Análise Da Influência Da Porosidade Na Estabilização Da Frente De Chama Em Um...

Transcript

FUNDAÇÃO EDSON QUEIROZ UNIVERSIDADE DE FORTALEZA ENSINANDO E APRENDENDO ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DA POROSIDADE NA ESTABILIZAÇÃO DA FRENTE DE CHAMA EM UM QUEIMADOR POROSO, EDUARDO FARIAS ASSUNÇÃO Fortaleza - 2011 EDUARDO FARIAS ASSUNÇÃO ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DA POROSIDADE NA ESTABILIZAÇÃO DA FRENTE DE CHAMA EM UM QUEIMADOR POROSO Monografia apresentada para obtenção dos créditos da disciplina Trabalho de Conclusão de Curso do Centro de Ciências Tecnológicas da Universidade de Fortaleza, como parte das exigências para graduação no curso de Engenharia Mecânica. Orientador da Monografia: João Batista Furlan Duarte Coordenador do Curso: Cândido Jorge de Sousa Lobo Fortaleza - 2011 Dedico este trabalho a minha mãe, que sempre me apoia independente das adversidades. AGRADECIMENTOS Ao Núcleo de Tecnologia da Combustão (NTC), por ter cedido o espaço e o material necessário para realização dos experimentos. Ao meu orientador, Furlan, por ter me dado a oportunidade de trabalhar no NTC e me auxiliado durante todo o desenvolvimento do meu trabalho. Aos meus pais pelo apoio incondicional durante todos os meus anos de faculdade. Aos meus colegas de laboratório, Brunim, Ataliba, Felipe, Junim, Joel, pelo suporte nos experimentos e compreensão das dificuldades. Aos meus amigos, Elihu, Vitim, Camilla, Sah, David, Tigo, Uchôa, Rodrigo, Mantega, por saberem compreender meus momentos de ausência nos últimos 4 meses. Aos meus companheiros de trabalho, Fares, Pordeus e Kenji, por compreenderem o momento e me ajudarem nas tarefas diárias. As entidades financiadoras do projeto, CNPQ, FUNCAP e FINEP. Um agradecimento especial aos professores Cláudio Peres e Mona Lisa, pelas suas sugestões, críticas e, principalmente, elogios, que justificaram o empenho atribuído a este trabalho. “Os seus problemas, você deve esquecer. Isso é viver, é aprender.” (O Rei Leão, Hakuna Matata , Disney, 1994) RESUMO Os queimadores porosos tem uma grande variedade de aplicações nos processos de engenharia, além de ser uma boa fonte de energia de calor. As emissões dos queimadores porosos em geral, são menores do que as dos queimadores tradicionais, além de permitirem a operação em razões maiores de ar/combustível. Não obstante este contexto, este trabalho apresenta as melhorias e os testes de um queimador poroso, assim como uma introdução aos processos e as tecnologias relacionadas a combustão em meios porosos. Para formar o meio poroso dois tipos de esfera de alumina (Al2O3) foram postos dentro de um tubo cilíndrico feito de aço SAE 1010, com 3 mm de espessura, diâmetro interno de 82,55 mm e a uma altura de 300 mm, chamado reator. As esferas tem um diâmetro médio de ½” e ¼”. A base do reator é composta por um aço SAE 1010 de 10 mm de espessura. Três termopares foram dispostos dentro do meio poroso para medir as temperaturas. Uma análise da distribuição das temperaturas dentro do reator foi realizada e os resultados comparados com as três diferentes configurações do meio poroso. Os perfis de temperatura foram analisados em três pontos do reator, topo, meio e base. As temperaturas foram obtidas com os termopares dispostos dentro do meio poroso, e as vazões da mistura ar/combustível controladas. Os resultados mostraram a influência do meio poroso na estabilização da frente de chama dentro do reator. No intuito de dar continuação aos estudos, uma rápida análise dos problemas encontrados e sugestões são dadas. Palavra Chave: Combustão, Queimadores Porosos, GLP, Alumina ABSTRACT The porous burners can have a wide range of applications in engineering process and it is a great source of heat energy. Their emissions are lower and they can operate in a higher ratio air/fuel mixture than traditional burners. However, this work presents the improvements and the tests of a porous burner as well as an introduction to the processes and technologies related to combustion in porous media. The tests were realized with two different average diameters of alumina spheres (AL2O3) displaced inside a cylinder made of SAE 1010 steel, with walls 3 mm thick, inside diameter of 82.55mm and a height of 300 mm, called reactor, to form the porous media. The spheres have the average diameter of ½” and ¼”. The base was composed of a 10mm thick sheet of SAE 1010 steel. Three thermocouples were arranged within the porous media in order for measure the temperatures and an analysis of the temperature distribution was then made based on these and compared between the three different porous media tested. Nevertheless, it was analyzed the temperature profile in three points, top, middle and base of the reactor. The temperatures were obtained with thermocouples inside in the porous body and fuel/air mixture controlled. The results showed the influence of the porous media in the flame stabilization into reactor. In order to keep going with studies, a quick brief and suggestions of future works is given. Key-words: Combustion, Porous Burner, LPG, Alumina SUMÁRIO 1 2 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................15 1.1 MOTIVAÇÃO ...........................................................................................................................15 1.2 OBJETIVOS ..............................................................................................................................19 1.2.1 Objetivo Geral ................................................................................................................19 1.2.2 Objetivos Específicos ......................................................................................................19 COMBUSTÃO ..................................................................................................................................20 2.1 3 2.1.1 Continuidade (Conservação de Massa) ..........................................................................22 2.1.2 Conservação das espécies químicas ...............................................................................22 2.1.3 Conservação de Momento .............................................................................................22 2.1.4 Conservação de Energia .................................................................................................23 2.2 COMPOSIÇÃO DO AR..............................................................................................................23 2.3 RAZÃO AR-COMBUSTÍVEL ......................................................................................................25 2.4 ESTEQUIOMETRIA ..................................................................................................................25 2.5 GLP .........................................................................................................................................26 QUEIMADORES POROSOS ..............................................................................................................29 3.1 4 PRÍNCIPIOS DE CONSERVAÇÃO ..............................................................................................21 APLICAÇÕES NA INDÚSTRIA ...................................................................................................31 3.1.1 Motores de combustão interna .....................................................................................31 3.1.2 Propulsão e turbina a gás ...............................................................................................32 3.1.3 Trocadores de calor ........................................................................................................32 3.1.4 Outras aplicações ...........................................................................................................32 3.2 MATERIAIS PARA MEIOS POROSOS........................................................................................33 3.3 COMBUSTÃO EM MEIOS POROSOS .......................................................................................34 MATERIAIS E MÉTODOS .................................................................................................................40 4.1 PROTÓTIPOS ANTERIORES E EVOLUÇÃO................................................................................40 4.2 MODELO ATUAL .....................................................................................................................43 4.2.1 Meio Poroso ...................................................................................................................46 4.2.2 Combustível ....................................................................................................................47 4.2.3 Medidores de Vazão.......................................................................................................47 4.2.4 Sistema de alimentação .................................................................................................48 4.2.5 Válvulas de controle .......................................................................................................49 4.2.6 Ignição ............................................................................................................................49 4.2.7 Sistema de Coleta de Dados ...........................................................................................50 4.2.8 4.3 Processo de operação do protótipo ...............................................................................52 METODOLOGIA.......................................................................................................................53 5 RESULTADOS E DISCUSSÃO ............................................................................................................56 6 CONSIDERAÇÕES FINAIS .................................................................................................................62 7 TRABALHOS FUTUROS ....................................................................................................................64 8 REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................................................65 LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Visão espacial da molécula do propano.................................................... 28 Figura 2 - Visão espacial da molécula do butano ...................................................... 28 Figura 3 – Foto esquemática de um queimador de duas camadas com combustão estabilizada na matriz ................................................................................................ 30 Figura 4 – Protótipo inicial do queimador poroso ...................................................... 40 Figura 5 – Distribuição dos termopares tipo K no protótipo inicial ............................. 41 Figura 6 - Projeto do corpo do reator com a disposição dos termopares .................. 44 Figura 7 - Disposição dos furos para passagem de ar e gás na base do queimador 45 Figura 8 - Esferas de alumina (Al2O3) de ¼”e ½” ...................................................... 46 Figura 9 - Medidores de vazão de gás (a) e ar (b) .................................................... 47 Figura 10 - Encaixe das mangueiras de ar e combustível ......................................... 48 Figura 11 - Válvulas de controle fino de ar (a) e gás (b) .......................................... 49 Figura 12 – Maçarico e seu sistema de alimentação ................................................ 50 Figura 13 – Visão interna dos termopares no reator vazio ........................................ 51 Figura 14 – Sistema de aquisição de dados (DataTaker) ......................................... 51 Figura 15 – Sistema supervisório em funcionamento (DataLogger) .......................... 51 Figura 16 - Desenho esquemático do funcionamento do queimador ........................ 53 Figura 17 – Configurações dos meios porosos utilizados nos testes ........................ 55 Figura 18 – Queimador com a chama externa no início da operação ....................... 67 Figura 19 – Chama estabilizada dentro do queimador próxima ao topo ................... 68 Figura 20 – Chama externa com excesso de ar ........................................................ 68 Figura 21 – Chama estabilizada próxima ao primeiro termopar ................................ 69 Figura 22 Aquecimento excessivo do reator alcançado na tentativa de encontrar uma boa vazão da mistura- ............................................................................................... 69 Figura 23 – Decomposição do amianto usado como isolante durante os testes. ...... 70 LISTA DE TABELAS Tabela 1 – Distribuição da matriz energética brasileira em números ........................ 15 Tabela 2 – Emissão máxima gerada pela nova usina termoelétrica do grupo MPX.. 16 Tabela 3 – Quantidade de Empreendimentos geradores de energia elétrica no Brasil .................................................................................................................................. 17 Tabela 4 - Composição aproximada do ar seco ........................................................ 23 Tabela 5 - Características dos principais hidrocarbonetos presentes no GLP à 15 ºC e 1 atm ...................................................................................................................... 26 Tabela 6 – Composição do Gás Liquefeito do Petróleo em análise feita por Bizzo, 2003. ......................................................................................................................... 27 Tabela 7 - Tipos de combustão baseados na velocidade de propagação da chama proposto por Babkin .................................................................................................. 34 Tabela 8 - Composição das esferar de alumina ........................................................ 46 Tabela 9 - Dados para cálculo da vazão média de trabalho do ar ............................ 54 Tabela 10 - Dados para cálculo da vazão média de trabalho do GLP ...................... 