DE TECNOLOGIAS AMBIENTAIS E ENERGÉTICAS (CETAE)

COMBUSTÃO DE SPRAYS

Laiete Soto Messias [email protected]

Laboratório de Energia Térmica, Motores, Combustíveis e Emissões CENTRO DE TECNOLOGIAS AMBIENTAIS E ENERGÉTICAS (CETAE)

TÓPICOS

1. Introdução

2. Queimadores industriais de líquidos 3. Caracterização de sprays

4. Experiências do IPT na área

FORMAÇÃO DO SPRAY (NEBULIZAÇÃO) COLISÃO DE GOTAS (COALESCÊNCIA) VAPORIZAÇÃO MISTURA POR TURBULÊNCIA E DIFUSÃO COMBUSTÃO DE GOTAS REAÇÕES EM FASE GASOSA PRODUTOS NA FASE GASOSA PRODUTOS DE COMBUSTÃO COQUE (CENOSFERAS) FULIGEM RECIRCULAÇÕES COMBUSTÍVEL COMBURENTE COMBURENTE TROCAS DE CALOR QUEIMADOR CÂMARA DE COMBUSTÃO

CHAMAS INDUSTRIAIS DE COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS

• Ambientes confinados (câmaras de combustão de caldeiras, fornos, geradores de gases quentes) • Combustíveis residuais: óleos combustíveis deriv. de petróleo, alcatrões, óleos de origem animal

Ó Ó Ó

ÓLEOS COMBUSTLEOS COMBUSTLEOS COMBUSTLEOS COMBUSTÍÍÍÍVEIS VEIS VEIS VEIS NACIONAIS

NACIONAIS NACIONAIS NACIONAIS

•Viscosidade mais elevadas

Teores elevados de asfaltenos e contaminantes (N, V, N_i) • Controle de emissões atmosféricas (material particulado, SO_x e NO_x)

QUEIMADOR TÍPICO DE CALDEIRAS INDUSTRIAIS Bocal nebulizador Ar secundário Ar primário Registro de ar secundário Registro de ar terciário Bloco refratário "Swiler" do ar primário Defletor do ar terciário Lança nebulizadora de óleo Ar terciário vapor

óleo tubo interno (óleo) bocal nebulizador

porca de aperto

MODELO FÍSICO DE DESINTEGRAÇÃO DO LÍQUIDO EM GOTAS Formação de ondas na película Fragmentação e formação de ligamentos Fragmentação de ligamentos em gotas

BOCAIS NEBULIZADORES INDUSTRIAIS

“Y-Jet”

VAPOR ÓLEO

ENTRADA DO ÓLEO _{ENTRADA DO}

VAPOR ORIFÍCIO DE DESCARGA ÓLEO

pressão de líquido

Gotas pequenas Desintegração do filme líquido em ligamentos e grandes gotas Líquido

Região D Névoa de gotas

Bocal câmara de mistura

AR / VAPOR

AR / VAPOR LÍQUIDO

RUPTURA DOS LIGAMENTOS COM

FORMAÇÃO DE GOTAS GRANDES GOTAS PEQUENAS NO _{CENTRO DO JATO}

GOTAS GRANDES NA PERIFERIA DO JATO

IMPACTO NA PAREDE DE LIGAMENTOS E GOTAS

GRANDES

GOTAS MUITO PEQUENAS FORMADAS NAS CRISTAS DAS ONDAS

RECIRCULAÇÃO E DEPOSIÇÃO DE GOTAS GOTAS MUITO PEQUENAS

FORMADAS NA INTERFACE GÁS-LÍQUIDO

Modelo físico de GRAZIADIO

Filme de líquido junto às paredes internas do bocal Gás Desintegração do filme de líquido Névoa de gotas "Spray" Desintegração do filme líquido em ligamentos e grandes gotas Gotas pequenas Orifício de descarga

BOCAIS NEBULIZADORES INDUSTRIAIS

Óleo Vapor

Câmara de mistura de pequeno

volume

Ar

Vapor Vapor Óleo Vapor Misturador Óleo-Vapor Bocal de descarga Tubo de óleo BOCAIS NEBULIZADORES INDUSTRIAIS

Ângulo equivalente do spray Ângulo do spray Fronteira do spray Gotas Ligamentos Película Instabilidades

NEBULIZAÇÃO COALESCÊNCIA VAPORIZAÇÃO

Fluxo de ar Arraste de ar

Recirculação de ar Bocal de Nebulização por pressão

CARACTERIZAÇÃO DE SPRAYS

• Diâmetro médio de gota: SMD (“Sauter Mean Diameter”)

