UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Faculdade de Engenharia Mecânica
MIGUEL ANGEL MENDIETA PATIÑO
Medições da velocidade de chama laminar
em reator a volume constante para etanol,
n-butanol, n-decano, e suas misturas.
CAMPINAS 2017
MIGUEL ANGEL MENDIETA PATIÑO
Medições da velocidade de chama laminar
em reator a volume constante para etanol,
n-butanol, n-decano, e suas misturas.
Orientador: Prof. Dr. Rogério Gonçalves dos Santos
CAMPINAS 2017
Dissertação apresentada à Faculdade de Engenharia Mecânica da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica, na Área de Térmica e Fluidos.
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELO ALUNO MIGUEL ANGEL MENDIETA PATIÑO, E ORIENTADO PELO PROF. DR. ROGÉRIO GONÇALVES DOS SANTOS.
Agência(s) de fomento e nº(s) de processo(s): Não se aplica. ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6173-2369
Ficha catalográfica
Universidade Estadual de Campinas Biblioteca da Área de Engenharia e Arquitetura
Luciana Pietrosanto Milla - CRB 8/8129
Informações para Biblioteca Digital
Título em outro idioma: Laminar flame velocity survey in constant volume reactor for
ethanol, n-butanol, n-decane, and mixtures thereof
Palavras-chave em inglês: Combustion Automotive - Ignition Ethanol Butanol Reactors
Área de concentração: Térmica e Fluídos Titulação: Mestre em Engenharia Mecânica Banca examinadora:
Rogério Gonçalves dos Santos [Orientador] Waldir Antonio Bizzo
Guenther Carlos Krieger Filho
Data de defesa: 15-12-2017
Programa de Pós-Graduação: Engenharia Mecânica
Mendieta Patiño, Miguel Angel, 1982-
M523m Medições da velocidade de chama laminar em reator a volume constante para etanol, n-butanol, n-decano, e suas misturas / Miguel Angel Mendieta Patiño. – Campinas, SP: [s.n.], 2017.
Orientador: Rogério Gonçalves dos Santos.
Dissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica.
1. Combustão. 2. Automóveis - Ignição. 3. Etanol. 4. Butanol. 5. Reatores. I. Santos, Rogério Gonçalves dos, 1978-. II. Universidade Estadual de
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
COMISSÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
DEPARTAMENTO DE ENERGIA
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO ACADÊMICO
Medições da velocidade de chama laminar
em reator a volume constante para etanol,
n-butanol, n-decano, e suas misturas.
Autor: Miguel Angel Mendieta Patiño
Orientador: Prof. Dr. Rogério Gonçalves dos Santos
A Banca Examinadora composta pelos membros abaixo aprovou esta Tese:
Prof. Dr. Rogério Gonçalves dos Santos, Presidente UNICAMP/FEM
Prof. Dr. Waldir Antonio Bizzo UNICAMP/FEM
Prof. Dr. Guenther Carlos Krieger Filho USP/EP
A Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no processo de vida acadêmica do aluno.
Dedicatória
Para toda a minha família, especialmente minha esposa Elena, pelo apoio e carinho que ela me deu em todos os momentos, independentemente da distância e por sua dedicação no cuidado de nossos filhos Maurício e Angélica.
Agradecimentos
Em primeiro lugar, agradeço a Deus por me dar saúde, força e sabedoria para a conclusão bem sucedida do curso de mestrado.
Para o meu orientador Rogério, obrigado pelo apoio e acompanhamento durante todo o curso desde a minha chegada a Campinas até o dia da defesa, também quero agradecer aos seus pais João e Ivone por toda a ajuda e por estar ciente de mim em a cada momento.
Para o Professor Amir Oliveira e a equipe de pesquisadores do LabCET, obrigado por me dar a confiança e a atenção necessárias para realizar os testes experimentais na banca do reator de volume constante.
Ao Professor Darabiha da EM2C/Centrale Supelec, obrigado por permitir o uso do código REGATH, também graças a Marina e Rodolfo pela boa predisposição do uso de seus esquemas cinéticos para as simulações numéricas.
Para a UNICAMP, especialmente ao programa FAEPEX, obrigado pela assistência financeira para a compra dos combustíveis estudados e para a permanência no LabCET da Faculdade de Engenharia Mecânica da UFSC.
Para os membros da banca da qualificação e a defesa, os professores Waldir, Guenther e Rafael.
Para os diretores da FIUNA e os colegas do LME, que possibilitaram a realização do curso de mestrado no Brasil, especificamente na cidade de Campinas no estado de São Paulo.
Para minha família e amigos, especialmente meus pais, Luis e Miguela, e meus irmãos Liliana, Luis, Pedro e Silvana, agradeço seu apoio fornecido do meu querido Paraguai, o que foi bastante importante no culminar desta etapa.
Finalmente, ao programa de bolsas de estudo do governo do Paraguai: BECAL, obrigado pelo financiamento da minha bolsa de estudos.
Existe uma força motriz mais poderosa que o vapor, a eletricidade e a energia atômica: a vontade.
Resumo
O presente trabalho visa apresentar um estudo de medições da velocidade de chama laminar para misturas: ar/etanol e ar/n-butanol, apresentado nas literaturas como um simulacro de biodiesel, para ar/n-decano, apresentado nas literaturas como simulacro de querosene, ou como o principal componente de simulacros de diesel, e para
ar/n-butanol/etanol com diferentes concentrações de n-butanol (em volume). Para os combustíveis
primários (combustíveis puros) etanol, n-butanol e n-decano: como primeira parte, foram comparados os dados medidos da velocidade em função da razão de equivalência com dados experimentais de literatura e dados obtidos por simulações numéricas (chama 1-D pré-misturada). As condições iniciais de teste e simulação foram de 100 kPa de pressão e 400 K de temperatura em função da razão de equivalência no intervalo 0,6 - 1,4 com passo de 0,1. Os dados medidos da velocidade de chama laminar se aproximaram com dados experimentais encontrados na literatura, além disso, os dados simulados também deram boa aproximação com os dados medidos. Como segunda parte, foram feitos ensaios com 100 kPa de pressão inicial e razão de equivalência fixa e igual a 1,0 em função da temperatura inicial no intervalo 300 - 400 K com passo de 25 K. Os dados medidos da velocidade de chama laminar aumentam com o aumento da temperatura da mistura inicial. Para o caso do combustível binário (mistura de dois conbustíveis puros) n-butanol/etanol, com as seguintes concentrações: o B20 (20 % de n-butanol e 80 % etanol), B40 (40 % de n-butanol e 60 % etanol), B60 (60 % de n-butanol e 40 % etanol) e B80 (80 % de n-butanol e 20 % etanol), as medições da velocidade foram feitos com temperatura e pressão inicial de 400 K e 100 kPa respectivamente, em função da razão de equivalência no intervalo 0,8 - 1,3 com passo de 0,1. Os dados medidos da velocidade de chama laminar em função da razão de equivalência diminuíram com o aumento da concentração do n-butanol, além disso, a mesma tendência ocorreu com os dados de simulação para as condições de teste.
Palavras-chave: Reator a volume constante, Velocidade de chama laminar, Etanol, n-butanol,
Abstract
The present work aims to present a study of the laminar flame velocity measurements for blends: air/ethanol and air/n-butanol, presented in the literature as a simulacrum of biodiesel, for air/n-decane, presented in the literature as simulacrum of kerosene, or as the main component of diesel simulations, and for ar/n-butanol/ethanol with different concentrations of n-butanol (by volume). For the primary fuels (pure fuels) ethanol, n-butanol and n-decane: as a first part, the measured data of the velocity as a function of the equivalence ratio were compared with experimental literature data and data obtained by numerical simulations (1-D pre-mixed flame). The initial conditions of test and simulations were of 100 kPa of pressure and 400 K of temperature as a function of the equivalence ratio in the range 0.6 - 1.4 with step of 0.1. The measured data of laminar flame velocity approached with experimental data found in the literature; in addition, the simulated data also gave good approximation with the data measured. As a second part, tests with 100 kPa of initial pressure and a fixed equivalence ratio of 1.0 were performed as a function of the initial temperature in the 300 - 400 K range with a 25 K step. The measured data of laminar flame velocity increase with the temperature of the initial mixture increasing. For the case of the binary fuel (mixture of two pure fuels) n-butanol/ethanol, with the following concentrations: B20 (20 % n-butanol and 80 % ethanol), B40 (40 % n-butanol and 60 % ethanol), B60 (60 % n-butanol and 40 % ethanol) and B80 (80 % n-butanol and 20 % ethanol), the velocity measurements were made at the initial temperature and pressure of 400 K and 100 kPa respectively, as a function of the equivalence ratio in the range 0.8 - 1.3 with step of 0.1. The measured data of the laminar flame velocity as a function of the equivalence ratio decreased with increasing n-butanol concentration, in addition, the same trend occurred with the simulation data for the test conditions.
