A estabilidade de chama proveniente do queimador multi-portas é fortemente influenciada pela interação da chama, que está em rotação, dependendo do tamanho, formato e disposição das portas da chama sobre a cabeça do queimador. Se os espaços borda a borda das portas do queimador forem menores do que 5 mm, então as chamas estáveis sobre as portas individuais podem interagir pela troca de calor (pelo trocador de calor) e radicais reativos.
Existem outras maneiras de avaliar a eficiência térmica, por exemplo, usando a Equação (10); sendo que em uma delas é necessário conhecer experimentalmente o tempo, t, que a água contida no recipiente demora em passar da temperatura inicial, Tágua,i, até a temperatura final T = 363 K. Outra maneira é calculando teoricamente o tempo t, através da modelagem transiente do processo de aquecimento da água desde a temperatura Tágua,i até a temperatura 363 K. Esta última possibilidade não foi encontrada na literatura pertinente consultada e este fato oferece uma interessante possibilidade de modelagem, a qual é comentada no Capítulo 4, na seção 4.1.4.
3.2 MODELAGEM DO QUEIMADOR PRRB (SB), DE ACORDO COM A
Figura 11. Esquema do anel do queimador redemoinho (SB) Fonte: Jugjai, Tia, Trewetasksorn , 2001
No citado trabalho é proposta uma técnica de uso de chama redemoinho central, para melhorar a eficiência térmica de um fogão convencional de chama aberta, atmosférica.
Estudos extensivos foram feitos em um esforço para melhorar a eficiência térmica do fogão pela redução da inércia térmica do suporte do recipiente, usando a tecnologia do meio poroso para recuperar o calor de radiação da chama e pré-aquecer o ar secundário arrastado do fundo do queimador. Os resultados experimentais mostraram que a eficiência térmica do queimador com chama redemoinho central com suporte convencional é aproximadamente 15 % maior do que o queimador convencional de fluxo radial. Isso pode ser atribuído ao maior coeficiente de transferência de calor entre o fluxo dos gases quentes e a superfície do recipiente do queimador redemoinho do que do queimador convencional. Trocando o suporte convencional pelo suporte do queimador redemoinho que é mais leve, a massa foi reduzida por um fator de 3,7 e a eficiência térmica aumentou em aproximadamente 3 %. Usando o pré-aquecimento secundário de ar ao invés do suporte leve, a eficiência térmica pode ser melhorada em 3 %. A eficiência térmica predita obtida do modelo proposto concorda bem com os dados experimentais apresentados por Jugjai e colaboradores.
O calor perdido devido à combustão incompleta é desprezível. Então, o gás quente vindo do PRRB (SB) forma um jato divergente, que gira radialmente a partir do ponto de estagnação para a borda do recipiente, com uma redução de temperatura desde Tf para Tp1, causada pela transferência de calor (Qb) através do fundo do recipiente. Como pode ser visto na Figura 11, esta mudança de temperatura, de Tf para Tp1, é conseqüência da troca energia entre duas correntes em um trocador de calor, uma corrente que entra a Tf e sai a Tp1, e outra
que entra a Tw e sai a Tw, pois no fundo do recipiente, justamente na superfície interna da parede a temperatura é considerada uniforme e igual a Tw.
Então o gás faz um giro de 90º e o fluxo é dirigido para cima, ao longo da superfície lateral do recipiente, devido ao efeito da força de empuxo.
Do mesmo modo, o gás transfere calor através da superfície lateral Qs e deixa o recipiente com temperatura Tp2 na borda superior. Portanto, uma camada de gás quente, em forma de disco, com espessura finita, é formada no fundo do recipiente, e sobe pelas superfícies laterais do recipiente, como se fosse um cilindro vertical oco de gás envolvendo o recipiente. O processo de transferência de calor desde o gás quente ao recipiente com água se assume em estado estacionário, isto é, em um teste de ebulição. Com isto, o fundo interno do recipiente permanece à temperatura de ebulição da água (Tw ).
Jugjai, Tia, Trewetasksorn (2001 define que a eficiência térmica usada na presente modelagem está baseada em uma norma inglesa (British Standard, BS 2491, 1963). A eficiência mencionada é calculada pela relação entre o calor absorvido pela água contida no recipiente (Qabs), tanto pelo fundo como pelas paredes laterais do recipiente, e o calor de combustão fornecido pelo combustível (Qc), ou seja, a eficiência térmica é calculada pelas Equações (15) ou (16):
( )
th
Q Q Q
abs b s
Q Q
c c
η
= = + (15)(93 ) /
w p oo b
th
f f
m C C T t
m Q
η = •° − (16)
Onde:
Qc Calor de combustão = m Qf f
•
(kW)
tb Tempo de funcionamento do queimador (s).