54 LISTA DE SIMBOLOS Energia interna específica Força externa por unidade de massa das espécies Calor específico da fase fluida L ` Coeficiente de difusão da espécie química na mistura Entalpia específica da espécia química Coeficiente volumétrico de transferência de calor entre as duas fases Comprimento da matriz porosa Massa molar da espécia química Número total de espécies químicas Pressão Tensor de pressão Fluxo radiativo Velocidade da mistura Velocidade de difusão das espécies Componente axial da velocidade da mistura Componente radial da velocidade da mistura Fração mássica das espécies químicas Taxa de produção mássica das espécies Taxa de reação molar das espécies químicas Temperatura na fase sólida Temperatura na fase fluida Viscosidade Condutividade térmica da fase sólida Condutividade térmica da fase fluida Massa específica na fase fluida ` y ` Vg Aq Pe Massa específica na fase sólida Densidade Porosidade Emissividade Número de átomos de carbono Número de átomos de hidrogênio velocidade de chama fluxo volumétrico dos gases Área da seção transversal do queimador Número de Peclet Velocidade de chama laminar Diâmetro equivalente médio dos espaços vazios do meio poroso Calor específico da mistura gasosa Condutividade térmica da mistura Razão ar-combustível estequiométrica Razão ar-combustível Razão de equivalência Eficiência de radiação ( ( Quantidade de energia emitida por radiação Quantidade total de energia Emissividade da superfície Constante de Boltzman Temperatura na superfície do queimador Temperatura ambiente Vazão mássica de combustível Entalpia específica inferior 15 1 INTRODUÇÃO 1.1 MOTIVAÇÃO A combustão e o seu controle são essenciais para a manutenção da vida como conhecemos. Atualmente, a pesquisa na área de combustão está bastante madura, sendo a combustão parte integral de diversas pesquisas e programas de desenvolvimento, desde estudos fundamentais da física das chamas e da química molecular em altas temperaturas, até projetos aplicados a engenharia, como fornos, queimadores, aquecedores e motores (Mallahawy e Habik, 2002). Segundo informações da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL, 2011), em um total de 2.203 empreendimentos de geração de energia, 74% são hidrelétricas, 23,55% termoelétricas, 1,9% de energia nuclear e 0,67% geradores de energia eólica, totalizando 107.241 MW sendo gerados no país (Tabela 1). Tabela 1 – Distribuição da matriz energética brasileira em números Tipo Hidro Gás Petróleo Biomarca Natural Processo Óleo Diesel Óleo Residual Bagaço de Cana Licor Negro Madeira Biogás Casca de Arroz Nuclear Carvão Mineral Eólica Importação Total Número de Usinas 838 93 33 805 25 289 14 37 9 7 2 9 38 Paraguai Argentina Venezuela Uruguai 2.199 Capacidade Instalada (kW) 78.800.731 10.808.812 1.252.483 3.871.104 2.030.403 4.642.515 1.193.298 315.767 44.672 31.408 2.007.000 1.530.304 709.284 5.650.000 2.250.000 200.000 70.000 115.407.781 Fonte: Banco de Informações de Geração ANEEL, 2010 % 68,28 9,37 1,09 3,35 1,76 4,02 1,03 0,27 0,04 0,03 1,74 1,33 0,62 5,46 2,17 0,19 0,07 100 16 Apesar do grande potencial hidrelétrico do Brasil e dos avanços atuais para fontes de energia renováveis e menos poluentes, ainda há muita energia sendo produzida através da combustão, sendo a combustão uma das principais fontes de energia no Brasil (ANEEL, 2011). Há ainda uma previsão, segundo a ANEEL de um aumento da participação da combustão como um todo na geração de energia, conforme pode ser visto na Figura 1. Figura 1 – Previsão da matriz energética brasileira para 2017 em comparação com 2008 Fonte: ANEEL Atualmente a empresa MPX está construindo usinas termelétricas a base de carvão dotadas de uma tecnologia limpa chamada “Clean Coal Technology”. Esta tecnologia é dotada de uma série de medidas visando a redução de poluentes emitidos pela combustão do carvão, conseguindo reduzir as emissões em até 95% (MPX, 2011). Tabela 2 – Emissão máxima gerada pela nova usina termoelétrica do grupo MPX Emissões (mg/Nm3) Particulados Dióxido de enxofre Óxido de Nitrogênio Brasil Banco Mundial(3) Emissões dos Projetos MPX (1) 50 50 (1) 850 400 (2) 510 200-510 500 1.250 (1) Resolução CONAMA Nº 8 (2) A cargo do estado (3) Diretrizes de saúde, segurança e meio ambiente para planteas termelétricas, grupo do Banco Mundial Fonte: MPX, MPX: Carvão Limpo 17 O aumento da preocupação com o meio ambiente nas últimas décadas não inibe o uso de energias provenientes da queima, mas sim, aumenta-se a preocupação referente ao seu impacto ambiental. O que força cada vez mais a busca por queimas mais limpas. Tabela 3 – Quantidade de Empreendimentos geradores de energia elétrica no Brasil Fonte de Energia Eólica Quantidade de Situação Empreendimentos 43 Outorgada Eólica 9 Em Construção Eólica Potência Associada (kW) 2.120.981 154.400 38 Em Operação 709.284 Fotovoltaica 1 Em Operação 20 Fotovoltaica 1 Outorgada 5.000 226 Outorgada 4.304.602 Hidrelétrica Hidrelétrica Hidrelétrica Maré Termelétrica Termelétrica Termelétrica 93 Em Construção 838 Em Operação 11.327.866 78.800.731 1 Outorgada 50 164 Outorgada 13.656.950 63 Em Construção 1.326 Em Operação 5.927.811 27.730.687 Fonte – Banco de Informações de Geração ANEEL, 2010 Um combustível com bastante potencial para uso em geração de energia com potenciais queimas limpas é o GLP, ou gás liquefeito do petróleo. O GLP é um combustível proveniente do petróleo ou gás natural. É caracterizado basicamente pelos hidrocarbonetos, propano e butano. O GLP é amplamente utilizado em aquecimentos industriais e domésticos. Possui um poder calorífico da ordem de 11.000 kcal/kg o que caracteriza uma grande vantagem sobre combustíveis sólidos e líquidos. O GLP tem alto índice de octanagem, o que representa uma maior eficiência energética se comparada, por exemplo, a gasolina (Humberto, 2004). Atualmente o GLP não pode ser usado como combustível em nenhum tipo de motor devido à lei 8.716, de 8/2/1991. Naquela época o GLP era subsidiado pelo governo e em uma iminente crise o governo restringiu seu uso a fins devidamente estritos 18 (Sindigás, 2011). Em motores pesados, o GLP apresenta emissão menor que a gasolina, e em motores leves, as emissões de NOx são equivalentes, mas possui menor emissão em todos os outros poluentes (Humberto, 2004). Aliados com sua facilidade de transporte e armazenagem, essas características fazem do GLP um combustível ideal nos tempos atuais. Há uma crescente demanda pelo controle da qualidade do ar visando reduzir as emissões de poluentes gerados pela queima de combustíveis a níveis extremamente baixos. Ao passo que a evolução da economia exige uma cada vez maior eficiência dos dispositivos de queima a fim de extrair o máximo de energia da menor quantidade de matéria prima possível, visando atender uma grande gama de aplicações. Para se obter sucesso no cumprimento desses quesitos, vários queimadores porosos radiantes vêm sendo desenvolvidos. Os queimadores porosos oferecem uma maior eficiência em relação ao uso de queimadores convencionais, além de emitir menos poluentes. Devido a este fator, vários autores têm publicado frequentes pesquisas sobre combustão em meios porosos (Mallahawy e Habik, 2009). O uso de queimadores porosos, tendo como combustível o GLP, pode atender esta atual demanda de crescimento sustentável sem agredir o ambiente. Em processos industriais vem se usando amplamente a radiação térmica. O uso desta tecnologia é aplicável em atividades como: secagem de papel, processamento de vidro e cura de revestimentos. Diversas tecnologias podem ser aplicadas nesse processo, tais como aquecimento de grafite por efeito Joule e queimadores tubulares radiantes. Aos poucos os queimadores porosos vem ganhando espaço nesse mercado (Catapan et al., 2005). Um queimador poroso consiste de um queimador onde a chama queima internamente, dentro de um meio 19 poroso, construído a partir de uma estrutura porosa metálica ou cerâmica. Esta estrutura promove uma melhor mistura do gás e do ar causando uma zona de pré aquecimento por condução. Este pré aquecimento promove um aumento na taxa de reação química, aumento da temperatura máxima da zona de reação, podendo chegar acima da temperatura adiabática de chama e uma menor emissão de poluentes (Howell et al., 1996). 