2.1 Instalação experimental
O presente estudo foi desenvolvido no Laboratório de Combustão do Departamento de En-genharia Mecânica do Instituto Superior Técnico. A figura 2.1 mostra esquematicamente a instalação experimental. As secções seguintes descrevem em detalhe as várias partes da instalação, nomeadamente a câmara de combustão e o respectivo queimador, o circuito de combustível, o circuito de ar e ainda o sistema de exaustão.
2.1.1 Câmara de combustão e queimador
Uma parte importante deste trabalho envolveu o projecto e a construção de um novo queimador, mostrado na figura 2.2. No novo queimador, quer a admissão de ar e combustível quer a ex-austão dos produtos de combustão estão localizadas na mesma face da câmara de combustão. Esta é uma característica importante que distingue este trabalho de outros (em curso ou já realizados) no presente laboratório [38, 39, 40].
As medidas de referência para o novo queimador foram as da câmara de combustão já existente de trabalhos anteriores. A câmara é constituída por um vidro de quartzo cilíndrico com um diâmetro de 100 mm e um comprimento de 320 mm. Como pode ser observado na figura 2.2, a câmara de combustão está disposta na vertical, estando a admissão de ar e combustível, bem como a exaustão dos produtos de combustão, localizadas no topo da câmara de combustão.
Figura 2.1: Representação esquemática da bancada experimental.
A base da câmara de combustão é fechada, contendo apenas uma calha com um furo de 11 mm de diâmetro para possibilitar a entrada quer das sondas quer do mecanismo de ignição. Durante os ensaios, a câmara de combustão foi isolada (ao longo do seu comprimento) com 30 mm de espessura de lã de vidro para minimizar as trocas de calor com a envolvente.
A figura 2.3 mostra o interior do topo da câmara de combustão. O queimador tem um orifício central com 4 mm de diâmetro por onde é injectado o combustível. Concêntricos a este existem dois anéis com espessura de 2 e 7,5 mm respectivamente. O anel mais interior, e portanto mais próximo da entrada de combustível, é destinado à injecção do ar, enquanto a exaustão dos gases de combustão é feita pelo anel mais exterior. Esta geometria axissimétrica permite, por um lado, a simplificação de uma futura simulação computacional e, por outro lado, a economia de pontos de medição das várias grandezas, dada a axissimetria do escoamento.
Os apêndices A e B apresentam respectivamente os detalhes do projecto do queimador e os desenhos técnicos dos componentes da câmara de combustão.
Figura 2.2: Vistas da câmara de combustão.
2.1.2 Circuito de combustível
O combustível usado neste trabalho foi o gás natural, cuja composição química é apresentada na tabela 2.1.
Gás Natural (% volume)
CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 C6H14 N2 C02 He 83,7 7,6 1,9 0,7 0,2 0,1 5,4 0,2 0,2 Tabela 2.1: Composição química do gás natural da rede do IST.
O fornecimento de gás natural foi feito através da rede interna do IST, com uma pressão de serviço de 21 mbar acima da pressão atmosférica. A pressão disponível na rede permite uma potência máxima do queimador de cerca de 8,3 kW. Por simplicidade, e antevendo possíveis oscilações na rede de abastecimento de gás natural, o estudo foi efectuado para uma potência nominal de 8 kW.
À saída da rede a linha de gás natural possui uma válvula de segurança e a jusante desta um manómetro, ao qual está associado a válvula de controlo do caudal do gás natural. O circuito termina com a entrada de combustível na câmara de combustão, como mostra a figura 2.4.
Figura 2.3: Vista interior do topo da câmara de combustão. (1) Exaustão; (2) entrada do oxidante; (3) entrada de combustível; (4) e vidro de quartzo.
2.1.3 Circuito de ar
O compressor fornece o ar ao circuito à pressão de 10 bar. A seguir ao compressor, próximo da instalação experimental, está montado um redutor de pressão que estabiliza a pressão a 2 bar. Este redutor de pressão permite anular as oscilações de pressão causadas pelo normal funciona-mento do compressor, garantindo que a jusante não existem oscilações na pressão/caudal de ar injectado na câmara de combustão. A seguir ao redutor de pressão há uma válvula de reg-ulação de caudal de ar associada a um rotâmetro. A jusante está montado um pré-aquecedor com uma potência de 27 kW. O ar (com ou sem pré-aquecimento) é admitido na câmara de combustão através do injector do queimador. A ligação entre o pré-aquecedor e o injector é de tubo aço inoxidável, considerando as elevadas temperaturas tanto do ar de admissão como do ar nas proximidades da câmara de combustão, figura 2.4.