∑

∑

=

d

n

d

n

SMD

3 • SMD : diâmetro médio de gota (µm);

• n: no de gotas; e,

• d: diâmetro de gota (µm)

• Distribuição de diâmetro de gota (frequência ou acumulativa)

∆ = SPAN (fator de espalhamento);

D_(v,0.1) = Diâmetro de gota abaixo do qual se acumulam 10 % do

volume das gotas do spray;

D_(v,0.5) = Diâmetro de gota abaixo do qual se acumulam 50 % do

volume das gotas do spray;

D_(v,0.9) = Diâmetro de gota abaixo do qual se acumulam 90 % do

volume das gotas do spray;

) 5 . 0 , ( ) 1 . 0 , ( ) 9 . 0 , ( V V V

D

D

D

₋

=

∆

• Distribuição espacial das gotas na seção transversal do spray • Ângulo do spray

REPRESENTAÇÃO TÍPICA DE DISTRIBUIÇÃO DE DIÂMETRO DE GOTAS

Diâmetro de gota [µm]

Diâmetro médio de gota (média aritmética) = 76,61 µm SMD = 109,2 µm D is tr ib ui çã o ac um ul ad a em v ol um e e nú m er o [% ] Função distribuição F(D) Número _Volume

Distribuição de líquido na seção transversal do spray (Partenador)

BOCAL NEBULIZADOR COM FLUIDO AUXILIAR Vazão de óleo: 75 kg/h; visc. 20 cSt

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100

Distância do eixo do bocal [mm]

F ra çã o e m v o lu m e Ar neb. / Óleo = 0,3 Ar neb. / Óleo = 0,5 Ar neb. / Óleo = 0,75 Ar neb. / Óleo = 1,0 Ar neb. / Óleo = 1,2 ESTAÇÃO DE AVALIAÇÃO DE SPRAYS DO IPT

BOCAL "Y JET" 29 x 70o Viscosidade 100 SSU (21cSt) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Pressão do fluido de nebulização (bar)

P re ss ão d o ó le o (b ar ) Vazão de óleo=720 kg/h Vazão de óleo=480 kg/h Vazão de óleo=240 kg/h D(3,2)=30 micron D(3,2)=40 micron D(3,2)=50 micron D(3,2)=60 micron D(3,2)=80 micron

Dif. pressão=+1,5 bar _{Dif. Pressão =+1,5 bar}

CURVA

CARACTERÍSTICA DE UM BOCAL NEBULIZADOR

MODELOS EMPÍRICOS PARA PREVISÃO DE DIÂMETRO DE GOTAS

[

+

]

_



+

_



=

RAL

BZ

AW

D

SMD

1

1

D

Z

ρ

σ

µ

=

Número de Weber calculado no bocal:

Número de Ohnersorge calculado no bocal:

Expressão genérica proposta por Lefebvre para bocais com fluido auxiliar SMD= diâmetro de gota

D_B= diâmetro do orifício de descarga do bocal;

A,B, α e β = parâmetros dependentes à geometria do bocal; RAL = razão mássica ar(vapor)/líquido;

V_r,a = velocidade relativa ar(vapor)-líq no ponto de mistura;

ρ_a,v = peso específico do ar(vapor);

ρ_l = peso específico do ar(vapor);

σ_l =tensão superficial do líquido;

l v a B a r B e

D

V

W

σ

ρ

=

COMPARAÇÃO “Y-JET” X Câmara de mistura ) 5 . 0 , ( ) 1 . 0 , ( ) 9 . 0 , ( V V V D D D ₋ = ∆

"Y-Jet " X CÂMARA DE MISTURA mc=1800 kg/h 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20

RAL [kg ar/kg óleo]

D (v ,0 .9 )m [m ic ro n ] Y-Jet CÂMARA DE MISTURA

"Y-Jet " X CÂMARA DE MISTURA 0 1 2 3 4 0 20 40 60 80 100 120 140 160 SMDm [micron] F at o r d e es p al h am en to Y-Jet CÂMARA DE MISTURA ) 5 . 0 , ( ) 1 . 0 , ( ) 9 . 0 , ( V V V D D D ₋ = ∆

BOCAL "Y-Jet " viscosidade do óleo: 39 cSt 0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25 Pressão do ar (Pa) [bar] P re s s ão d o ó le o (Pc ) [b a r] mc = 600 kg/h mc = 1200 kg/h mc = 1800 kg/h SMDm = 30 micron SMDm = 40 micron SMDm = 60 micron SMDm = 80 micron SMDm = 100 micron Pa-Pc = 1,0 bar Pa-Pc = 2,0 bar B C D E F G H I J K