Considerando um volume de controle que inclui o gás quente que envolve a superfície externa do recipiente, como destacado na Figura 11, o balanço de energia entre o sistema constituído pelo fogão e as fronteiras do volume do controle pode ser escrito como:
1 2 3 4
Q = Q + Q + Q
(17)Onde Q1 é o total de calor entrando no volume de controle, em função de Qf (J/kg) sendo dado por:
1 . f
Q⋅ =
m ⋅
f Q(18)
Onde:
Qf Poder calorífico inferior do combustível (J.kg-1) m•f Fluxo mássico do combustível (kg.s-1)
O calor perdido pelo volume de controle, Q2, causado pela radiação entre o volume do gás de combustão e os arredores, é calculado por:
(
4 4)
2 1 f
Q = εσ F A T − T
∞ (19)Onde:
A Área (m2)
ε
Emissividade (adim.)σ
Constante de Stefan-Boltzmann (W.m-2K-4) F1 Fator de forma da radiação (adim.).Na equação anterior as temperaturas Tf e T∞ são dadas em Kelvin.
A quantidade total de calor absorvido para aquecer o conteúdo do recipiente, Q3 = Qabs, é dado por:
3 abs b s
Q = Q = Q + Q
(20)Onde:
Qb Calor absorvido pela parede do fundo do recipiente (kW) Qs Calor absorvido pela parede lateral do recipiente (kW).
As perdas de calor no fluxo de gases, saindo pelas laterais superiores do recipiente, à temperatura Tp2, após transferir calor para as laterais do recipiente, são calculadas por:
4 P( p2 w) Q m C Tg T
= • − (21)
Onde:
Tw = temperatura da parede (°C).
Como já foi citado, a velocidade mássica proporcional do gás de combustão mg• é o somatório das massas do combustível m f• , do ar primário (definido como o ar de combustão, arrastado por um jato de gás emergindo de um pequeno diâmetro injetor para um tubo de mistura) e do ar secundário (definido como o ar remanescente de combustão, o qual é arrastado através da abertura entre o queimador e o fundo do recipiente).
Nota-se que a quantidade de calor Q5 é o calor conduzido para fora, com o fluxo dos gases à temperatura Tp1, no volume de controle, pelas bordas laterais do fundo do recipiente, em contato com a superfície lateral do recipiente, ou seja:
5 P( p1 )
Q m C Tg T
•
= − ∞ (22)
Então, da Equação (15) a eficiência térmica do queimador, definida de forma diferente da Equação (1), é:
( )
1
b s
th
Q Q
η = Q +
(23)Onde o calor absorvido pela superfície do fundo do recipiente, Qb, é calculado por um balanço global de energia considerando a saída à temperatura Tp1 e a entrada à Tf. Ou, então admitindo que se tem um trocador de calor entre o gás quente fora do fundo do recipiente e a água no fundo do recipiente à temperatura Tw, ou seja:
( ) ( )
(
1)
1
1
) (
= m
ln ) /(
b b f w p w
b g p f p
f w p w
h A T T T T
Q C T T
T T T T
• − = − − −
− −
(24)
E o calor absorvido pela superfície lateral do recipiente, Qs, é dado por:
5 4
Q Q
s= − Q
(25)Usando as equações (20), (21) e (25) ou considerando a troca de calor na lateral do recipiente com o coeficiente convectivo hs e a área lateral As, resulta que o calor absorvido pela superfície lateral do recipiente, Qs, é:
( ) ( ) ( )
(
1) (
2)
1 2
1 2
m
ln /
S S p w p w
s g p p p
p w p w
h A T T T T
Q C T T
T T T T
•
− − −
= − =
− −
(26)O termo do segundo membro da Equação (25) é a diferença média logarítmica de temperatura (LMTD), sendo usado quando se considera que na superfície lateral do recipiente existe um trocador de calor. Nele existe a troca de calor entre o gás que flui para fora da superfície lateral do recipiente, e diminui a sua temperatura desde Tp1 até Tp2, e troca calor com a água, que está no interior do recipiente, sendo que a superfície interior da parede do recipiente permanece à temperatura constante, Tw.