Lista de Figuras
Figura 1.1: Evolução dos preços do petróleo dos tipos Brent e WTI de 2007 a 2016. Fonte: Do autor, usando dados de BP-Statistical Review of World Energy, 2016. ... 20 Figura 1.2: Tendência do consumo brasileiro de etanol de 2007 a 2016. Fonte: Do autor,
usando dados de Empresa de pesquisa energética, 2016. ... 21 Figura 1.3: Balanço total de etanol no Brasil em 2016. Fonte: Do autor, usando dados de
Empresa de pesquisa energética, 2016. ... 21 Figura 1.4: Tendência histórica da produção brasileira de automóveis leves por tipo de
combustível, álcool puro, combustível flex, gasolina e diesel de 1957 a 2016. Fonte: Do autor, usando dados de ANFAVEA, 2016. ... 22 Figura 2.1: Métodos experimentais para avaliação da velocidade de chama laminar. Fonte: a)
Alviso, et al. (2017); b) Alviso, (2013); c) Wang, et al. (2015); d) Kim N., et al. (2005); e) Kim W., et al. (2013); f) Monteiro, (2015). ... 31 Figura 2.2: Propagação da frente de chama. Fonte: Adaptado de Glassman e Yetter (2008). . 33 Figura 2.3: Representação da chama no CVR. Fonte: Adaptado de Monteiro, (2015). ... 34 Figura 2.4: a) Representação de chama plana, b) Representação de chama esférica. Fonte:
Adaptado de Díaz, 2016. ... 37 Figura 2.5: Descrição do perfil de temperatura em chama laminar. Fonte: Adaptado de
Glassman e Yetter, 2008. ... 40 Figura 2.6: Volume de controle e condições de contorno para o modelo de Spalding. Fonte:
Turns, 1996. ... 43 Figura 2.7: Método Schlieren desenvolvido por Hooke. Fonte: Adaptado de Settles, 2001. .. 51 Figura 2.8: Diagrama de um sistema Schlieren simples. Fonte: Adaptado de Settles, 2001. .. 52 Figura 2.9: Imagem Schlieren para três orientações de lâminas de corte: (a) circular, (b)
vertical, (c) horizontal. Fonte: Settles, 2001. ... 53 Figura 2.10: Configuração do Schlieren tipo Z mostrando os ângulos e focos ... 54 Figura 3.1: Bancada experimental, sala de experimento. Fonte: Do autor. ... 57 Figura 3.2: Reator a volume constante (CVR) para medições de velocidade de chama. Fonte:
LabCET 2017... 58 Figura 3.3: Reator a volume constante (CVR) para medições de velocidade de chama. Fonte:
LabCET 2017... 58 Figura 3.4: Diâmetro do reator: 300 mm, diâmetro útil da janela: 150 mm. Fonte: LabCET
2017. ... 59 Figura 3.5: Diagrama esquemático do sistema de esvaziamento do CVR. Fonte: Adaptado de
Hartmann E. 2014. ... 60 Figura 3.6: Diagrama esquemático do sistema de enchimento do CVR. Fonte: Adaptado de
Hartmann E. 2014. ... 61 Figura 3.7: Sistema de ignição, Ignition Box. Fonte: Do autor. ... 62 Figura 3.8: Bancada experimental, partes principais. Fonte: Do autor. ... 64 Figura 3.9: Foto do chassi e dos módulos do sistema de aquisição de dados. Fonte: Do autor. ... 65 Figura 3.10: Amplificador de carga do transdutor de pressão piezoelétrico. Fonte: Do autor. 65 Figura 3.11: Evolução da chama esférica da mistura ar/n-decano com condições iniciais de
400 K e 100 kPa. Fonte: Do autor. ... 73 Figura 3.12: Dados do raio e da pressão em função ao tempo para uma mistura
estequiométrica ar/n-decano com condições iniciais de 400 K e 100 kPa. Fonte: Do autor. ... 74 Figura 3.13: Dados de velocidade de chama esticada em função a taxa de estiramento para
uma mistura estequiométrica ar/n-decano com condições iniciais de 400 K e 100 kPa. Fonte: Do autor. ... 75 Figura 3.14: Extrapolação linear dos dados de velocidade de chama esticada em função a taxa
de estiramento para uma mistura estequiométrica ar/n-decano com condições iniciais de 400 K e 100 kPa. Fonte: Do autor. ... 75 Figura 3.15: Configuração simulada. Modelo unidimensional de chama laminar pré-misturada. Fonte: Do autor. ... 79 Figura 4.1: Resultados da velocidade de chama laminar da mistura ar/etanol em função da
razão de equivalência obtida experimentalmente em 400 K e 100 kPa. Fonte: Do autor. ... 85 Figura 4.2: Resultados da velocidade de chama laminar da mistura ar/n-butanol em função da
razão de equivalência obtida experimentalmente em 400 K e 100 kPa. Fonte: Do autor. ... 86 Figura 4.3: Resultados da velocidade de chama laminar da mistura ar/n-decano em função da
razão de equivalência obtida experimentalmente em 400 K e 100 kPa. Fonte: Do autor. ... 87 Figura 4.4: Curva de ajuste para os resultados da velocidade de chama laminar em função da
autor. ... 88 Figura 4.5: Curva de ajuste para os resultados da velocidade de chama laminar em função da
razão de equivalência da mistura ar/n-butanol obtida em 400 K e 100 kPa. Fonte: Do autor. ... 89 Figura 4.6: Curva de ajuste para os resultados da velocidade de chama laminar em função da
razão de equivalência da mistura ar/n-decano obtida em 400 K e 100 kPa. Fonte: Do autor. ... 89 Figura 4.7: Curva de ajuste para os resultados da velocidade de chama laminar em função da
razão de equivalência das misturas ar/etanol, ar/n-butanol e ar/n-decano obtida em 400 K e 100 kPa. Fonte: Do autor. ... 91 Figura 4.8: Resultados da velocidade de chama laminar da mistura ar/etanol em função da
razão de equivalência versus medições de outros autores. Fonte: Do autor. ... 92 Figura 4.9: Resultados da velocidade de chama laminar da mistura ar/n-butanol em função da
razão de equivalência versus medições de outros autores. Fonte: Do autor. ... 93 Figura 4.10: Resultados da velocidade de chama laminar da mistura ar/n-decano em função da
razão de equivalência versus medições de outros autores. Fonte: Do autor. ... 94 Figura 4.11: Resultados da velocidade de chama laminar da mistura ar/etanol em função da
razão de equivalência versus dados de simulações numéricas obtida em 400 K e 100 kPa. Fonte: Do autor. ... 95 Figura 4.12: Resultados da velocidade de chama laminar da mistura ar/n-butanol em função
da razão de equivalência versus dados de simulações numéricas obtida em 400 K e 100 kPa. Fonte: Do autor. ... 96 Figura 4.13: Resultados da velocidade de chama laminar da mistura ar/n-decano em função da
versus dados de simulações numéricas obtida em 400 K e 100 kPa. razão de equivalência Fonte: Do autor. ... 97 Figura 4.14: Resultados da velocidade de chama laminar em função da temperatura inicial das
misturas ar/etanol, ar/n-butanol e ar/n-decano obtida experimentalmente em 100 kPa e razão de equivalência 1,0. Fonte: Do autor... 98 Figura 4.15: Curva de ajuste para os resultados da velocidade de chama laminar em função da
temperatura inicial das misturas ar/etanol, ar/n-butanol e ar/n-decano obtida experimentalmente em 100 kPa e razão de equivalência 1,0. Fonte: Do autor. .... 99 Figura 4.16: Resultados da velocidade de chama laminar da mistura B20 em função da razão
de equivalência obtida experimentalmente em 400 K e 100 kPa. Fonte: Do autor. ... 101
Figura 4.17: Resultados da velocidade de chama laminar da mistura B40 em função da razão de equivalência obtida experimentalmente em 400 K e 100 kPa. Fonte: Do autor. ... 102 Figura 4.18: Resultados da velocidade de chama laminar da mistura B60 em função da razão
de equivalência obtida experimentalmente em 400 K e 100 kPa. Fonte: Do autor. ... 102 Figura 4.19: Resultados da velocidade de chama laminar da mistura B80 em função da razão
de equivalência obtida experimentalmente em 400 K e 100 kPa. Fonte: Do autor. ... 103 Figura 4.20: Curva de ajuste para os resultados da velocidade de chama laminar em função da
razão de equivalência da mistura B20 obtida em 400 K e 100 kPa. Fonte: Do autor. ... 104 Figura 4.21: Curva de ajuste para os resultados da velocidade de chama laminar em função da