BOCAL CÂMARA DE MISTURA

viscosidade do óleo: 39 cSt 0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25 Pressão do ar (Pa) [bar] P re s sã o d o ól eo (P c ) [ ba r] mc = 600 kg/h mc = 1200 kg/h mc = 1800 kg/h SMDm = 20 micron SMDm = 30 micron SMDm = 40 micron SMDm = 60 micron SMDm = 80 micron SMDm = 100 micron Pa-Pc = 1,0 bar Pa-Pc = 2,0 bar L K J I H G F E D C B A

Configurações dos bocais originais e protótipos utilizados: a

-vapor; b - óleo: A – lança nebulizadora; B – porca de fixação;

C – bocal original; D – bocal modificado

PROJETO E REDIMENSINAMENTO DE BOCAIS NEBULIZADORES

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 kg vapor/kg óleo D iâ m e tr o m é d io d e g o ta D (3 ,2 ) Bocal original Bocal IPT Y9-40

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

Conce ntração de O2 [% base se ca]

C o n c e n tr a ç ã o d e C O [ p p m ] Bocal original

Bocal IPT Y9-40; condição 1 Bocal IPT Y9-40; condição 2

INFLUÊNCIA DA QUALIDADE DE NEBULIZAÇÃO NA EFICIÊNCIA DE CALDEIRA

0 100 200 300 400 500 600 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

Concentração de O₂ [% base seca]

C o n c e n tr a ç ã o d e N OX [ p p m ] Bocal original

Bocal IPT Y9-40; condição 1 Bocal IPT Y9-40; condição 2

INFLUÊNCIA DA QUALIDADE DE NEBULIZAÇÃO NA EFICIÊNCIA DE CALDEIRA

268 251 269 241 166 180 170 142 145 176 0 50 100 150 200 250 300 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Núm e ro da Cole ta C o n c e n tr a ç ã o d e m a te ri a l p a rt ic u la d o [ m g /N m 3 ]

Bocal original Bocal novo; condição 2 Bocal novo; condição 1

INFLUÊNCIA DA QUALIDADE DE NEBULIZAÇÃO NAS EMISSÕES ATMOSFÉRICAS

Bocal Y- Jet 29 X 70o

mo=220 kg/h; visc.=100 SSU; Par-Póleo=1,5 bar

0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 2 4 6 8 10 12 Teor de O2 [%] T eo r d e C O e N Ox [ p p m ] CO; neb. a ar NOx; neb. a ar CO; neb. a vapor NOx; neb. a vapor INFLUÊNCIA DO FLUIDO DE NEBULIZAÇÃO

1 10 100 1000 10000 100000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Vazão de óleo (l/min)

C O ( p p m ; 0 % O2 ) sem swirler com swirler SWIRLER

PROJETO E REDIMENSINAMENTO DE BOCAIS NEBULIZADORES

QUEIMADOR DE FORNO DE CALCINAÇÃO

Propostas para o desenvolvimento de

trabalhos na área de sprays

Investigação de expressões genéricas para previsão de diâmetro de gotas aplicáveis aos bocais nebulizadores para óleos combustíveis. Tratamento dos adimensionais para estudos em escala (“scale-up”).

Aprimoramento e validação de modelos de desintegração de películas, com a determinação da fração de gotas formadas a partir desse mecanismo de formação;

Desenvolvimento de bocais nebulizadores para utilização de gás combustível como fluido de nebulização.

Propostas para o desenvolvimento de

trabalhos na área de sprays

Investigar alternativas para a redução de emissões de NOx, resolvendo a

concorrência normalmente existente entre MP e CO com o NO_x

Influência do ângulo entre os orifícios de descarga e o eixo do bocal (PDPA, técnicas de visualização “laser sheet”);

Influência da geometria do “swiler” na qualidade de nebulização (PDPA; PLIF, outros ?);

Utilização de gás combustível como fluido de nebulização.

Investigação dos mecanismos de evaporação e combustão de gotas considerando a formação de cenosferas quando se utiliza líquidos ultraviscosos.

AR SECUNDÁRIO AR PRIMÁRIO AR DE COMBUSTÃO

SWILER

ÓLEO ÓLEO

Propostas para o desenvolvimento de

trabalhos na área de sprays

OBRIGADO PELA ATENÇÃO

Laiete Soto Messias

[email protected]