2.1.4 Sistema de exaustão
Os gases de combustão são colectados num tubo de aço inoxidável flexível que, por sua vez, está conectado a um sistema de lavagem de gases. O sistema de lavagem dos gases de exaustão compreende a passagem destes através de um jacto de água sendo, posteriormente, evacuados
Figura 2.4: Vista exterior de parte do topo da câmara de combustão. (1) Entrada de ar no queimador; (2) entrada de combustível no queimador; (3) pré-aquecedor; (4) tubo colector de gases da combustão.
através do sistema de exaustão do laboratório. Após o sistema de lavagem, os gases de ex-austão ficam isentos de partículas de maiores dimensões, assegurando-se assim as boas práticas ambientais aquando da libertação destes para a atmosfera.
2.2 Técnicas de medida
2.2.1 Temperatura
A medição de temperatura através de termopares faz-se recorrendo ao efeito de Seebeck. O efeito de Seebeck ocorre quando um fio condutor está sujeito a diferentes temperaturas em cada extremidade, dando origem a um potencial eléctrico. Este potencial eléctrico é função do coeficiente de Seebeck, com as unidades de µV/K, que é uma característica do material. Para se obter a temperatura é necessário criar uma diferença de potencial. Esta diferença de potencial é conseguida com a junção de dois fios condutores (cabeça de termopar) com diferentes coeficientes de Seebeck.
No presente trabalho foram utilizados dois tipos de termopares consoante a gama de tem-peraturas, tal como se apresenta na tabela 2.2.
Tipo E. Positivo E. Negativo Gama de Temp. [oC]
K Cr Al 0-1000
R Pt/13%Rh Pt 0-1700
Tabela 2.2: Características dos termopares usados no presente estudo.
A figura 2.5 mostra esquematicamente o termopar tipo R usado nos ensaios.
Figura 2.5: Representação esquemática do termopar tipo R.
2.2.1.1 Incertezas experimentais
O uso de termopares e os erros associados a este método de medição de temperatura têm sido amplamente estudados [41]. A maior parte dos erros associados aos termopares resultam das trocas de calor que ocorrem de e para o termopar, nomeadamente por radiação e condução. Os termopares usados no presente trabalho possuíam diâmetros pequenos, na ordem de 76 µm. As trocas de calor por radiação entre o meio envolvente e o termopar podem considerar-se diminutas, assumindo que as perdas associadas à dimensão da cabeça do termopar prevalecem
sobre as perdas associadas ao seu não revestimento. O revestimento do termopar aumenta a superfície e, por conseguinte, as trocas de calor por radiação tornam-se maiores.
No que respeita aos erros associados à condução de calor, os estudos mostram que estes erros são sistemáticos na presença de gradientes de temperatura elevados, tornando-se, porém, in-significantes se a razão entre o comprimento do termopar e o seu diâmetro for superior a 200 [41]. Neste estudo foram usados termopares com 76 µm de diâmetro e comprimento de cerca de 12 mm (por limitações da câmara de combustão). Apesar da razão comprimento/diâmetro ser ligeiramente inferior a 200 no presente caso, os erros associados às trocas de calor por condução consideram-se pouco significativos.
A par dos erros associados às trocas de calor encontram-se também os erros associados à in-terferência do termopar com o escoamento e com os gases de combustão, nomeadamente ao nível aerodinâmico e químico. Quanto à aerodinâmica global, o termopar poderá criar um su-porte para a estabilização da chama, o que não se verificou no presente trabalho. No aspecto químico, a atmosfera de gases circundantes poderá induzir o efeito catalítico na cabeça do termopar levando à ocorrência de erros sistemáticos. Estes efeitos são, no entanto, significati-vamente inferiores aos produzidos pelas trocas de calor por radiação e, como tal, supostamente marginais no presente trabalho.