razão de equivalência da mistura B40 obtida em 400 K e 100 kPa. Fonte: Do autor. ... 105 Figura 4.22: Curva de ajuste para os resultados da velocidade de chama laminar em função da
razão de equivalência da mistura B60 obtida em 400 K e 100 kPa. Fonte: Do autor. ... 105 Figura 4.23: Curva de ajuste para os resultados da velocidade de chama laminar em função da
razão de equivalência da mistura B80 obtida em 400 K e 100 kPa. Fonte: Do autor. ... 106 Figura 4.24: Curva de ajuste para os resultados da velocidade de chama laminar em função da
razão de equivalência das misturas B20, B40, B60 e B80 obtida em 400 K e 100 kPa. Fonte: Do autor. ... 107 Figura 4.25: Resultados da velocidade de chama laminar da mistura B20 em função da razão
de equivalência versus dados de simulações numéricas obtida em 400 K e 100 kPa. Fonte: Do autor. ... 109 Figura 4.26: Resultados da velocidade de chama laminar da mistura B40 em função da razão
de equivalência versus dados de simulações numéricas obtida em 400 K e 100 kPa. Fonte: Do autor. ... 109 Figura 4.27: Resultados da velocidade de chama laminar da mistura B60 em função da razão
de equivalência versus dados de simulações numéricas obtida em 400 K e 100 kPa. Fonte: Do autor. ... 110 Figura 4.28: Resultados da velocidade de chama laminar da mistura B80 em função da razão
de equivalência versus dados de simulações numéricas obtida em 400 K e 100 kPa. Fonte: Do autor. ... 111
Lista de Tabelas
Tabela 1.1: Estrutura molecular e aplicação principal de isômeros de butanol. Fonte: Adatado de Jin et al., 2011. ... 23 Tabela 2.1: Definições para velocidade de chama 𝑆𝐹, velocidade de queima 𝑆𝐵,𝑏, 𝑆𝐵,𝑢 e 𝑆𝐵, e
velocidade dos gases à montante e jusante da frente de chama 𝑢𝑢 e 𝑢𝑏. Fonte: Adaptado de Díaz, 2016. ... 38 Tabela 3.1: Resumo das equações de extrapolação consideradas pelo Law et. al. (2014), 𝐿𝑏 é o
comprimento Markstein, 𝑆𝑛,𝑏 é a velocidade de chama esticada em relação a mistura queimada, 𝑆𝐿,𝑏 é a velocidade de chama não esticada em relação a mistura queimada, 𝐾 é o estiramento da chama e 𝓀 é a curvatura. ... 68 Tabela 3.2: Composição e massa dos combustíveis primários em função da razão de
equivalência. Fonte: Do autor. ... 70 Tabela 3.3: Composição e massa para o combustível binário em função da razão de
equivalência. Fonte: Do autor. ... 70 Tabela 3.4: Dados experimentais do teste número doze para uma mistura estequiométrica
ar/n-decano. Fonte: Do autor. ... 71 Tabela 3.5: Parâmetros da extrapolação linear dos dados de velocidade de chama esticada em
função a taxa de estiramento para uma mistura estequiométrica ar/n-decano com condições iniciais de ... 76 Tabela 3.6: Resultado do calculo de equilíbrio de uma mistura ar/n-decano. Fonte: Do autor. ... 76 Tabela 3.7: Variáveis relevantes para determinação da velocidade de chama do ar/etanol e
incertezas correspondente. Fonte: Do autor... 77 Tabela 3.8: Resumo da literatura sobre medições de velocidade de chama do etanol, n-butanol
e n-decano. Fonte: Do autor... 78 Tabela 3.9: Composição da fração molar da mistura ar/etanol em função a razão de
equivalência. Fonte: Do autor. ... 82 Tabela 3.10: Composição da fração mássica da mistura ar/etanol em função a razão de
equivalência. Fonte: Do autor. ... 82 Tabela 3.11: Composição da fração molar da mistura ar/n-butanol/etanol em função a razão
de equivalência. Fonte: Do autor. ... 83 Tabela 3.12: Composição da fração mássica do ar/n-butanol/etanol em função a razão de
equivalência. Fonte: Do autor. ... 83 Tabela 4.1: Valores médios dos dados experimentais da velocidade de chama laminar em
função da razão de equivalência dos combustíveis primários. Fonte: Do autor. ... 87 Tabela 4.2: Coeficientes da curva de ajuste para dados da velocidade de chama laminar em
função da razão de equivalência das misturas ar/etanol, butanol e ar/n-decano. Fonte: Do autor. ... 90 Tabela 4.3: Valores médios dos dados experimentais da velocidade de chama laminar em
função da temperatura inicial dos combustíveis primários. Fonte: Do autor. ... 98 Tabela 4.4: Coeficientes da curva de ajuste para dados da velocidade de chama laminar em
função da temperatura inicial das misturas ar/etanol, ar/n-butanol e ar/n-decano. Fonte: Do autor. ... 100 Tabela 4.5: Valores médios dos dados experimentais da velocidade de chama laminar em
função da razão de equivalência das misturas B20, B40, B60 e B80. Fonte: Do autor. ... 103 Tabela 4.6: Coeficientes da curva de ajuste para dados da velocidade de chama laminar em
função da razão de equivalência das misturas B20, B40, B60 e B80. Fonte: Do autor. ... 106
Sumário
1 INTRODUÇÃO ... 19 1.1 Etanol ... 19 1.2 N-butanol... 22 1.3 N-Decano ... 24 1.4 Objetivos e Estrutura ... 24 2 FUNDAMENTOS ... 27 2.1 Combustão ... 27 2.1.1 Estequiometria ... 29 2.1.2 Tipos de chamas ... 302.1.3 Chama laminar pré-misturada ... 33
2.1.4 Chama esférica e estiramento de chama ... 34
2.1.5 Representação de chama plana e chama esférica ... 37
2.2 Velocidade de chama laminar ... 38
2.2.1 Modelo de Mallard e Le Chatelier ... 39
2.2.2 Modelo de Spalding ... 42
2.2.3 Parâmetros que influenciam a velocidade de chama ... 45
2.3 Cinética química ... 46
2.3.1 Mecanismos de reação ... 46
2.3.2 A equação de Arrhenius ... 48
2.4 Método óptico Schlieren ... 50
2.5 Trabalhos prévios na bancada do CVR ... 55
3 METODOLOGIA ... 56
3.1 Bancada experimental ... 57
3.1.1 Reator de volume constante ... 57
3.1.2 Sistema de aquecimento ... 59
3.1.3 Sistema de esvaziamento ... 60
3.1.4 Sistema de enchimento ... 61
3.1.5 Sistema de ignição ... 62
3.1.6 Sistema óptico ... 63
3.1.7 Sistema de aquisição de dados ... 64
3.2.1 Modelamento da velocidade de chama laminar ... 66
3.2.2 Procedimento experimental ... 68
3.2.3 Processamento de dados experimentais ... 70
3.3 Incertezas das medições ... 76
3.4 Metodologias encontradas na literatura... 78
3.5 Estudo numérico da combustão ... 79
3.5.1 Mecanismos de cinética química ... 79
3.5.2 Condições iniciais e de contorno ... 81
4 RESULTADOS ... 84
4.1 Combustíveis Primários: Resultados da velocidade de chama laminar em função da razão de equivalência ... 84
4.1.1 Medições experimentais com barras de incerteza ... 85
4.1.2 Curvas de ajuste dos valores medidos ... 88
4.1.3 Comparação com outros trabalhos ... 92
4.1.4 Comparação com simulações numéricas ... 94
4.2 Combustíveis Primários: Resultados da velocidade de chama laminar em função da temperatura inicial ... 97
4.2.1 Medições experimentais com barras de incerteza ... 97
4.2.2 Curvas de ajuste dos valores medidos ... 99
4.3 Combustível Binário: Resultados da velocidade de chama laminar em função da razão de equivalência ... 100
4.3.1 Medições experimentais com barras de incerteza ... 100
4.3.2 Curvas de ajuste dos valores medidos ... 104
4.3.3 Comparação com simulações numéricas ... 108
5 CONCLUSÕES ... 112
5.1 Conclusões ... 112
5.2 Sugestões para trabalhos futuros ... 114
1 INTRODUÇÃO
O presente trabalho centra-se no estudo das medidas da velocidade de chama laminar para três substâncias puras: etanol, n-butanol e n-decano, além disso, abrange o estudo de misturas de n-butanol/etanol para diferentes concentrações de n-butanol na mistura (em volume). A seção 1.1 relata a necessidade de estudos de pesquisa de combustíveis alternativos e o papel do etanol no mercado brasileiro. A seção 1.2 e 1.3 apresentam as aplicações do n-butanol e o n-decado como combustíveis alternativos. Finalmente, a seção 1.4 apresenta o objetivo geral e específicos bem como a estrutura do trabalho.
