3. Instalação experimental e técnicas de medição
3.1. Instalação experimental
A Figura 3.1 representa esquematicamente a instalação experimental. Os elementos principais da instalação são o pleno, a câmara, a chaminé, o sistema de ignição, o sistema de alimentação de combustível e o sistema de alimentação de oxidante.
Figura 3.1 Esquema da instalação experimental
O pleno atua como interface entre os elementos principais. O oxidante é alimentado diretamente no pleno, através de duas entradas cilíndricas coaxiais na parte superior. Este é forçado a passar pelas entradas da câmara de combustão que se encontra acoplada ao suporte. O suporte forma uma parede entre a chaminé e o pleno. Este tem um rasgo central, de modo a possibilitar a passagem dos produtos de combustão entre a câmara e a chaminé. O combustível é transportado num tubo flexível que faz a ligação entre uma das entradas laterais da parte inferior do pleno e o sistema de injeção da câmara. O fundo do pleno é selado com uma tampa.
O pleno apresenta duas janelas centrais concebidas para leituras óticas (LDA), além disso permitem adaptar suportes para leituras intrusivas de espécies químicas e temperatura no interior da câmara de combustão. No presente caso, apenas foram realizadas inspeções visuais através de janelas de quartzo fixas aos tubos. A leitura da temperatura no interior do pleno foi realizada através de uma das entradas inferiores laterais.
De forma a minimizar as perdas térmicas para o exterior, revestiu-se o pleno de manta térmica de lã de vidro e fita adesiva de alumínio.
Figura 3.2 Câmara de combustão e suporte (a); Pleno (b)
O sistema de alimentação de combustível permite utilizar gás natural ou outro combustível. O gás natural é fornecido pela rede interna do IST, com uma pressão de serviço de 21 mbar acima da pressão atmosférica. Devido às perdas de carga na linha consegue-se um caudal máximo de 4,6l/min de gás natural, o que corresponde a uma potência máxima de 1,92kW. O gás natural demonstra ser uma alternativa económica na fase de pré-aquecimento da câmara de combustão. Decidiu-se realizar o circuito de alimentação em paralelo, de modo a trocar de combustível durante o funcionamento da instalação. A junção das linhas de gás natural e do combustível é realizada através de uma ligação Y acoplada de válvulas de corte nas entradas e na saída. A linha de gás natural é constituída por uma mangueira. A linha de combustível inclui uma mangueira, uma válvula de regulação fina junto à ligação Y, de forma a ajustar o caudal e, ainda, um redutor de pressão junto à garrafa comprimida. A linha principal de combustível une a saída da ligação Y à entrada lateral do pleno. Nesta linha de combustível é medido o caudal volúmico do combustível através de um caudalímetro da marca
OMEGA, modelo FMA – A2317. O caudalímetro (Figura 3.3) encontra-se calibrado para Azoto e
permite leituras de caudais até 50SLM a pressões de 17 bar. Dado que foi utilizado um gás diferente para o qual foi calibrado, aplicou-se um fator de escala corretivo considerando o metano como referencia. (Tabela 1)
Figura 3.3 Caudalímetro de combustível
O sistema de alimentação do oxidante é constituído por uma conduta principal (Figura 3.4) onde o ar é aquecido e diluído com a mistura de azoto e água. A conduta incorpora, junto à extremidade, um pré-aquecedor da marca Osram Sylvania, modelo SureHeat® MAX Air Heater, com uma potência de 30kW. O pré-aquecedor contém serpentinas de elementos triangulares de aquecimento, constituídas por fios de resistência Níquel-Cromo. A monitorização da temperatura do ar é realizada por 2 termopares do tipo K junto à entrada e saída, com um tempo de resposta de 2ms. O pré-aquecedor permite manter a temperatura máxima de 760ºC até um caudal de ar de 1897 L/min à pressão de 4 bar. A montante do pré-aquecedor encontra-se a entrada da mistura de oxigénio e azoto proveniente do CEM. O caudal da mistura é introduzido perpendicularmente na conduta num tubo soldado. A conduta é revestida por manta térmica de lã de vidro e fita adesiva de alumino para minimizar as perdas de calor para o exterior.
Figura 3.4 Conduta de oxidante (a) e painel de controlo do pré-aquecedor (b).
O ar é fornecido pela rede de ar do Laboratório de Combustão. O ar pressurizado da rede provém de um compressor da marca Copco, modelo GX7ff, com capacidade máxima de 16,1 Nl/s a 10 bar. A pressão de saída é controlada por um redutor de pressão, junto às tomadas da rede, que permite atenuar as oscilações de caudal. Na leitura de caudal de ar utilizou-se o rotâmetro da marca KDG, série 2000 que permite uma gama de leitura compreendida entre 50L/min e 500L/min e pressões máximas de 2,5 bar. O rotâmetro está calibrado para o ar, sendo apenas necessário ter em consideração a pressão e a temperatura na correção da leitura. O controlo de caudal é realizado diretamente no redutor de pressão.