2.2.1.2 Procedimento experimental
• Distribuição espacial de temperatura:
As medidas de temperatura no interior da câmara de combustão foram obtidas com o auxílio do termopar tipo R, descrito anteriormente. Uma vez alinhado o eixo do furo existente na calha deslizante (apêndice B) com o eixo da câmara de combustão, foi introduzido o ter-mopar na posição 1, assinalada na malha da figura 2.6. Nesta posição, a cabeça do terter-mopar dista 10 mm do topo da câmara estando alinhada com a entrada de combustível. Após a estabilização das condições de funcionamento da câmara de combustão foi obtida a temper-atura média local com o auxílio do sistema de aquisição de dados. O termopar foi depois deslocado na vertical para o ponto 2, que dista 20 mm do ponto 1, como se apresenta na figura 2.6, repetindo-se o procedimento. Como mostra a figura 2.6, optou-se por uma malha não homogénea uma vez que, analisados os resultados da quimiluminiscência do OH, já existia um
conhecimento prévio da localização aproximada da zona de reacção no interior da câmara de combustão. Associando a zona de reacção a um gradiente de temperaturas e de concentrações de espécies químicas mais intenso, seria expectável que afastados dessa zona de reacção os per-fis fossem mais homogéneos e suaves. Nesta perspectiva, os 9 primeiros pontos distam entre si 20 mm e os últimos 4 pontos, já fora da zona de reacção, distam 34 mm.
O procedimento experimental acima descrito foi repetido para os vários perfis axiais espaçados entre si 10 mm, como representado na figura 2.6. Para cada condição de operação da câ-mara de combustão, foram registadas as temperaturas médias locais em cada ponto da malha, obtendo-se a distribuição espacial da temperatura. Foram ainda registadas as temperaturas da parede da câmara de combustão no topo e na base, fazendo uso do termopar tipo K.
Refira-se ainda que durante o procedimento experimental foi necessário garantir o isolamento do furo por onde passava a sonda de termopar. Uma vez que o diâmetro do tubo cerâmico da sonda de termopar (6 mm) é significativamente inferior ao diâmetro do furo (11 mm), colocou-se lã de vidro com o efeito de “tampão” no espaço vazio.
2.2.2 Espécies químicas gasosas
A medição das concentrações das espécies químicas gasosas implica a recolha de uma amostra de gases do local em estudo, o seu transporte e a sua análise. Neste trabalho experimental, a recolha da amostra foi feita com o auxílio de uma sonda com arrefecimento convectivo indirecto a água, como esquematizada na figura 2.7. O tubo central recolhe a amostra, arrefecendo-a ao longo do seu comprimento com o auxílio da água que circula nos tubos concêntricos. A sonda usada tem como principal premissa o arrefecimento da amostra imediatamente após a entrada. A diminuição da temperatura garante o congelamento das reacções químicas, conservando-se assim a composição química do local de onde a amostra foi retirada.
A figura 2.7 mostra o desenho da sonda usada para a obtenção das amostras de gás. Uma vez recolhida a amostra esta terá de ser transportada até aos analisadores. Na ligação até aos analisadores as temperaturas atingem valores inferiores a 100oC, pelo que há condensação da água dos produtos de combustão ao longo da linha.
Figura 2.7: Representação esquemática da sonda para recolha da amostra de gás.
O sistema de amostragem é constituído por um condensador de serpentina e um reservatório com sílica de modo a condensar toda a água da amostra. A amostra é ainda limpa ao passar pelos filtros de algodão, chegando aos analisadores seca e livre de impurezas.
A tabela 2.3 apresenta as características principais dos analisadores usados neste trabalho. Antes e após cada sessão experimental os analisadores são calibrados. Inicialmente os val-ores da concentração de O2, CO, CO2, HC e NOx são ajustados a zero, fazendo passar azoto puro através dos analisadores. Em seguida, a concentração de O2 é ajustada de acordo com a respectiva percentagem no ar atmosférico (20,9% em volume), enquanto para as restantes espécies químicas se faz passar, através dos analisadores, misturas-padrão de CO, CO2, HC e NOx. A tabela 2.4 apresenta as misturas padrão utilizadas no presente estudo.
2.2.2.1 Incertezas experimentais
As incertezas experimentais associadas à medição das concentrações das espécies químicas prendem-se com: (1) a eficiência do arrefecimento da amostra imediatamente a jusante da entrada na sonda; (2) a possível dissolução de algumas espécies químicas na água condensada ao longo da linha e (3) aerodinâmica e trocas de calor entre a sonda e a envolvente.