1.2 OBJETIVOS 1.2.1 Objetivo Geral O presente trabalho tem como objetivo principal analisar, experimentalmente, a influência da porosidade de um meio poroso na estabilização da frente de chama em um queimador poroso. 1.2.2 Objetivos Específicos Além do objetivo geral, há também o interesse de:  Analisar a influência do meio poroso na temperatura interna de um queimador poroso.  Proporcionar uma introdução ao estudo de queimadores porosos e o universo que o rege.  Relatar a construção e melhoria constante de um queimador poroso experimental.  Relatar as dificuldades e oportunidades de melhoria na continuação do estudo em queimadores porosos. 20 2 COMBUSTÃO De acordo com o dicionário Michaelis, combustão é “Oxidação rápida com desenvolvimento simultâneo de calor e de luz”. Também “irromper de incêndio em material combustível (...) sem aplicação direta de chama ou faísca e comumente causado por processos de oxidação lenta”. A porção da combustão aqui descrita consiste somente na oxidação rápida com liberação de calor e luz, visto que a maioria dos dispositivos de combustão, também conhecidos como queimadores, trabalham neste campo. Esta definição enfatiza a importância da combustão, uma vez que esta transforma energia contida em elementos químicos, através de reações químicas exotérmicas, em energia de calor que pode ser usada de diversas formas em nossas vidas (Turns, 2000). De acordo com Mallahawy e Habik (2009) combustão é definida como uma reação exotérmica rápida que libera certa quantidade de energia através de chamas e calor como reações de combustão, com a capacidade de se propagar através de um meio adequado. Com estas duas definições vemos que a combustão é basicamente um conjunto de reações que acontecem entre dois ou mais elementos, sendo um combustível, o elemento que sofre a oxidação e o outro comburente, este sendo por sua vez o elemento que sofre a redução. Através destas reações ocorre uma liberação de energia em forma de calor, que pode ser usada para diversos fins. Os três principais elementos químicos presentes nos mais importantes combustíveis são, carbono, hidrogênio e enxofre. Sendo o enxofre um elemento de menor importância para geração de energia, mas podendo ser um forte contribuinte para problemas de corrosão e poluição. Basicamente a combustão pode ser 21 classificada em dois tipos, completa e incompleta. A combustão completa ocorre quando todos os elementos principais sofrem oxidação completa, e o carbono presente transforma-se em dióxido de carbono, o hidrogênio transforma-se em água, e o enxofre em dióxido de enxofre. As combustões consideradas incompletas ocorrem quando alguns destes requisitos não são atendidos (Moran e Shapiro, 2006). Exemplos extraídos de Humberto (2004): Combustão completa: C + O2 → H2 + ½ O2 → S + O2 → CO2 ΔH1 = - 33900 kJ/kg H2O ΔH2 = - 141800 kJ/kg SO2 ΔH3 = - 9200 kJ/kg Combustão incompleta: C + ½ O2 → CO ΔH4 = - 23906 kJ/kg Um importante conceito a ser apresentado, para entendimento deste trabalho, é o conceito de Temperatura de Chama Adiabática. Adiabático vem do Grego e significa “Não cruze o limite”. Um processo adiabático é o processo no qual não há transferência de calor. Isto significa que a Temperatura de Chama Adiabática seria a temperatura que a chama atingiria caso não houve troca de calor com o ambiente. Sua temperatura é máxima quando a combustão completa ocorre com a quantidade teórica de ar (Çengel e Boles, 2006). 2.1 PRÍNCIPIOS DE CONSERVAÇÃO Os princípios termodinâmicos e dinâmicos envolvidos em um fluxo de reação química, como a combustão, são regidos pelas leis de conservação de massa, momento, energia e de conservação das espécies químicas (Law, 2006). As equações de conservação derivadas são demonstradas a seguir de forma simplificada. 22 2.1.1 Continuidade (Conservação de Massa) A lei das conservações de massa diz que a transferência de massa líquida que entra ou sai de um volume de controle durante um intervalo de tempo, é igual a variação de massa líquida dentro do volume de controle no mesmo intervalo de tempo (Çengel e Boles, 2006). (2.1) 2.1.2 Conservação das espécies químicas Também conhecido como balanço de massa, é uma extensão do príncipio da continuidade para espécies químicas. A quantidade de massa líquida de cada elemento químico deve ser preservada após a reação, mesmo que este elemento esteja em uma composição química diferente, sua massa deve ser conservada. É importante lembrar que o número de moles não necessariamente é o mesmo após a reação (Çengel e Boles, 2006). (2.2) 2.1.3 Conservação de Momento De acordo com a segunda lei de Newton, uma força atuando sobre um sistema é igual a taxa de variação do seu momento (Law, 2006). (2.3) 23 2.1.4 Conservação de Energia De acordo com a primeira lei da termodinâmica, energia não pode ser criada ou destruída. Durante uma interação a forma de energia pode ser modificada, mas a quantidade de energia que entra em um sistema deve ser igual a quantidade de energia que sai desse mesmo sistema (Çengel e Boles, 2006). (2.4) 2.2 COMPOSIÇÃO DO AR Oxigênio é necessário para toda reação de combustão. O oxigênio presente no ar é suficiente para a maioria das aplicações. Oxigênio puro é usado somente em ocasiões especiais como operações de corte e solda (Moran e Shapiro, 2006). O ar é composto da seguinte maneira (Figura 4): Tabela 4 - Composição aproximada do ar seco Componente Fração Molar (%) Nitrogênio 78,08 Oxigênio 20,95 Argônio 0,93 Dióxido de Carbono 0,03 Neônio, Hélio, Metano e outros 0,01 Fonte: Moran e Shapiro, 2006 Para efeito de cálculos, consideramos Oxigênio a 21% e Nitrogênio a 79%. Os outros componentes do ar ficam no grupo do Nitrogênio. Com esta suposição a razão molar do Nitrogênio para o Oxigênio fica 0,79/0,21 = 3.76. Isto significa que para cada mol de oxigênio no ar há 3,76 moles de Nitrogênio. Também para efeito 24 de cálculos, assume-se que tudo que não seja o oxigênio presente no ar, não reage, ou seja, é inerte. Contudo, é importante ressaltar que a altas temperaturas o Nitrogênio forma componentes que podem ser considerados fontes de poluição do ar, dentre estes componentes podemos citar o óxido nítrico (NO) e o dióxido de nitrogênio (NO2) (Moran e Shapiro, 2006). A 15,5 ºC a densidade do ar é 1,22 kg/m³, com um volume de 0,37 m³ ao nível do mar e submetido a pressão atmosférica (Humberto, 2004). Alguns conceitos básicos retirados das notas de aula do Prof. Humberto: Ar de combustão: ar efetivo que reage quimicamente com o combustível formando os produtos da combustão. Ar teórico: ar com a quantidade ideal de oxigênio para que haja a combustão completa do combustível. É definido pelas equações estequiométricas. Não pode haver nenhum oxigênio livre nos produtos. Ar em excesso: ar que é introduzido no sistema, mas não participa da reação com o combustível, é o ar que sobra da reação. Ar primário: ar primariamente misturado ao combustível a fim de se atingir certas características antes de entrar na câmara de combustão Ar secundário: ar necessário para efetivamente realizar a combustão após o ar primário ter iniciado a reação de combustão. Mistura ar-combustível: é a efetiva mistura do ar com o combustível que vai gerar os produtos de combustão (combustível + oxidante). Uma mistura com combustível em excesso, ou seja, com menos ar do que o ar teórico, é uma mistura rica, ao posso que uma mistura com excesso de ar é uma mistura pobre. 