1.1 Etanol
Desde o início do século XX, a constante necessidade de inovação e crescimento dos processos de industrialização e da frota automotiva em todo o mundo levou a um aumento progressivo da demanda por consumo de combustíveis derivados do petróleo.
Atualmente, os combustíveis derivados do petróleo estão localizados em reservas limitadas ou finitas concentradas em certas regiões do mundo, portanto, a extração indiscriminada e o consumo desnecessário levaram à redução dos recursos de carbono subterrâneo, o que faz dele uma fonte de energia não renovável.
Além disso, os países que não possuem ou não exploram esse recurso natural são frequêntemente afetados pelas grandes crises econômicas que fazem com que o preço do petróleo no mercado mundial varie, afetando principalmente a importação de petróleo bruto. De acordo com dados do BP-Statistical Review of World Energy (2016) a Figura 1.1 apresenta a flutuação no preço do petróleo durante a última década.
Por causa dessa instabilidade no preço do petróleo, vários países enfrentam a necessidade de procurar combustíveis alternativos que podem ser produzidos por meio de seus próprios recursos e, de preferência, de fontes renováveis, por exemplo, álcool, biodiesel, óleos vegetais, etc., (Agarwal, 2007).
Figura 1.1: Evolução dos preços do petróleo dos tipos Brent e WTI de 2007 a 2016. Fonte: Do autor, usando dados de BP-Statistical Review of World Energy, 2016.
De acordo com o Intergovernamental Panel of Change Climate (IPCC, 2014), 72 % das emissões de gases de efeito estufa (GEE) no mundo ligado ao setor de transporte, são provenientes de transporte por estradas, o que representa em torno de 10 % da emissão total de GEE. No Brasil, a maioria dos carros comerciais opera com motores Flex, que são capazes de consumir qualquer mistura de etanol e gasolina. Alguns países têm legislações que prevê uma percentagem mínima obrigatória de etanol na gasolina a ser distribuído ao mercado.
Desde a criação do Programa Nacional de Álcool (PROÁLCOOL) por decreto presidencial em 1975, o Brasil é o país com a maior frota de veículos que funcionam com biocombustíveis. O PROÁLCOOL teve como objetivo incentivar a produção doméstica de álcool a partir de mandioca, cana-de-açúcar, etc. Além disso, promover a modernização e expansão de destilarias novas e existentes para aumentar a produção de etanol anidro usado em mistura com gasolina, (Rosillo-Calle e Cortez, 1998). A Figura 1.2 apresenta o consumo de etanol no Brasil durante a última década, e na Figura 1.3 se apresenta o balanço geral do etanol no Brasil para o ano 2016.
Figura 1.2: Tendência do consumo brasileiro de etanol de 2007 a 2016. Fonte: Do autor, usando dados de Empresa de pesquisa energética, 2016.
Figura 1.3: Balanço total de etanol no Brasil em 2016. Fonte: Do autor, usando dados de Empresa de pesquisa energética, 2016.
De acordo com a Associação Nacional dos Fabricantes de Veículos Automotores (ANFAVEA, 2016) 95,6 % dos 2087195 milhões de veículos leves produzidos no ano 2016 no país funcionam tanto a etanol quanto a gasolina, ou qualquer mistura entre os dois combustíveis (Flex Fuel). A Figura 1.4 apresenta a produção brasileira de automóveis leves ao longo do tempo.
Figura 1.4: Tendência histórica da produção brasileira de automóveis leves por tipo de combustível, álcool puro, combustível flex, gasolina e diesel de 1957 a 2016. Fonte: Do autor,
usando dados de ANFAVEA, 2016.
Os álcoois, principalmente o etanol (CH3CH2OH ou C2H6O) também chamado álcool
etílico é uma substância orgânica obtida geralmente por fermentação de açúcares, o qual são produzidos mundialmente em maior escala pelos Estados Unidos, a partir da fermentação do milho, e pelo Brasil, por fermentação a partir da cana-de-açúcar. O etanol é um combustível alternativo de origem renovável e o mais amplamente estudado (Demirbas, 2007). Atualmente, o mais utilizado em motores a combustão interna (MCI) como um aditivo de combustível, misturado especialmente para reforçar e melhorar a combustão em motores de ignição por centelha, especialmente no Brasil (Agarwal, 2007). Suas vantagens para esta aplicação são o elevado índice de octano, número baixo de cetano e a facilidade de mistura com outros combustíveis. Além disso, sua densidade energética é menor do que a densidade energética da gasolina, requerendo mais litros de combustível para executar as mesmas distâncias (Jin et al., 2011).
1.2 N-butanol
O n-butanol é um solvente orgânico, miscível em quase todos os solventes orgânicos, e com relativa solubilidade em água. De acordo com a maior produtora brasileira Elekeiroz, as principais aplicações do n-butanol são na produção de plastificantes, indústria de tintas e vernizes, acetatos e acrilatos. Além disso, na fabricação de éteres glicólicos, perfumes,
intermediários para detergentes e antibióticos.
O n-butanol é um dos quatro isómeros de butanol, um grupo de álcoois descrito pela fórmula (C4H9OH ou C4H10O). A Tabela 1.1 apresenta a estrutura e principais aplicações dos
isômeros do butanol, de acordo com a posição de seu radical hidroxila (OH) ou da disposição de seus átomos de carbono.
Tabela 1.1: Estrutura molecular e aplicação principal de isômeros de butanol. Fonte: Adatado de Jin et al., 2011.
Isômero de butanol
Estrutura
molecular Mapa 3D Principais aplicações
n-Butanol
Solventes para tintas, resinas, corantes, etc. Plastificantes para melhorar processos de materiais plásticos. Intermediário químico para ésteres butílicos ou butiléteres, etc. Cosméticos, incluindo maquiagem para os olhos, batons, etc. Aditivo para gasolina.
2-Butanol
Solvente. Intermediário químico para butanona, etc. Limpadores industriais, como removedores de tinta. Perfumes ou sabores artificiais
iso-Butanol
Solvente e aditivo para pintura. Aditivo para gasolina. Limpadores industriais, como removedores de tinta. Ingrediente de tinta
terc-Butanol
Solvente. Desnaturante para etanol. Limpadores industriais, como removedores de tinta. Aditivo à gasolina para impulsionador de octanagem e oxigenado. Intermediário para MTBE, ETBE, TBHP, etc.
O n-butanol é o isómero normal do grupo, apresentando o radical OH no final da cadeia de carbono. Sua principal aplicação é como intermediário em processos químicos para uso industrial. De acordo com o trabalho de Da Silva e Dos Santos (2017) o n-butanol é uma substância orgânica (origem renovável) cujas características físico-químicas e de queima são próximas à da gasolina e do diesel comerciais, portanto, isso sugere a substituição ou a formação de uma mistura com gasolina que tenha melhores propriedades do que as misturas de etanol e gasolina em termos de desempenho do motor e redução de emissões. Apesar disso, ainda se sabe pouco acerca das características de sua combustão, motivando a pesquisa na
área. Atualmente, a principal desvantagem do n-butanol é em seus processos de produção, que não podem competir com os de outros combustíveis comerciais. Esses processos requerem melhorias em relação aos custos e à produtividade para se tornarem economicamente viáveis (Jin et al., 2011).
1.3 N-Decano
O n-decano, em química, é um hidrocarboneto alcano com dez átomos de carbono descrito pela fórmula (C10H22). Em condições normais de temperatura e pressão o n-decano é
um líquido incolor obtido principalmente pela refinação do petróleo e é usado como solvente para produzir outros produtos químicos. Ocorre naturalmente no gás natural e na fração de parafina do petróleo. Combustão de derivados de petróleo, operações de vulcanização e extrusão, incinerador de resíduos e vários materiais liberam n-decano na atmosfera. (Costa, 2016).
Em vários trabalhos de pesquisa na área de combustão o n-decano tem sido usado como principal componente de simulacros do diesel e querosene. Por exemplo, foi estudado como o principal componente da maioria dos modelos de misturas de simulacro em combustíveis para jatos; Jet-A, um combustível de aviação comum; e S-8, um combustível sintético derivado do gás natural usando o processo Fischer-Trospch e consistindo em vários alcanos normais e ramificados (Edwards et al., 2004). Sua modelagem também ajuda a entender os mais complexos alcanos.
1.4 Objetivos e Estrutura
O objetivo principal deste trabalho é medir a velocidade de chama laminar do etanol, n-
butanol, n-decano e as misturas de n-butanol/etanol para o B20 (20 % n-butanol/80 %
etanol), o B40 (40 % n-butanol/60 % etanol), o B60 (60 % n-butanol/40 % etanol) e B80 (80 % n-butanol/20 % etanol) em termos de volume. As velocidades são estimadas a partir da análise de imagem obtida pelo método óptico Schlieren sobre a propagação de uma chama esférica em um Reator de Volume Constante (CVR: Constant Volume Reactor) que é o componente principal da bancada experimental construída para este tipo de medições.