Espécie química Analisador Método de análise Gama de medida
O2 Horiba Paramagnetismo 0-25%
Modelo CMA-311 A
CO2 Horiba, Não-dispersivo infravermelhos 0-15% Modelo CMA-311 A
CO Horiba Não-dispersivo infravermelhos 0-1000 ppm Modelo CMA-311 A
NOx Horiba Quimiluminiscência 0-100 ppm Modelo CLA-510 SS
HC Amluk Ionização de chama 0-1000 ppm Modelo FID E 2020
Tabela 2.3: Analisadores usados no presente trabalho.
Espécie química Concentração O2 0; 20,9%
CO2 0; 12%
CO 0; 100 ppm NOx 0; 150 ppm
HC 0; 80 ppm (C3H8)
sonda foi projectada de acordo com [42].
No que respeita à dissolução de algumas espécies químicas na água condensada ao longo da linha, poderá ter existido alguma dissolução, em especial de NO2, uma vez que a linha não era aquecida. No entanto, estudos desenvolvidos por [43] mostram que os erros associados a esta problemática podem ser considerados desprezáveis para condições semelhantes às do presente estudo.
Por último, o uso de métodos intrusivos no interior da câmara de combustão poderá interferir com as características reais do escoamento. Em relação à aerodinâmica, estudos efectua-dos por [42] preveêm que o escoamento é perturbado de forma marginal pela introdução da sonda. No entanto, as trocas de calor entre a sonda e os gases provocam alterações locais da temperatura, podendo originar erros na determinação da concentração das espécies químicas. Contudo, as trocas de calor ocorrem a jusante do ponto de recolha e, por isso, os erros associ-ados consideram-se baixos. Adicionalmente considera-se que as elevadas taxas de mistura do escoamento dissipam por todo o volume da câmara o efeito de possíveis perturbações locais. Por tudo o que foi referido, os erros deverão ser aqui pouco significativos.
2.2.2.2 Procedimento experimental
• Composição química dos gases de exaustão:
A composição química dos gases de exaustão foi obtida para diferentes condições de op-eração da câmara de combustão. Os parâmetros estudados foram o pré-aquecimento do ar de combustão, Taq, e o coeficiente de excesso de ar, λ, para uma potência constante de 8 kW.
A sonda (figura 2.7) foi introduzida no tubo colector de gases de exaustão a jusante da exaustão da câmara de combustão. Optou-se por este procedimento, dado que o acesso imediatamente à saída da exaustão da câmara de combustão era impossível. Este facto, todavia, não introduz erros adicionais, uma vez que os resultados da composição dos gases de exaustão não implicam a recolha da amostra num local específico (como no caso das medidas internas das concen-trações de espécies químicas). Ainda em relação ao local de onde a amostra foi retirada, a homogeneização dos gases de exaustão fica garantida não só por construção da câmara mas
também pelo afastamento do local da recolha em relacção à zona de reacção.
Após a colocação da sonda, a amostra é recolhida com o auxílio do sistema de amostragem, o qual inclui uma bomba de sucção, sendo direccionada para os analisadores. Os ensaios iniciaram-se mantendo a entrada do ar à temperatura ambiente, fazendo-se variar o coeficiente de excesso de ar através da variação de caudal de ar. O procedimento foi o mesmo para cada condição de Taq, aferindo-se a gama de valores de coeficiente de excesso de ar para os quais era possível operar o queimador até à extinção. Para cada par de variáveis, Taq e λ, foram registadas as concentrações de O2, CO2, HC, CO, e NOx presentes na composição dos gases de exaustão.
• Distribuição espacial das concentrações das principais espécies químicas: A sonda (figura 2.7) foi, à semelhança da operação com a sonda de termopar, alinhada vertical-mente com o eixo da câmara de combustão na posição 1 (malha da figura 2.6). Dada a sucção introduzida pela sonda, os pontos mais próximos da entrada de ar e combustível implicaram cuidados adicionais. A diminuição da temperatura da parede e, por conseguinte, do interior da câmara de combustão levou a que, entre cada ponto da malha nos pontos mais próximos do topo, fosse necessário retirar a sonda do interior e voltar a pré-aquecer a câmara de com-bustão até atingir novamente condições estacionárias. Este procedimento foi imprescindível nas condições com coeficiente de excesso de ar mais elevados.