25 2.3 RAZÃO AR-COMBUSTÍVEL Dois parâmetros comumente usados em reações de combustão afim de quantificar as quantidades de ar e combustível são a razão ar-combustível e a razão combustível-ar. A razão ar-combustível nada mais é que a razão entre a quantidade de ar pela quantidade de combustível presente no sistema. Esta razão pode ser molar: (2.5) Ou também mássica, para isso bastando multiplicar o número de moles do ar por seu peso molecular (Mar) e o número de moles de combustível por seu peso molecular (Mcomb.): (2.6) Onde: = Razão Ar-Combustível mássica; = Razão Ar-Combustível molar. O peso molecular do ar pode ser considerado 28,97 (Moran e Shapiro, 2006). 2.4 ESTEQUIOMETRIA A quantidade estequiométrica de oxidante, é o tanto de oxidante necessário para realizar a queima completa do combustível. A quantidade estequiométrica é dada por um balanço simples dos átomos, assumindo que o combustível reaja de forma a gerar uma quantidade ideal de produtos. Para os hidrocarbonetos, a 26 estequiometria da sua combustão tendo o ar como oxidante, pode ser representada por (Turns, 2000): (2.7) 2.5 GLP O GLP, ou gás liquefeito do petróleo, é caracterizado pelos seus hidrocarbonetos, que são gasosos a pressão atmosférica, mas podem se condensar em líquidos a temperatura normal, para isso bastando serem aplicadas pressões moderadas. Quando evaporados, produzem cerca de 250 vezes mais volume do que quando acondicionados na forma de líquido. O GLP é mais denso do que o ar. Devido ao fato de não possuir odores naturais, eles devem ser odorizados logo na sua produção para facilitar a detecção em caso de vazamento (BEE, 2011). Tabela 5 - Características dos principais hidrocarbonetos presentes no GLP à 15 ºC e 1 atm Hidrocarboneto Peso Molecular Densidade (kg/m3) Propano Butano 44,094 58,120 1,562 2,067 Relação ar/combustível (m3ar/ m3combustível) O2 Ar 5,00 23,821 6,50 30,967 Relação ar/combustível (kgar/ kgcombustível) O2 Ar 3,537 15,246 3,476 19,984 Fonte – GASNET: Gás Natural do Brasil A Tabela 5 mostra as principais características dos componentes presentes em maior quantidade no GLP. O GLP é uma mistura de propano e butano com uma pequena quantidade de não saturados (propileno e butileno) e frações leves com dois átomos de carbono, assim como frações pesadas com cinco átomos de carbono. Em estudo de medição 27 média apresentado por Bizzo (2003), o GLP se apresenta com a seguinte composição: Tabela 6 – Composição do Gás Liquefeito do Petróleo em análise feita por Bizzo, 2003. Componente Composição (%) Etano 1,0 Propano 30,6 Propeno 20,7 Butano 32,9 Buteno 14,7 Fonte: Bizzo, 2003 Para efeito de cálculos e análises de combustão, podemos considerar o GLP como uma composição igualitária de propano e butano (50/50) (Bizzo, 2003). Propano: sendo um dos principais componentes do GLP, é um hidrocarboneto saturado com três átomos de carbono e oito de hidrogênio (C3H8) (Figura 1). Se aplicarmos a composição do propano na equação do balanço estequiométrico dos hidrocarbonetos (eq. 2.7), temos a queima estequiométrica do propano: C3H8 + 5O2 + 18,8N2 → 3CO2 + 4H2O+ 18,8N2 + Energia Butano: é o principal componente do GLP, também é um hidrocarboneto saturado com quatro átomos de carbono (C3H8) (Figura 2). É obtido através do processamento do gás natural, assim como no processo de refino do petróleo (Humberto, 2004). Se aplicarmos a composição do propano na equação do balanço estequiométrico dos hidrocarbonetos (eq. 2.7), temos a queima estequiométrica do butano: C4H10 + 6,5O2 + 24,44N2 → 4CO2 + 5H2O+ 24,44N2 + Energia 28 Neste trabalho o combustível utilizado será o GLP devido a facilidade de obtenção e a perfeita usabilidade neste caso. Figura 1 - Visão espacial da molécula do propano Fonte: http://quimicaensinada.blogspot.com/2011/01/propano-butano-glp.html Figura 2 - Visão espacial da molécula do butano Fonte: http://quimicaensinada.blogspot.com/2011/01/propano-butano-glp.html 29 3 QUEIMADORES POROSOS Em uma reação de combustão, o pré-aquecimento dos reagentes, faz com que a temperatura máxima dos gases e a velocidade da chama sejam aumentadas. Este pré-aquecimento é conseguido inserindo um material com certa porosidade na zona de reação da combustão. Esta matriz sólida possui maior condutividade do que os gases, e remove parte do calor da região pós-chama, ao passo que aquece os gases, que ainda não foram queimados, através da radiação e condução. Esta nova energia faz com que a temperatura na região de combustão pode ultrapassar os valores da temperatura de chama adiabática, recebendo por isso, o nome de combustão superadiabática, ou combustão com excesso de entalpia (Hardesty e Weinberg apud. Pereira e Oliveira, 2003) Basicamente os queimadores porosos podem trabalhar de duas maneiras, com a combustão estabilizada na matriz (Figura 3), e com a combustão estabilizada na superfície. No primeiro modo toda a combustão ocorre dentro do meio poroso. A superfície do meio poroso somente recebe calor por convecção e condução proveniente da queima. Este tipo de operação é a mais comum e é conhecida como combustão sem chama. A combustão estabilizada na superfície, por sua vez, é caracterizada pela ocorrência da combustão logo na superfície do meio poroso. Deste modo a superfície radiante é também aquecida por gases quentes (Mujeebu et al., 2009) 30 Figura 3 – Foto esquemática de um queimador de duas camadas com combustão estabilizada na matriz Fonte: Mujeebu et al., 2010 Para facilitar o entendimento do que faz os queimadores porosos tão especiais na combustão, Mohamad (2005) cita algumas características que facilitam a visualização da importância dos queimadores porosos: devido aos pequenos vórtices gerados pelos poros do meio, o fluxo se torna turbulento, o que aumenta o momento de calor e a transferência mássica e estabiliza a chama. Ainda há o aumento de troca de energia e momento entre as fases sólidas e fluídas. As capacidades térmicas do meio poroso podem ser projetadas para sua devida finalidade. Aumentando a condutividade se pode aumentar a condução, o que faz com que o calor gerado na zona de chama se propague para a zona de pré chama, aquecendo os gases. Por sua vez, a quantidade de NO x gerado diminui, devido a menor temperatura de chama; outro fator que diminui a emissão de NOx é a maior transferência de calor por radiação dentro do meio poroso, provocando também uma 31 menor temperatura de chama. A queda de pressão dentro do meio poroso pode ser controlada a medida que se muda a permeabilidade do material poroso. Na maioria das aplicações, meios porosos altamente permeáveis podem ser usados, levando a queda de pressão a patamares insignificantes. 