será sempre do tipo Pré- misturada (ou seja, o combustível e seu oxidante se misturam antes da zona de combustão), mesmo porque depende das propriedades físicas do combustível, principalmente de sua massa específica e de sua viscosidade, bem como da razão ar / combustível.

Outro fator igualmente importante é a temperatura da mistura ar e combustível que pode afetar os limites de flamabilidade do combustível, ou seja, dependendo do peso específico do combustível, da razão ar/ combustível e da presença de centelha, o combustível pode ou não manter sua combustão continuada A Figura 2.14 apresenta as curvas de flamabilidade e auto-ignição de alguns combustíveis, em função da temperatura da mistura e de sua densidade relativa.

De fato a densidade relativa influi na possibilidade de auto-ignição e nos limites de flamabilidade. Nos trabalhos de Tomczak et al. (2002), Ilbas et al (2006), e Cozzi e Coghe (2006), por exemplo, onde se estuda o efeito da adição gradual de hidrogênio sobre o processo de combustão do gás natural não pré-misturado, tendo o hidrogênio densidade relativa menor do que o gás natural, observa-se que nas misturas ar-hidrogênio-metano ocorre um aumento na velocidade da chama, causando um aumento no intervalo entre os limites de flamabilidade. Além disso, a chama tende a ter maior estabilidade e maior probabilidade de auto-ignição.

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Figura 2. 14 Característica de auto ignição de alguns combustíveis, Lefebvre (1983) Da Figura 2.14, verifica-se ainda que para temperaturas pouco acima da temperatura ambiente, os combustíveis são normalmente flamáveis e não existe a auto ignição, pois quando é retirado o agente que provoca a centelha, a chama se apaga. A temperatura a partir do qual os combustíveis são flamáveis define o Ponto de “Flash”.

Desta forma, nota-se que somente a partir de 500 [K], o diesel possui auto-ignição. Por outro lado, o querosene necessita atingir temperaturas da ordem de 600 [K] para ter esta mesma característica, devido à sua menor densidade relativa.

Os limites da flamabilidade são investigados por Ciccarelli et al. (2006) em chamas produzidas pela combustão de uma mistura hidrogênio e amônia no ar, verificando que a flamabilidade é função da temperatura inicial das misturas. Se a mesma é mantida elevada e constante, a flamabilidade pode ser modificada em função da densidade da mistura, conforme havia sido assinalado por Lefebvre (1983).

Em se tratando da utilização do gás natural na câmara de combustão adotada por este trabalho, o comportamento da chama pode ser afetado, quanto à distribuição de pressão, temperatura e emissões, e diferenciar-se da chama produzida pela combustão dos combustíveis especificados pela Solar Turbines, ou sejam, o diesel e/ou querosene. Este comportamento diferenciado depende das propriedades físicas dos combustíveis analisados.

No caso de combustíveis gasosos, por exemplo, a viscosidade aumenta com a temperatura, incorrendo no aumento da força de arrasto do ar em relação ao combustível, maior será a velocidade do escoamento da mistura ignitável em relação à velocidade da chama, implicando em uma maior penetrabilidade do combustível na zona de combustão. Este comportamento assemalha-se às chamas do tipo difusiva ou não pré-misturadda, que podem

ter taxas de reação maiores do que a taxa de mistura entre combustível e ar, segundo Louis et

al. (2001).

Por outro lado, na câmara de combustão testada neste trabalho, existe um fator adicional: os injetores estão inclinados em relação ao eixo longitudinal principal da câmara, induzindo a formação de um escoamento secundário rotativo, que induz um maior tempo de residência para a chama. A geometria da câmara também afeta a natureza da chama, Peters (2000).

Desta forma, é recomendável a realização de testes a fim de verificar o tipo de chama, que pode ser produzida, dependendo da funcionalidade e do tipo de combustível utilizado pela câmara de combustão.

Outro aspecto igualmente importante a considerar no comportamento deste tipo de câmara de combustão é a influência dos 24 orifícios laterais do tubo de chama.

O ar da câmara de resfriamento ou pré-câmara é deslocado por estes orifícios para a região interna da câmara de combustão numa posição, onde a geometria pode favorecer o aparecimento de duas importantes recirculações: a primeira, na direção oposta ao jato da mistura ar e combustível, afeta diretamente o posicionamento da chama, sendo responsável pela sua ancoragem e estabilidade; e a segunda recirculação, no mesmo sentido do fluxo dos gases quentes em direção à exaustão, afeta a diluição destes gases e a distribuição da temperatura e das emissões na exaustão.

Sob o aspecto da transferência de calor, as câmaras de combustão possuem condução, convecção e radiação.

No estudo de escoamentos em camras de combustão, é usual considerar apenas a radiação e a convecção. O percentual de participação destas formas de transferência de calor é de difícil determinação, em face da quantidade de variavveis envolvidas no fenômeno da combustão. Segundo Lefebvre (1983), pode ser considerado como regra geral que no caso da combustão completa, a mesma pode ser isenta de elementos particulados (fuligem), que possuem a característica de afetar a radiação no meio escoante, mediante a absorção da mesma, o que contribui para manter a temperatura mais elevada no meio. Nestas condições, a radiação pode ocupar entre 70 [%] a 80 [%] do processo de transferência de calor, restando de 20 [%] a 30 [%] para a convecção.

Contudo, nos processo de combustão isentos de fuligem, a quantificação se altera e a participação da radiação pode ser reduzida para a ordem de 40 [%] a 50 [%], sendo de 50 [%] a 60 [%] devido à convecção. No item 2.5, apresenta-se o equacionamento básico do processo de trasferência de calor em câmaras de combustão.

43 Todavia, o resfriamento das paredes laterais se realiza através da transferência de calor por convecção com a admissão de ar pelos orifícios laterais do tubo de chama.

Nessa condição, deve-se levar em conta a partir dos estudos de Williams (1985) e Vandebroek et al (2003) um outro importante fenômeno físico, que pode ser considerado no estudo da combustão, é o Efeito Convectivo, o qual é decorrente da variação da massa especifica com a temperatura. Devido a este fenômeno, ocorre não somente transporte de energia na forma de calor, mas também o transporte de massa, ocasionando em câmaras dispostas na posição horizontal: a) Pertubação da simetria da combustão; e b) Deformação da chama a partir da saída do injetor.

Sob o aspecto das emissões, de modo geral, conforme apresenta Williams (1985), sobre o estudo das emissões, a maioria dos combustíveis produzem em suas emissões: Monóxido de Carbono (CO), Monóxido de Nitrogênio (NOx), Óxidos de enxofre (SOx), alguns elementos particulados ricos em carbono e parte dos hidrocarbonetos que não reagiram completamente com o oxidante. Maiores detalhes sobre os mecanismos de formação do NOx são apresentados no item 2.6.