Equipamento Marca-Modelo Gama de Operação Fator de escala (K) Erro Caudalímetro GN OMEGA FMA-A2317 0 – 50 SLM 0,66 +/- 4% Rotâmetro ar KDG ~ 2000 50 – 500 Nl/min ― +/- 2% Caudalímetro azoto EL-FLOW F-211AV 0,4 – 100 ln/min ― +/- 0.5% Caudalímetro água LIQUI-FLOW L23V12 20 – 1200 g/h ― +/- 1%
Tabela 1 Rotametros e Caudalimetros
A mistura e aquecimento de azoto e água são realizados num dispositivo denominado CEM, marca Bronkhorst, modelo W-300A-228-K. O azoto e a água são misturados inicialmente no misturador, sendo posteriormente aquecidos num aquecedor de resistência elétrica a uma temperatura de saída imposta, com auxílio de um sensor de temperatura. O CEM apresenta uma potência máxima de 1kW e uma capacidade máxima de 1200g/h de líquido e 100 ln/min de gás, com uma temperatura máxima de saída de 200ºC. O controlo do caudal de entrada de azoto e água é realizado através dos caudalímetros da marca Bronkhorst, modelos EL-Flow® Select e Liquid-Flow® junto às entradas do CEM. A gama de caudal especificada para o azoto é de 0,4 a 100 ln/min e para a água é de 20 a 1200 g/h. O controlo da temperatura e dos caudais é realizado digitalmente no computador através do programa disponibilizado pela empresa. O Azoto é fornecido por uma garrafa pressurizada da marca AIRLIQUIDE com um grau de pureza de 99,8 %, à pressão de 175 bar e com uma capacidade de 11,2m3. A pressão de saída da garrafa é controlada por um redutor de pressão, sendo que esta manteve-se a 6 bar. A água provém de um tanque de duas fases pressurizado com azoto a uma pressão de 6 bar.
Figura 3.5 Dispositivo CEM (a) e respetiva configuração dos caudalímetros (b).
O sistema de ignição é constituído por um par de elétrodos, que estão inseridos na câmara de combustão. Estes são ligados ao transformador por 2 cabos de ignição de alumina revestidos de argolas cerâmicas. O transformador, da marca Satronic, modelo ZT 930, permite uma voltagem de 14kV, com uma frequência de 20kHz. O transformador incorpora um interruptor para ligar a corrente elétrica proveniente da rede. (Figura 3.6)
Figura 3.6 Equipamentos utilizados no sistema de ignição
A câmara de combustão (Figura 3.7) apresenta duas entradas de oxidante. Esta tem uma entrada na zona de bypass e outra na zona de combustão. A entrada de oxidante na zona de combustão pode
bifurcar-se em duas entradas, consoante a configuração pretendida. Esta apresenta uma entrada de oxidante primário, cujos orifícios estão coaxiais com os injetores de combustível e uma entrada de oxidante secundário cujos orifícios poderão estar abertos ou não consoante a presença ou ausência dos pinos. A geometria junto às entradas do oxidante de bypass e oxidante primário podem ser modificadas através de duas peças acopladas. A câmara tem 4 janelas que permitem visualizar a chama, apenas utilizou-se uma das janelas laterais nos ensaios. (Figura 3.8)
A câmara (Anexo A) representa um modelo à escala de 1:3 em relação à real, com uma secção de 18° em relação ao total desta. Os orifícios de entrada do oxidante primário e secundário estão espaçados de um ângulo de 6° em relação ao eixo central. Existem 3 orifícios de oxidante primário com um diâmetro de 8,3 mm e 3 orifícios de oxidante secundário com um diâmetro de 8 mm, sendo que ambos se encontram na mesma fase. A injeção de combustível é realizada através de 3 injetores com um diâmetro de 0,8 mm. Os orifícios de passagem dos elétrodos apresentam um diâmetro de 8 mm e os seus eixos estão distanciados em 9 mm.
Figura 3.8 Perfil da câmara de combustão
A chaminé que é unida ao suporte da câmara no topo do pleno apresenta dois furos: um furo superior para introduzir sondas de espécies químicas e um furo inferior para medir a temperatura. Entre a chaminé e o pleno encontra-se uma placa anexada ao suporte junto à saída dos produtos de combustão. Esta atua como corpo não fuselado, de forma a criar uma zona de recirculação que permita uniformizar a temperatura e as espécies químicas dos produtos de combustão. A saída da chaminé é ligada a um tubo de aço inoxidável maleável, que permite levar os produtos de combustão até à hotte do sistema de exaustão do laboratório.