3.1 APLICAÇÕES NA INDÚSTRIA Esta seção mostra um pouco da evolução das pesquisas em queimadores porosos em seus campos de aplicação e é um resumo de uma revisão bibliográfica feita por Mujeebu et al. (2009). Todos os estudos mencionados podem ser encontrados com mais detalhes na fonte. 3.1.1 Motores de combustão interna Um estudo numérico unidimensional, em um motor de pistão com combustão superadiabática em um meio poroso foi realizado por Hanamura et al. (1997). O sistema consistia de dois pistões e um meio poroso fino dentro de um cilindro, um sendo o pistão de deslocamento e o outro o pistão de potência, semelhante a um motor Stirling. Com isso Hanamura conseguiu um valor entálpico dentro dos cilindros maior que o valor teórico. Park e Kaviany (2002) estudaram o conceito de regeneração térmica para motores a diesel, chegando a conclusão que o uso de um regenerador poroso, tem a função de melhorar a combustão e a mistura do arcombustível. Möbbauer (2001) construiu e testou um protótipo compacto, de um motor a vapor com zero emissão usando um queimador poroso adequado para uso em automóveis. Com seus resultados de baixíssima emissão e potência superior a outros queimadores de baixa emissão, aliado com a possibilidade de geometrias complexas, esta tecnologia em conjunto com uma moderna tecnologia de motor a vapor, oferece clara vantagem aos convencionais motores automobilísticos usados hoje. Weclas (2001, 2004, 2005) introduziu um novo conceito ao apresentar uma 32 estrutura altamente porosa de células abertas para motores de combustão interna. Seu estudo provou que o fluxo de gás, a injeção de combustível e sua distribuição espacial, vaporização e homegeneização da mistura, ignição e combustão puderam ser positivamente influenciadas, ou até mesmo controladas. 3.1.2 Propulsão e turbina a gás As características da combustão que são atrativas para a propulsão são a capacidade de queimar de forma mais pobre e com melhores temperaturas com baixa emissão do que as chamas livres, a não necessidade de resfriar o combustor e o potencial de operar com baixo ruído. Ellzey e William (2003) construíram e estudaram um queimador poroso com combustão realizada em uma matriz estabilizada para aplicações em turbinas a gás. O desempenho de um combustor poroso para turbinas a gás a alta temperatura foi estudado por Noordally et al. (2004) . Os resultados mostraram que o combustor pode operar de forma superadiabática com baixas emissões. 3.1.3 Trocadores de calor Experimentos e análises com queimadores porosos construídos com trocadores de calor foram realizados por Delallic (2004) para aumentar a eficiência energética de caldeiras com diminuição da emissão de CO2. Mallico (2000) fez um estudo bidimensional das temperaturas e formação de poluentes em um queimador poroso. O estudo de Mallico (2000) foi validado pela comparação com os dados experimentais disponíveis até o momento. 3.1.4 Outras aplicações A fase de combustão gasosa em meios porosos tem um grande potencial na aplicação da indústria de óleo e gás. Um estudo experimental sobre os vários processos e mecanismos de controle na fase de combustão gasosa em 33 queimadores porosos foi feito por Sanmiguel et al. (2003), especialmente em altas pressões. Os resultados mostraram boa usabilidade em processos de recuperação de gás e óleo. Qiu e Hayden (2006) desenvolveram queimadores radiantes para aplicações em iluminação, a partir do estudo da combustão pré misturada de gases em feltro de fibra cerâmica. O experimento emitiu intensa luz radiante e os autores concluíram que o queimador poderia ser usado como fonte alternativa de baixo brilho em um sistema integrado de calor e luz. Bingue et al. (2002) estudou a possibilidade do uso de queimadores para a obtenção de hidrogênio, syngas, e enxofre. Mohamad (2005) menciona a possibilidade do uso do potencial de queimadores porosos na produção de eletricidade, como um mini cogerador, produzindo eletricidade e calor. A idéia foi anteriormente estudada por Echigo et al. (1993) e outros pesquisadores. Porém, mais pesquisas precisam ser desenvolvidas nessa área para um melhor aproveitamento do potencial de cogeração dos queimadores porosos. Muitas outras áreas vêm realizando estudo em potencial dos queimadores porosos, por exemplo, combustão de combustíveis com baixo poder calorífico, queima de combustíveis sólidos, síntese de HCL, eliminação de poluentes provenientes de componentes orgânicos voláteis através da oxidação, recuperação termal de solventes. 3.2 MATERIAIS PARA MEIOS POROSOS As temperaturas de combustão de queimadores porosos podem ser relativamente baixas em uma operação ideal, contudo elas podem ser altas o suficiente para causar danos as estruturas metálicas porosas. A disponibilidade de esponjas cerâmicas porosas e matrizes cerâmicas permitiram evoluções nos meios porosos. Mesmo assim as esponjas cerâmicas sofrem com trincas causadas pelas diferencias de temperatura no início e fim das operações. As esponjas cerâmicas 34 estão disponíveis em diversos tipos de material. A composição é especificada pelo material base estabilizado por outro material usado como capa. Como material base pode-se citar: carboneto de silício, nitreto de silício, alumina, cordierita, mulita e zircônia. (Howell, 1996) A condutividade térmica do material poroso é importante. Quanto maior a condutividade, maior a recirculação de calor, aumentando assim a temperatura de pré aquecimento dos gases (Catapan et al., 2005). 3.3 COMBUSTÃO EM MEIOS POROSOS Há basicamente dois tipos de combustão, chama de baixa velocidade, e detonação de alta velocidade. Quando se fala de queimadores porosos a diferenciação entre estes dois meios se torna complexa (Dillon, 1999). Babkin et al. (1991) classificou os tipos de combustão baseado na velocidade de propagação da onda gerada pela combustão, ou seja, velocidade de chama (Glassman, 2008) . As classificações estão listadas na Tabela 7: Tabela 7 - Tipos de combustão baseados na velocidade de propagação da chama proposto por Babkin Regime Baixas Velocidades (LVR) Altas Velocidades (HVR) Velocidade do som (SVR) Baixa velocidade de detonação (LVD) Detonação normal (ND) Velocidade de chama (m/s) 0 - 10-4 0,1 – 100 100 – 300 500 – 1000 1500 - 2000 Fonte: Babkin et al., 1991 Nesta seção serão mostrados de forma sucinta os princípios e equações que regem os queimadores porosos. Os princípios de conservação de massa, momento, espécies químicas e energia são válidos para combustão em queimadores porosos. Malico (2002) em seu trabalho demonstra as variantes destas equações que regem 35 a combustão em queimadores porosos. Segue um resumo destas equações que podem ser aplicadas na modelagem da combustão no interior de queimadores porosos: Conservação de massa (Continuidade) (3.1) Conservação de quantidade de movimento na direção axial: (3.2) Conservação de quantidade de movimento na direção radial: (3.3) Conservação de quantidade de energia na fase fluida: (3.4) Conservação de quantidade de energia na fase gasosa: (3.5) 36 Conservação de massa da espécie química i: (3.6) A porosidade é fator determinante para registro de condição