O presente trabalho foi desenvolvido no Laboratório de Combustão e Engenharia de
Sistemas Térmicos da Faculdade de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Santa
Universidade Estadual de Campinas (FEM - UNICAMP) e com auxilio financeiro do Fundo
de Apoio ao Ensino, à Pesquisa e Extensão (FAEPEX) da UNICAMP.
Objetivos Específicos:
Os objetivos específicos e trabalhos prévios são listados abaixo:
• Primeiramente familiarizar-se com o método de medição de chamas de expansão esféricas em reator de volume constante, revisão de literatura e documentos anteriormente desenvolvidos no LabCET.
• Adquirir em formato de vídeo a posição da frente de chama para misturas de ar/etanol, ar/n-butanol e ar/n-decano com os respectivos valores de pressão durante a combustão, nas condições iniciais de temperatura e pressão de 400 K e 100 kPa, respectivamente, para razões de equivalência de 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0; 1,1; 1,2; 1,3 e 1,4.
• Adquirir em formato de vídeo a posição da frente de chama para misturas de ar/etanol, ar/n-butanol e ar/n-decano com os respectivos valores de pressão durante a combustão, nas condições iniciais de pressão e razão de equivalência de 100 KPa e 1,0; respectivamente, para temperatura iniciais de 300 K, 325 K, 350 K, 375 K e 400 K.
• Adquirir em formato de vídeo a posição da frente de chama para misturas de ar/n-butanol/etanol com os respectivos valores de pressão durante a combustão, nas condições iniciais de temperatura e pressão de 400 K e 100 kPa, respectivamente, para razões de equivalência de 0,8; 0,9; 1,0; 1,1; 1,2 e 1,3.
• Fazer o processamento do vídeo e obter as imagens da posição da frente de chama de acordo com a escala de tempo de análise de uma chama em um regime laminar. • Obtenção das propriedades de reagentes e produtos de uma combustão adiabática em
equilíbrio obtidas por meio do software CHEMKIN para o calculo do fator de expansão para cada caso experimental.
• Obtenção da velocidade de chama laminar, através do modelamento linear e à correção debido ao factor de expanção e, em seguida, comparar com dados disponíveis na literatura como forma de validação.
• Fazer as simulações numéricas através do pacote REGATH com cinéticas químicas detalhadas para cada caso experimental e, em seguida, comparar com dados de velocidad obtida no item acima.
A estrutura deste trabalho:
O Capítulo 2 apresenta os aspectos fundamentais da combustão de um sistema reativo pré-misturado, a estrutura de chama laminar e os modelos existentes que estudam a velocidade de chama laminar bem como os parâmetros físicos-químicos que a influenciam. Também é abordado o estudo cinético químico que descreve a velocidade das reações químicas e os fatores que nela interferem. Além disso, se apresenta o estado da arte do método óptico utilizado para a medição da velocidade de chama laminar e os trabalhos previos já feitos com a bancada utilizada.
O Capítulo 3 explica como o trabalho foi desenvolvido apresentando a bancada experimental e o detalhe de seus equipamentos, as equações de modelamento, o procedimento de medição, tratamento de dados medidos e estimação das incertezas na medição. Também neste capítulo apresentamos as simulações numéricas da velocidade da chama laminar feita nas condições de cada teste e por meio do uso de mecanismos de cinética química desenvolvidos na UNICAMP.
O Capítulo 4 apresenta os resultados do presente trabalho. Para os combustíveis primários: como primeira parte se apresenta os valores medidos da velocidade em função da razão de equivalência, além disso, as respetivas curvas de ajuste, a comparação com: dados experimentais medidos por outros autores e dados de simulações numéricas feitas para cada teste. Como segunda parte se apresenta os valores medidos da velocidade em função da temperatura inicial em condição estequiométrica para à mistura ar/combustível. Finalmente para o combustível binário se apresenta os valores medidos da velocidade em função da razão de equivalência, além disso, as respetivas curvas de ajuste, a comparação com: dados medidos por outros autores e dados e dados de simulações numéricas feitas para cada teste.
O Capítulo 5 acaba este trabalho apresentando suas principais conclusões e sugestões para trabalos futuros.
2 FUNDAMENTOS
Neste capítulo, definimos a combustão, a estrutura de chama e os processos que a acompanham. Embora seja um fenômeno apreciado diariamente, a combustão é um processo complexo envolvendo diferentes disciplinas, como a termodinâmica, a cinética química, dinâmica de fluidos e fenômenos de transporte (transferências de calor e massa).
Para entender essas diferentes disciplinas na seção 2.1, apresentamos os aspectos fundamentais da combustão, como sua definição química-molecular, a estequiometria de um sistema reativo (oxidante/combustível), características de uma chama para uma sistema pré-misturado, definição de velocidade de propagação e estiramento para uma chama esférica. Na seção 2.2, apresentamos modelos básicos sobre o estudo da velocidade de chama laminar e os parâmetros que a influenciam. Em seguida, na seção 2.3, do ponto de vista cinético, a taxa de reação é analisada para o caso de uma reação bimolecular com suas respectivas equações para finalmente obter o coeficiente de taxa de reação bimolecular. Na seção 2.4 explica o princípio e a configuração do método óptico utilizado para estimar a velocidade de chama. Finalmente, a Seção 2.5 resume os trabalhos realizados na bancada experimental usada para cumprir os objetivos gerais deste trabalho de pesquisa.
2.1 Combustão
A combustão pode ser definida como o processo químico exotérmico pelo qual duas substâncias (combustível e oxidante ou oxigênio) reagem, liberando calor (liberação de energia) e novos produtos a temperatura elevada. A região muito estreita em que esta reação ocorre é chamada de zona reativa e dá origem a uma radiação que pode ou não estar na região da luz visível (não será visível se for emitida no infravermelho ou ultravioleta, exemplo a combustão de hidrogênio) chamado chama. A importância da combustão consiste em permitir converter a energia de ligações químicas em energia que podemos usar de diversas maneiras (Molina, 2008).
Uma boa combustão otimiza a liberação de energia interna da mistura oxidante/ combustível graças à reação química, minimizando as perdas e otimizando sua eficiência, levando en conta que uma maior eficiência significa menos uso de combustível. Também é importante estudar os produtos de combustão que podem produzir uma grande quantidade de contaminantes prejudiciais à saúde, no qual podem ser formadas pequenas quantidades de
SO3, NOx, hidrocarbonetos não queimados e outras substâncias. A combustão ótima pode
prevenir ou pelo menos reduzir a produção de poluentes, como monóxido de carbono (CO2) e
óxido de nitrogênio (NOx), no caso de NOx é considerado um dos principais poluentes
emitidos para o meio ambiente. Estes são produzidos mesmo usando combustíveis limpos, como gás natural e hidrogênio. Os efeitos negativos sobre o meio de NOx incluem uma
contribuição significativa para a formação de chuva ácida, visibilidade atmosférica reduzida, produção de ozónio troposférico e no caso principal do NO2, aquecimento global e a redução
de ozono estratosférico (Torres et al., 2009).
Os reagentes deven ser misturados no nível molecular para a ocorrência da reação de combustão. Portanto, o fenômeno da mistura oxidante/combustível é fundamental nas propriedades da combustão. De acordo com Fernandez (2006) a combinação de elementos combustíveis inflamáveis com oxigênio requer:
• Temperatura suficientemente alta para ignição de elementos inflamáveis. • Turbulência que facilita o contato íntimo de combustível-oxigênio. • Tempo suficiente para completar o processo.
Alonso (2005) faz uma clasificação dos elementos que compõem os combustíveis de acordo com três grupos:
• Elementos ativos, tal como o hidrogénio e carbono, que mediante a oxidação com oxigênio do ar, produzem uma reação exotérmica com uma forte libertação de calor. • Elementos inertes, que não são uma parte ativa da combustão (por exemplo, CO2, N2,
etc.), mas que podem aparecer nos combustíveis.
• Elementos indesejáveis, como o vanádio e o sódio a altas temperaturas e o enxofre a baixas temperaturas.
Dependendo das condições físicas e aerodinâmicas, o fenômeno da combustão pode assumir formas e aparências muito diferentes. Muitas vezes, começa com uma reação de oxidação lenta que, quando é dada condições de temperatura, pressão e composição em toda a mistura, é transformada em uma combustão viva chamada explosão ou auto-inflamação. Quando a auto-inflamação ocorre localmente, a zona de reação dentro da qual as reações de combustão ocorrem pode, sob certas condições, ser propagada gradualmente na mistura. A zona de propagação reativa é chamada de frente de chama.