Conhecidas estas dificuldades adicionais, o procedimento é em tudo idêntico ao descrito para a medição da distribuição espacial de temperatura no interior da câmara de combustão.
2.2.3 Quimiluminiscência dos radicais OH
Para a recolha das imagens de quimiluminiscência dos radicais OH, no volume da câmara de combustão, foi utilizada uma câmara ICCD - FLAMESTAR II, LaVision - com resolução de 286 ∗ 384 pixels e uma objectiva UV Nikkor, 105 mm, f/4.5 com um filtro, Melles Griot, centrado nos 310 nm; a exposição da câmara foi de 10 µs.
No interior da câmara ICCD existe uma placa de aquisição de sinal, altamente sensível, que permite captar as intensidades luminosas. Esta informação é guardada numa matriz cuja dimensão [m * n] corresponde ao número de pixels de resolução da placa de aquisição (286
∗ 284). Após obtida esta matriz [m * n], é aplicada a transformada inversa de Abel, que está associada à transformação de Radon. Uma vez que a chama é axissimétrica, foi apenas necessário obter a informação da quimiluminiscência dos radicias OH segundo uma orientação da câmara ICCD em relação à câmara de combustão. Caso contrário seriam necessárias “n” matrizes segundo “n” orientações da câmara ICCD relativamente à câmara de combustão.
Em [44] são apresentados e descritos os métodos de inversão da transformada de Abel que estiveram na base do programa de computador usado para a obtenção das imagens da quimi-luminiscência dos radicais OH.
2.2.3.1 Procedimento experimental
Uma das principais preocupações destes ensaios foi o correcto posicionamento da câmara ICCD relativamente à câmara de combustão, uma vez que o posterior tratamento de dados depende fortemente deste factor. A câmara ICCD possui 6 graus de liberdade, nomeadamente 3 graus de liberdade segundo os eixos xx, yy e zz e 3 graus de liberdade de rotação relativamente a cada um destes eixos.
Com o auxílio de um tripé, a câmara ICCD foi posicionada em profundidade, de acordo com a figura 2.8, a ≈ 1,5 m de distância do eixo da câmara de combustão. Esta distância com-preende a distância entre a placa de aquisição de sinal no interior da câmara ICCD e o eixo da câmara de combustão. O posicionamento vertical e horizontal (segundo yy e zz da figura 2.8) foi feito tendo presente a localização aproximada da zona de reacção. Por fim, os três graus de liberdade de rotação da câmara foram ajustados com o auxílio de um nível de bolha colocado no topo da câmara. Todo este processo de posicionamento da câmara teve como auxílio as im-agens captadas por esta em tempo real. Após o correcto posicionamento da câmara, foi ligado o sistema de refrigeração, aguardando-se até à estabilização da temperatura interna da câmara ICCD a 5oC. Em seguida, foi montado o filtro centrado no comprimento de onda de 310 nm. As condições de funcionamento da câmara ICCD foram testadas num ensaio inicial a fim de se aferir o nível de intensidade que deveria ser usado na captação de sinal. Após determinado o nível de intensidade mais adequado, este foi mantido constante em todos os ensaios seguintes. A tabela 2.5 resume as condições de operação da câmara de combustão utilizadas nos ensaios. Para as condições Ai e Bi foi mantido o valor de λ = 1,4 e 2,0 respectivamente, fazendo-se
1.5 m
Câmara de Combustão
Câmara ICCD
Aquisição de Dados
Imagem Real no computador x
y
z
Profundidade da Câmara
250mm
Figura 2.8: Representação esquemática do posicionamento da câmara ICCD
λ Taq [K] 1,30 1,40 1,5 1,6 2,00 2,4 300 K1 A1 - - B1 -500 - A2 - - B2 -600 C1 - C2 C3 C4 C5 700 - A3 - - B3 -800 - A4 - K2 B4 K3
Tabela 2.5: Condições usadas nos ensaios para recolha de imagens de quimiluminiscência dos radicais OH.
variar o valor de Taq entre 300 e 800 K. Na condição Ci o valor de Taq = 600 K foi mantido constante, fazendo-se o estudo da variação de λ. Ao longo dos testes Ai e Bi o caudal de ar injectado no interior da câmara de combustão manteve-se constante, ajustando-se apenas o valor de Taq no pré-aquecedor. Para cada condição experimental garantiu-se a estabilização