de testes de um queimador poroso. Vários autores referem-se a porosidade para descrever as características dos seus experimentos. Para os estudos de forma generalista, a porosidade pode ser calculada pela equação (Dillon, 1999): (3.7) De acordo com Babkin et al. (1991) a estabilização da chama e sua propagação pode ser regida pelo número de Peclet. Se adaptarmos a equação do número de Peclet para meios porosos temos: (3.8) Onde: é a velocidade de chama laminar, médio dos espaços vazios do meio poroso, a densidade específica da mistura e é o diâmetro equivalente o calor específico da mistura gasosa, a condutividade térmica da mistura. Em estudos experimentais feitos por Trimis e Durst, Babkin et al. um número de Peclet crítico foi encontrado, Pe* = 65. Onde, para Pe < 65, para exaustão da chama, e Pe > 65 para a propagação da chama (Mujeebu et al., 2009). Esta condição é aceita por grande parte dos pesquisadores. Contudo, Dillon (1999) em 37 seus testes achou um número de Peclet crítico de 37 para a queima do hidrogênio. Dillon levanta a hipótese da diferença encontrada entre a literatura e seus experimentos poder ocorrer devido às diferentes composições químicas entre os tipos de combustível, hidrogênio x hidrocarbonetos, e a influência da flutuabilidade, tubos verticais na literatura x tubos horizontais, em seu experimento. A velocidade de chama em queimadores porosos é dada pela equação (Catapan, 2005). (3.9) Onde: Vg = fluxo volumétrico dos gases; Aq = Área da seção transversal do queimador. No interior, do queimador, contudo, a propagação da chama encontra a resistência do meio poroso, a velocidade de chama é dividida pela porosidade do meio (Catapan, 2005). A relação de equivalência mede o quão próximo a mistura está das condições estequiométricas e é dada pela seguinte equação (Turns, 2000): (3.10) Onde: é a razão ar-combustível Ideal ou estequiométrica, e a razão ar- combustível real. Em estudos sobre queimadores porosos, (Catapan et al, 2005; Howell, 1996; Babkin, 1991; Pereira, 2003) a velocidade de chama e a relação de equivalência são 38 os parâmetros mais usados para comparação entre diferentes protótipos de queimadores porosos. Portanto, é de fundamental importância o conhecimento da existência desses parâmetros em estudos complexos relacionados a modelagem e testes de queimadores porosos. Catapan (2005) usa de forma bastante simples equações que regem a eficiência de radiação de um queimador poroso. A eficiência pode ser medida através da razão entre a quantidade de energia emitida por radiação ( quantidade total de energia gerada na queima da mistura ( e a : (3.11) Podemos chegar nas quantidades de radiação emitidas através da equação: ) (3.12) E a quantidade geral de energia gerada pela combustão é dada pela equação: (3.13) Onde: é a emissividade da superfície; temperatura na superfície do queimador; mássica de combustível; e a constante de Boltzman; a temperatura ambiente; entalpia específica inferior. a vazão 39 Através destas equações supracitadas, é possível estabelecer alguns parâmetros sobre o funcionamento de queimadores porosos. Catapan (2005) chegou a conclusão em seus estudos que a eficiência diminui a medida que a velocidade de chama aumenta. 40 4 MATERIAIS E MÉTODOS 4.1 PROTÓTIPOS ANTERIORES E EVOLUÇÃO O queimador usado neste teste é de cunho experimental e vem sendo melhorado a medida que testes são feitos. A princípio era usado um queimador com um trocador de calor que percorria toda a estrutura a fim de resfriar o reator e por consequência gerar água quente (Figura 4) (Souza, 2009). Figura 4 – Protótipo inicial do queimador poroso Fonte: Sousa, 2009 41 A alimentação deste primeiro protótipo se dava por uma flauta de duas entradas e três saídas. Por uma entrada era injetado o combustível, GLP e na outra o ar proveniente de um compressor. Dentro da flauta ocorria uma pré mistura do arcombustível. A mistura por sua vez era injetada no queimador por onde passava por uma antecâmara separada por um plênum e finalmente fluía pelo meio poroso. Três termopares do tipo K, constituídos de Cromel/Alumel, eram dispostos radialmente, igualmente espaçados, para mostrar a distribuição axial de temperatura no interior do reator, conforme Figura 5. Figura 5 – Distribuição dos termopares tipo K no protótipo inicial Fonte: Souza, 2009 Este queimador foi substituído por um mais simples, com as mesmas características inicias, desta vez sem o trocador de calor. Novos testes foram feitos. Com os novos testes, desta vez sem o sistema de produção de água quente, as temperaturas foram altas o suficiente para derreter o sistema de fornecimento da mistura. Mangueiras próprias para gás eram conectadas diretamente na base do 42 queimador, ficando expostas as altas temperaturas, que chegavam a mais de 600 ºC neste período de testes. As mangueiras então foram substituídas por tubos de cobre. Material resistente o suficiente a altas temperaturas para suportar o calor gerado pela combustão da mistura. Uma adaptação para a conexão foi então providenciada por empresa qualificada (Nacional Gás) visando a segurança. Com o novo sistema implantado e um melhor entendimento do funcionamento do queimador, foi então possível reiniciar os testes. Desta vez as temperaturas superaram novamente as expectativas e ultrapassaram os 1200 ºC, ultrapassando assim as temperaturas máximas dos termopares tipo K, que correspondem a 1260 ºC , resultando na perda de sensibilidade e degradação de um dos termopares (Gráfico 1). Distribuição de temperatura no reator 1200 Temperatura (°C) 1000 800 Meio 600 Base 400 Topo 200 0 0 200 400 600 800 1000 Tempo (s) Gráfico 1 - Queima de um dos termopares tipo K, teste realizado em 09/02/2011 No início tentou-se estabilizar a chama pelo controle da mistura em temperaturas por volta de 1000ºC (Gráfico 2). Como o controle não era preciso e 43 devido a dificuldade de estabilização do meio em temperaturas mais baixas, os termopares foram trocados por termopares tipo B. Distribuição de temperatura no reator 1200 Temperatura (°C) 1000 800 600 Meio Base 400 Topo 200 1 136 271 406 541 676 811 946 1081 1216 1351 1486 1621 1756 1891 2026 2161 2296 2431 2566 2701 2836 2971 3106 3241 3376 0 Tempo (s) Gráfico 2 - Tentativa de realizar os testes estabilizando a temperatura em 1000 ºC, teste realizado em 20/10/2011 Para facilitar a estabilidade, um novo reator foi projetado baseado no tempo mínimo de permanência da mistura dentro de uma câmara. Com o novo reator, a antiga forma de acionamento do queimador passou a não ser mais eficiente. A priori, o queimador era acionado por um faiscador na saída dos gases. O novo comprimento do reator tornou esta tarefa cansativa e árdua. Visando sempre a melhoria, um novo acionamento foi providenciado. A ignição do combustível passou a ser feita através de um maçarico. 