Finalmente, dependendo da natureza da mistura e das condições de confinamento, a chama previamente misturada pode ser propagada a velocidade subsônica (deflagração) ou velocidade supersônica (detonação). Também é importante enfatizar a influência do tipo de
regime hidrodinâmico no fluido, uma vez que dependendo disso corresponde um tipo diferente de chama (laminar ou turbulento).
2.1.1 Estequiometria
Em uma mistura de reagentes ou mistura de oxidante/combustível (ou ar/combustível) a quantidade estequiométrica de oxidante, expressa em base molar ou mássica, é a quantidade nessesária (volume teórico de ar) que reagirá completamente com certa quantidade de combustível.
Quando a reação de combustão é realizada com uma quantidade de ar maior do que o volume teórico deste, há um excesso de oxidante e os produtos de combustão contêm oxigênio, corpo oxidante, pelo que a combustão é chamada oxidante ou pobre. Por outro lado, se a quantidade de ar for inferior ao volume teórico do ar de combustão, existe uma falta de ar e os produtos de combustão contêm moléculas não queimadas como o hidrogênio e o monóxido de carbono (CO) os quais são redutoras, logo a combustão é conhecida como rica em combustível. Se a combustão completa pode ser obtida com um volume de ar exatamente igual ao volume teórico de ar da combustão, os produtos de combustão não contêm oxigênio ou elementos redutores, neste caso a combustão é chamada de neutra ou estequiométrica.
Por exemplo para um combustível genérico composto por um hidrocarboneto do tipo CαHβ, a relação estequiométrica de combustão com ar seco de composição padrão simplificado (21 % de O2 e 79 % de N2 em volume, resultando 0,79/0,21 = 3,76 moles de
nitrogênio por mol de oxigênio) assume a siguente forma:
Cα𝐻𝛽+ 𝑎(𝑂2+ 3,76𝑁2) → 𝑥𝐶𝑂2+ �𝑦2� 𝐻2𝑂 + 3,76𝑎𝑁2 (2.1)
e por meio de um balanço atómico temos:
𝑎 = 𝑥 + �𝑦4� (2.2)
O parâmetro denominado relação ar/combustível estequiométrica é definido pela equação:
�𝐴𝐹� 𝑒𝑠𝑡𝑒𝑞 = � 𝑚𝑎𝑟 𝑚𝐹� = 4,76𝑎 1 𝑀𝑀𝑎𝑟 𝑀𝑀𝐹 (2.3)
onde 𝑚𝑎𝑟 e 𝑚𝐹 são as massas de ar e combustível respectivamente, 𝑎 é o mesmo parâmetro da Equação (2.2), 𝑀𝑀𝑎𝑟 e 𝑀𝑀𝐹 são os pesos moleculares de ar e combustível respectivamente. Para uma determinada mistura de reagentes (ar/combustível), um novo parâmetro é definido para quantificar quando a mistura é pobre, rica ou estequiométrica. Este parâmetro é a razão de equivalência:
ϕ =� 𝐴 𝐹�𝑒𝑠𝑡𝑒𝑞 �𝐴𝐹� = �𝐹𝐴� �𝐹𝐴� 𝑒𝑠𝑡𝑒𝑞 = �𝑛𝑎𝑟 𝑀𝑀𝑎𝑟𝑛𝐹 𝑀𝑀𝐹 � �4,76𝑎 1 𝑀𝑀𝑎𝑟 𝑀𝑀𝐹� (2.4)
onde 𝑛𝑎𝑟 e 𝑛𝐹 são os números de mols de ar e combustível respectivamente. Assim, uma mistura com ϕ < 1 é uma mistura pobre, enquanto que uma mistura com ϕ > 1 é rica, e quando ϕ = 1 denomina-se uma mistura estequiométrica.
2.1.2 Tipos de chamas
Turns (1996) define uma chama como uma propagação auto-sustentável de uma zona
de combustão localizada em velocidades subsônicas. Para uma melhor compreensão desta
definição de chama, enfatizamos as seguintes palavras: Primeiro, a chama deve ser
auto-sustentável, o que significa que a reação deve gerar calor suficiente para pré-aquecer a mistura
do reagente até um ponto em que a taxa de geração da cadeia excede a taxa de terminação da cadeia. Em segundo lugar, a chama deve ser localizada; isto é, a chama ocupa apenas uma pequena porção da mistura oxidante/combustível em qualquer instante. A terceira, a chama é
subsônica. Uma onda de combustão discreta que viaja subsonicamente é chamada de
desflagração. Também é possível que as ondas de combustão se propagem a velocidades supersônicas. Essa onda é chamada de detonação. Os mecanismos fundamentais de propagação são diferentes em deflagrações e detonações, portanto, esses são fenômenos distintos. Detonações não será estudado em este trabalho.
A chama pode também ser descrita como uma zona de reação que se move em relação ao gás que a suporta. Na prática, o termo é geralmente reservado para uma reação exotérmica rápida que é freqüentemente acompanhada de emissão de luz. As chamas podem estar fixas em um queimador ou em relação a um ponto de referência, por exemplo, o laboratório
(chamas estacionárias), também em forma de propagação em um fluxo de gás em um queimador de tubo, ou podem ser chamas que viajam em uma mistura de gases inicialmente em repouso (chamas em movimento).
As chamas são geralmente de dois tipos:
• Chamas de pré-mistura, são aquelas onde os reagentes misturam antes de se aproximar na região de chama. Esta chama só pode ser obtida se a mistura oxidante/combustível estiver dentro de certos limites de composição.
• Chamas de difusão ou não pre-misturadas, são aquelas nas quais a mistura oxidante/combustível como a combustão ocorre na interface que separa ambos os componentes iniciais, nesta chama o fenômeno de propagação é controlado com a velocidade com que é efetuada a difusão da mistura dos reagentes.
Cada um desses dois tipos é ainda caracterizado em relação ao movimento do fluido: laminar e turbulento. Em estudos de medição da velocidade de chama, se tem várias configurações experimentais, por exemplo, na Figura 2.1 se observa as configurações mais utilizadas.
Figura 2.1: Métodos experimentais para avaliação da velocidade de chama laminar. Fonte: a) Alviso, et al. (2017); b) Alviso, (2013); c) Wang, et al. (2015); d) Kim N., et al. (2005); e)
Cada método pode ser descrito da seguinte maneira:
• O método de chama cônica: consiste em estabilizar uma chama, mistura oxidante/combustível, na boca de um tubo formando um cone Bunsen, onde por meio de uma imagem de visualização pode ser medida o ângulo do cone para estimar a velocidade de chama.
• O método de escoamento oposto: consiste em estabilizar uma chama planar por meio de dois queimadores opostos, cada queimador possui dois bocais concêntricos, o bocal central que fornece mistura de oxidante/combustível, e o bocal externo que fornece fluxo de gás inerte, as velocidades de fluxo axial são medidas e relacionadas à velocidade de chama laminar.
• O método de chama plana: consiste em colocar um disco de metal poroso ou uma série de pequenos tubos na saída do tubo de fluxo maior, estabelecendo condições apropriadas para chamas planas. O diâmetro da chama é medido e a área é dividida pela vazão volumétrica do gás não queimado, pelo que a velocidade de chama laminar é determinada. (Glassman e Yetter, 2008).
• No método das chamas em tubos: uma mistura de gás é colocada num tubo horizontal aberto em uma extremidade; então a mistura é acesa na extremidade aberta do tubo. A taxa de progresso da chama no gás não queimado é a velocidade de chama.
• O método da bolha de sabão: consiste em uma mistura de gás contida em uma bolha de sabão e inflamada no centro por uma faísca de modo que uma chama esférica se espalha radialmente através da mistura. Como o gás é fechado em uma película de sabão, a pressão permanece constante. O crescimento da frente de chama ao longo do raio é seguido por meios fotográficos. (Glassman e Yetter, 2008).
• No método de explosão a volume constante: uma pré-mistura de oxidante/combustível enche um recipiente esférico ou cilíndrico, depois de um momento de equilíbrio é inflamada por uma faísca no centro do volume interno do recipiente. A evolução da frente de chama é observada, bem como o aumento da pressão. A velocidade de chama pode ser calculada através de considerações termodinâmicas sobre a curva de pressão ou por aquisições de imagens da evolução do raio de chama.
No contexto do presente trabalho, a chama a ser analisada é uma chama laminar, pré-misturada, transiente e esférica que se propaga radialmente em um reator de volume constante (CVR: Constant Volume Reactor) e a velocidade será calculada por aquisições de imagens da propagação do raio de chama.
2.1.3 Chama laminar pré-misturada
Um sistema pré-misturado é uma mistura homogênea a nível molecular de oxidante e combustível. Se esta mistura estiver dentro de um tubo longo, com ambas as extremidades abertas e nas seguintes condições como: dentro dos limites de inflamabilidade, temperatura, pressão e composição adequadas; uma chama é formada, se uma fonte de ignição for aplicada em uma extremidade, esta chama se propaga através da mistura. A velocidade dessa onda (frente de chama) é controlada por processos de transporte, principalmente por condução de calor e difusão de massa (Glassman et al., 2015).
Na propagação desta onda de combustão, as reações subsequentes, após a retirada da fonte de ignição, são induzidas na camada de gás em frente à frente de chama pelo transporte térmico e de massa.
Glassman e Yetter (2008) definem a velocidade de chama laminar como a velocidade
na qual os gases não queimados se movem através da onda de combustão na direção normal a superfície da onda no fluxo laminar. Portanto, se a onda que se propaga num tubo, como já
foi dito, é completamente plana e não perde calor para as paredes do tubo, ela se propagará à
velocidade de chama laminar. A Figura 2.2 representa a propagação da frente de chama à
velocidade de chama laminar.
Figura 2.2: Propagação da frente de chama. Fonte: Adaptado de Glassman e Yetter (2008).
O fenômeno da combustão de chama pré-misturada em CVR pode-se distinguir três etapas:
• Explosão, quando a temperatura e a pressão permitem que as populações de espécies químicas cresçam muito e as reações em cadeia se propagam. É um efeito apenas químico.
• Formação do núcleo de combustão da chama, que acontece quando a energia gerada pela propagação, ramificação e término da cadeia é maior que a perda por condução para o ambiente externo e dessa forma o núcleo se estabelece. Depende fortemente da energia da faísca, do raio do núcleo, da condutividade do gás, sendo este um
fenômeno químico e físico.
• Propagação da chama, que acontece quando o núcleo de combustão aquece as regiões a jusante (à frente), sofrendo ignição e essas mesmas regiões aquecem os próximos e assim por diante permitindo que a chama se desloque convertendo reagentes em produtos. A Propagação da chama vai depender da difusividade térmica, da difusividade mássica, da temperatura de chama, do calor especifico e da taxa de reação. Além disto, efeitos químicos e físicos estão envolvidos.
2.1.4 Chama esférica e estiramento de chama
No caso de chamas pré-misturadas em CVR algumas considerações são feitas devido que a velocidade em que a chama se propaga difere do caso ideal (chama plana dentro de um tubo) em duas características. Primeiro, a chama é esticada e, em segundo lugar, a mistura de gás queimado se expande em uma região confinada pela chama, portanto, é necessária uma correção para determinar a verdadeira velocidade de chama laminar. A Figura 2.3 é uma representação da chama na câmara do CVR:
Figura 2.3: Representação da chama no CVR. Fonte: Adaptado de Monteiro, (2015).
onde 𝑢𝑢 é a velocidade de fluxo da mistura não queimada, 𝑢𝑏 é a velocidade de fluxo da mistura queimada, 𝑆𝑛,𝑢 é velocidade de chama esticada em relação à mistura não queimada e 𝑆𝑛,𝑏 é velocidade de chama esticada em relação à mistura queimada.
radialmente do centro para as paredes, podemos considerar dois limites: o primeiro onde é excluido o desenvolvimento inicial da chama, quer dizer que o crescimento da chama ainda é governado pela faísca, e o segundo no momento em que a frente de chama interage com a parede aumentando a pressão do gás não queimado devido à compressão adiabática.
Esses limites são usados em todos os momentos neste trabalho em relação aos cálculos de velocidade de chama laminar. Além disso, nesta discussão particular, os efeitos da curvatura de chama e do alongamento são ignorados.
Peters (2000) apresenta este modelo, onde a velocidade de propagação 𝑑𝑟𝑓/𝑑𝑡, definida como a variação temporal do raio da chama esférica 𝑟𝑓 é captada por meio de uma câmera de alta velocidade. A velocidade de propagação da frente de chama resulta de um desequilíbrio da velocidade de fluxo da mistura 𝑢 e da velocidade de chama 𝑆. Portanto, a velocidade de propagação em relação a um sistema de coordenadas fixado no reator é:
𝑑𝑟𝑓
𝑑𝑡 = 𝑢𝑢 − 𝑆𝑛,𝑢 (2.5)
𝑑𝑟𝑓
𝑑𝑡 = 𝑢𝑏− 𝑆𝑛,𝑏 (2.6)
A velocidade de chama laminar é, portanto, a velocidade do fluxo em relação a um volume de controle 𝑉𝐶 que se move com a frente de chama. O subíndice 𝑛 representa um estiramento denotando que a chama não é plana, portanto é esticada. Em uma referência móvel, ligada à chama, o equilíbrio do fluxo de massa através da frente de chama é:
𝜌𝑢�𝑢𝑢−𝑑𝑟 𝑑𝑡𝑓� = 𝜌𝑏�𝑢𝑏−𝑑𝑟 𝑑𝑡𝑓� (2.7)
onde 𝜌𝑢 é a densidade do gás não queimado e 𝜌𝑏 é a densidade do gás queimado. No caso de uma chama esférica, a velocidade do fluxo da mistura queimada atrás da frente de chama é zero, devido à simetria. Então, a Equação (2.7) produz:
𝑢𝑢 =𝑑𝑟 𝑑𝑡𝑓�𝜌𝑢𝜌−𝜌𝑢 𝑏� (2.8)
A Equação (2.8) indica que a velocidade do fluxo da mistura não queimada é induzida pela expansão do gás dentro da frente de chama. Reconhecendo que 𝑢𝑏 = 0, na Equação
(2.6):
𝑆𝑛,𝑏 =𝑑𝑟 𝑑𝑡𝑓 (2.9)
o que leva à conclusão de que a velocidade de propagação captada pela câmera é igual à
velocidade de chama esticada em relação à mistura queimada. Trabalhando com as equações
(2.5) e (2.8), descobriu-se que:
𝑆𝑛,𝑢 = 𝑆𝑛,𝑏�𝜌𝜌𝑢𝑏� (2.10)
O que significa que a velocidade de chama esticada em relação à mistura não queimada é igual à velocidade de chama esticada em relação à mistura queimada, dividida por uma constante E chamada fator de expansão, que tem a expressão:
𝐸 = 𝜌𝑢
𝜌𝑏 (2.11)
Note-se que o fato de que a chama seja esticada não interferiu no desenvolvimento do modelo, e é possível afirmar que a velocidade de chama não esticada em relação à mistura
não queimada é igual à velocidade de chama não esticada em relação à mistura queimada,
dividida pelo fator de expansão:
𝑆𝐿,𝑢 = 𝑆𝐿,𝑏𝐸 (2.12)
Um elemento fundamental desse raciocínio é que a chama é plana, se a chama é côncava, convexa, esférica ou em qualquer outra forma, a velocidade de propagação é afetada pelo estiramento. O estiramento da chama é definida como um fenômeno hidrodinâmico que influencia a superfície da mesma alterando a velocidade de chama. O trabalho de Law (2006) toma em consideração a definição de Williams (1985), como a derivada temporal lagrangiana do logaritmo da área 𝐴 de um elemento infinitesimal de superfície da frente de chama:
onde 𝐾 é o estiramento de chama. Existem varias definições do estiramento de chama nas literaturas. O trabalho de Poinsot e Veynante (2005) realiza um equacionamento onde apresenta os tipos de chamas que se estiram. Para o presente trabalho, a área de uma chama esférica laminar é 𝐴 = 4𝜋𝑟𝑓2, logo o estiramento da chama tem a seguinte expressão:
𝐾 =4𝜋𝑟1 𝑓 𝑑(4𝜋𝑟𝑓2) 𝑑𝑡 = 2 𝑟𝑓 𝑑𝑟𝑓 𝑑𝑡 (2.14)
No próximo capítulo, veremos o uso de modelos de extrapolação que são necessários para estimar a velocidade de chama não esticada em relação à mistura queimada, por meio da correlação dos parâmetros 𝑆𝑛,𝑏, 𝑆𝐿,𝑏 e 𝐾. Como a velocidade de chama laminar não esticada
em relação à mistura não queimada é o principal objeto de estudo deste trabalho, o subíndice
𝑢, neste caso específico, pode ser suprimido, por uma questão de simplicidade. A velocidade chama, geralmente nas bibliografias, é representada por a notação 𝑆𝐿, onde a letra 𝑆 indica a velocidade e o subíndice 𝐿 que a velocidade é não esticada e laminar.
2.1.5 Representação de chama plana e chama esférica
A literatura apresenta amplamente as definições de velocidade de queima, velocidade de propagação de onda de combustão e velocidade de consumo de reagentes, porém, a notação não é padrão. Retornando ao contexto do CVR, para as chamas planas e esféricas: a Figura 2.4 fornece uma representação geométrica e a Tabela 2.1 resume algumas definições de velocidade.
Figura 2.4: a) Representação de chama plana, b) Representação de chama esférica. Fonte: Adaptado de Díaz, 2016.
Tabela 2.1: Definições para velocidade de chama 𝑆𝐹, velocidade de queima 𝑆𝐵,𝑏, 𝑆𝐵,𝑢 e 𝑆𝐵, e velocidade dos gases à montante e jusante da frente de chama 𝑢𝑢 e 𝑢𝑏. Fonte: Adaptado de
Díaz, 2016.
Conceito Nomenclatura e Expressão matemática Origem teórica Chama plana Chama esférica
Velocidade dos gases pré-misturados não queimados 𝑢𝑢 (escoamento) 𝑢𝑢= Expansão𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 𝑞𝑢𝑖𝑚𝑎𝑑𝑜𝑠 + Consumoreagentes
Velocidade com que se movem os gases à montante
da frente de chama Velocidade dos gases
queimados 𝑢𝑏 (escoamento) 𝑢𝑏 = 0
Velocidade com que se movem os gases à jusante da
frente de chama Velocidade de chama 𝑆𝐹 = 𝑑(𝑥𝐹) 𝑑𝑡 𝑆𝐹 = 𝑑(𝑟𝑓) 𝑑𝑡 Velocidade do volume de controle de chama Velocidade de queima 𝑆𝐵,𝑏 ou 𝑆𝐵,𝑢 �𝑆𝐵 = 𝑆𝐹𝜌𝑏 𝜌𝑢�
∗ Química: Taxa de consumo
de reagentes
*O fato de estabelecer a expressão da velocidade de queima em chama esférica como a velocidade de chama vezes a relação entre a densidade dos gases queimados e não queimados traz consigo as seguintes suposições: Gases perfeitos, condições isobáricas, adiabáticas e de equilíbrio (Varea et al., 2011). Como já mencionado na seção anterior, a relação de densidade 𝜌𝑢/𝜌𝑏 é chamada fator de expansão.
2.2 Velocidade de chama laminar
A velocidade de chama laminar é uma propriedade físico-química dependente da temperatura, pressão e composição da mistura (tipo de combustível, razão de equivalência e a quantidade de diluente). O estudo deste parâmetro fornece informações valiosas sobre as propriedades de combustão e oxidação química subjacente dos combustíveis, como a taxa de liberação de calor, limites de inflamabilidade, as taxas de propagação e características das emissões.
A maioria dos modelos de combustão laminar e turbulenta requer dados experimentais confiáveis necessários para testar, calibrar e validar modelos de cinética química de combustão. Embora provavelmente o combustível seja queimado em regime turbulento os dados sobre as velocidades de chama laminar ainda são necessários como entrada para diversos modelos de combustão turbulenta. Além disso, em motores de combustão interna, a combustão inicial é laminar, então, novamente, há uma necessidade de velocidade de queima
laminar (Takashi et al., 2005).
Na prática, a velocidade de chama laminar é importante para a concepção de motores, queimadores, turbinas a gás e outro equipamento onde a combustão está presente. Portanto, várias configurações experimentais podem ser usadas para obter a medição da velocidade de
chama laminar dos combustíveis, por exemplo: os queimadores de chama plana ou cônica,
queimadores contracorrente, reatores, etc. (Ranzi et al., 1998).
A história do desenvolvimento das primeiras análises teóricas da velocidade de chama laminar foi iniciada através do estudo de teorias térmicas para modelagem da velocidade de chama por meio de equações de conservação de massa e energia. Os primeiros modelos eram bastante restritivos e praticamente não podiam ser usados como modelo preditivo. Mais tarde, houve avanços e melhorias nas teorias térmicas, sendo um deles o estudo proposto por
Zeldovich (1950) que incluiu a teoria da difusão molecular e do calor, sem considerar a
difusão de radicais livres, resultando em um mecanismo térmico amplamente utilizado nas correlações das medidas experimentais da velocidade de chama.
Então, a teoria foi avançada levando em consideração os mecanismos de reação que são controlados pelo calor e a difusão de espécies ativas. Outras teorias também surgiu como a difusão de partículas de Lewis e von Elbe (1934), e mais recentemente a análise assintótica da taxa de proporção. Agora usamos as equações de dinâmica de fluidos modificadas para qualquer solução exata da propagação frontal da chama, o que ajuda a entender a liberação e a condução de calor e a mudança de espécies químicas na zona de reação.
Glassman e Yetter (2008) exploram as teorias térmicas que remontam a Mallard e Le
Chatelier, propuseram que a propagação de calor através de camadas de gás é o mecanismo
de controle na propagação da chama.
2.2.1 Modelo de Mallard e Le Chatelier
Para a compreensão da análise feita por Mallard e Le Chatelier é necessário ter em mente a distribuição de temperaturas que ocorrem no processo de combustão. Tal distribuição é apresentada na Figura 2.5, onde 𝑇𝑢 representa a temperatura dos gases não queimados, 𝑇𝑖 é a temperatura em que a ignição ocorre, 𝑇𝑏 é a temperatura final, ou a temperatura de chama adiabática, e δ representa a espessura da zona de reação (Zona II).
Figura 2.5: Descrição do perfil de temperatura em chama laminar. Fonte: Adaptado de Glassman e Yetter, 2008.
Mallard e Le Chatelier intuíram que a taxa de transferência de calor por condução da
região de reação é igual à energia necessária para aumentar a temperatura dos gases não queimados até a temperatura de ignição, na qual as reações químicas são ativadas termicamente. Com a simplificação de que o perfil de temperatura nas zonas I e II seja linear, mais o balanço de entalpia encontra-se:
𝑚̇. 𝑐𝑝. (𝑇𝑖 − 𝑇𝑢) = 𝕂.(𝑇𝑏−𝑇𝛿 𝑖). 𝐴 (2.15)
onde 𝑚̇ é o fluxo de massa da mistura gasosa (é uma constante), 𝑐𝑝 é o calor específico à pressão constante e 𝕂 é a condutividade térmica, avaliados em uma temperatura média. 𝐴 é a área da seção transversal, tomada aqui como unitária.
Como este é um problema unidimensional, e o gás não queimado escoa na direção normal à onda de combustão. Assim, o componente normal do vetor velocidade no lado dos gases não queimados, ou seja, avaliado em 𝑇 = 𝑇u, corresponde à definição da velocidade de chama. Portanto, o fluxo de massa do gás não queimado entrando na zona I é representado da seguinte forma:
𝑚̇ = 𝜌𝑢. 𝑆𝐿. 𝐴 (2.16)
e isolando 𝑆𝐿 encontra-se a equação de Mallard e Le Chatelier: 𝑆𝐿 =𝜌𝑢𝕂.(𝑇.𝑐𝑝.(𝑇𝑏−𝑇𝑖)
𝑖−𝑇𝑢).
1
𝛿 (2.17)
Porém esta expressão apresenta um parâmetro que não é conhecido 𝛿, e faz-se necessário determiná-lo. A espessura da zona de reação pode ser relacionada com a velocidade de chama da seguinte maneira: A vazão mássica de combustível por unidade de área entrando na zona de reação deve ser igual à taxa de consumo de massa de combustível dentro da zona de reação, ou seja:
𝜌𝑢. 𝑆𝐿. 𝐴 = 𝜔.̇ 𝛿. 𝐴 (2.18)
onde 𝜔̇ representa a taxa de reação de combustível por unidade de volume. Assim, isolando 𝛿 da Equação (2.18) e substituindo a expresão na Equação (2.17), e isolando novamente 𝑆𝐿, encontra-se uma expressão final para a velocidade de chama:
𝑆𝐿 = �𝜌𝑢𝕂.(𝑇.𝑐𝑝.(𝑇𝑏−𝑇𝑖−𝑇𝑖)𝑢).𝜌𝜔̇𝑢 (2.19)
Essa expressão indica que a velocidade de chama laminar é proporcional à raiz quadrada do produto da difusividade térmica pela taxa de reação química e pela diferença entre a temperatura de chama adiabática e temperatura de ignição. A concentração de combustível aparece no denominador.
O modelo de Mallard e Le Chatelier mostra claramente que o mecanismo que promove o deslocamento da chama laminar é o pré-aquecimento dos reagentes por condução de calor na fase gasosa na zona de pré-aquecimento. Com o aumento da temperatura de chama adiabática, aumenta a taxa de transferência de calor para a região de pré-aquecimento, aumentando, portanto a velocidade de chama laminar. Assim, a velocidade de chama é máxima em uma razão de equivalência próxima à estequiométrica, no mesmo valor onde a temperatura de chama adiabática é máxima.