4.2 MODELO ATUAL O queimador atual é composto por um tubo de aço SAE 1010 de 5 mm de espessura e altura igual a 300 mm. Este tubo compõe o reator do queimador. O 44 reator possui 82,55 mm diâmetro interno e está soldado em uma base de aço de 10 mm de espessura e 160 mm de diâmetro (Figura 6). Esta base possui 4 furos, 1 central e 3 furos com afastamentos iguais em relação ao central e com defasagem de 120º entre si (Figura 7). Figura 6 - Projeto do corpo do reator com a disposição dos termopares 45 Figura 7 - Disposição dos furos para passagem de ar e gás na base do queimador Atualmente somente é usado o furo central para injeção de ar, e um dos furos periféricos para injeção de combustível. Dentro do reator há uma antecâmara gerada por um plênum. O plênum é formado por um tubo de 2 mm de espessura, 76 mm de diâmetro interno, 30 mm de altura vedado por uma tela que impede a passagem das esferas de Al2O3 e da chama, formando assim o espaço necessário para o ar se misturar com o combustível de maneira satisfatória. Antes da entrada do combustível e do ar dentro da câmara, há ainda a passagem por uma placa de orifícios. A placa de orifícios é formada por uma chapa de 2 mm e diâmetro de 80 mm, possui 7 furos e tem como objetivo iniciar a homogeneização da mistura. Fez-se necessário o isolamento do meio poroso para as paredes do tubo. Devido à boa condução de energia do meio poroso e das paredes, o calor gerado pela combustão era facilmente dissipado, dificultando assim a estabilização da chama dentro do meio poroso. Para solucionar este problema, foi introduzida uma manta de amianto entre o meio poroso e a parede do tubo do reator. O amianto é uma fibra natural mineral sedosa que foi escolhida por duas das suas diversas características, resistência a altas temperaturas e bom isolante térmico. (Baird, 2008) 46 4.2.1 Meio Poroso A formação do meio poroso é um ponto crítico. É formado por esferas de alumina (Al2O3), um dos materiais usados em queimadores porosos. Devido a complexidade de produção de um meio poroso, foram usadas esferas dentro de um tubo (Reator). Este método mostrou-se viável pela facilidade de intercambialidade da porosidade do meio, bastando para isso a substituição das esferas de alumina por outras de diferente diâmetro. De acordo com o fabricante Celene (2011) as esferas de alumina possuem a composição apresentada na Tabela 8: Tabela 8 - Composição das esferar de alumina Composto Porcentagem Al2O3 SiO2 MgO Fe2O3 Na2O CaO K2O 93,02 3,82 1,44 0,54 0,46 0,13 0,01 Fonte: Celene, 2011 Características Físicas: Teor de Al2O3 (% em peso): > 87 % Absorção de água: < 7 % Densidade: > 2.8 g/cm³ Temperatura máxima de operação: 1500 °C Para formar o meio poroso foram mixadas esferas de ½” e ¼” (Figura 8). Figura 8 - Esferas de alumina (Al2O3) de ¼”e ½” 47 4.2.2 Combustível O combustível utilizado no experimento foi o GLP devido propriedades anteriormente citadas e boa disponibilidade no laboratório onde os testes foram realizados. O gás fica armazenado em um cilindro no campus da UNIFOR a uma pressão de 2 bar, o qual fornece GLP ao laboratório onde os teste foram realizados. 4.2.3 Medidores de Vazão Para medir a vazão de gás utilizou-se um medidor do tipo LAO G-1 (Figura 9a), capaz de medir vazões entre 0,002 m3/h a 1,4 m3/h, a uma pressão máxima de 50 kPa. Como a pressão de saída da linha é muito superior, se fez necessário o uso de uma válvula reguladora de pressão tecnix COMAP, com uma pressão de saída de 2,8 kPa. Para medir a vazão de ar foi usado um aparato instalado por empresa especializada (Figura 9-b). O medidor de vazão utilizado é da marca INSTROMET, e mede vazões entre 0,6 m3/h e 25 m3/h e trabalha com pressões de até 1900 kPa. Antes de passar pelo medidor, o ar passa também por um termômetro e um medidor de pressão. Após passar pelo medidor o ar flui novamente por um medidor de pressão afim de verificar a perda de carga no medidor de vazão. (a) (b) Figura 9 - Medidores de vazão de gás (a) e ar (b) 48 4.2.4 Sistema de alimentação Após os testes iniciais com mangueiras de plástico próprias para gás, surgiu a necessidade da substituição deste material. As mangueiras derreteram a uma determinada temperatura de funcionamento devido a condução gerada pela combustão, e os encaixes, antes de fácil acesso, tiveram que ser trocados como mostra a Figura 10, por um encaixe próprio para gás realizado por empresa especializada, visando a segurança. Os tubos de conexão foram substituídos por mangueiras de cobre. Material este resistente a altas temperaturas e que serviram bem ao propósito. Figura 10 - Encaixe das mangueiras de ar e combustível 49 4.2.5 Válvulas de controle Para controle do fluxo de ar e gás foram usadas válvulas agulha de controle fino adaptadas com volantes maiores a fim de aumentar a precisão do controle. Estas válvulas ainda não são as ideais para nossa finalidade, é necessário um controle maior para garantir uma boa precisão do controle ar-combustível. O ideal seria um controlador de vazão eletrônico. Contudo, estas válvulas atendem as necessidades básicas de constância de vazão, fator primordial para as necessidades dos testes objetivos deste trabalho. Para amenizar esta dificuldade foi elaborado um sistema de controle da abertura da válvula de ar por grau de abertura (Figura 11-a). Na válvula de gás foram realizadas marcações para guiar o controle das vazões necessárias (Figura 11-b). (a) (b) Figura 11 - Válvulas de controle fino de ar (a) e gás (b) 4.2.6 Ignição O acionamento do queimador se dá através de três etapas. O ar é acionado e a válvula posta na posição de estabilidade pré-estabelecida por experimentos anteriores, em seguida o combustível também é acionado e a válvula posta na 50 posição pré estabelecida. Passados alguns segundos o maçarico (Figura 12) é acionado e a chama direcionada para a boca do queimador. Espera-se até o início da combustão. Figura 12 – Maçarico e seu sistema de alimentação 4.2.7 Sistema de Coleta de Dados Para coleta dos dados foi usado um Data Logger do tipo DataTaker DT800 (Figura 14). A comunicação do DataTaker com o supervisório se dá via Ethernet ou Serial. Os dados são colhidos através de termopares do tipo B (Figura 13) e enviados para o sistema supervisório (Figura 15) para medição das temperaturas nos três termopares. Os termopares tipo B (Platina/Ródio-Platina) suportam temperaturas até 1820 ºC. Estes termopares tem uma menor sensibilidade, se comparados aos do tipo K, e só medem temperaturas acima de 50º C, gerando uma medição confiável somente a partir dos 300 ºC . Porém, superam a limitação encontrada com os termopares anteriores, tipo K. Os dados são enviados para um istema supervisório do próprio fabricante, denominado, DataLogger, onde as temperaturas são monitoradas em tempo real. 51 Figura 13 – Visão interna dos termopares no reator vazio Figura 14 – Sistema de aquisição de dados (DataTaker) Figura 15 – Sistema supervisório em funcionamento (DataLogger) 52 4.2.8 Processo de operação do protótipo O funcionamento do queimador se dá da seguinte forma: ar comprimido a 7 bar vindo da fonte passa por uma válvula reguladora de pressão e segue para um medidor de vazão, passando antes por um termômetro e um medidor de pressão. Após a passagem do ar pelo medidor de vazão, este passa novamente por um medidor de pressão. Antes de ser injetado na parte inferior do queimador o ar passa por uma válvula de controle fino para regular a vazão de entrada e facilitar a aproximação da condição ar-combustível ideal. Em outra linha independente, o gás combustível, GLP, sai do cilindro de armazenamento a uma pressão de 2 bar e passa por uma válvula reguladora de pressão. Em seguida o GLP entra em um medidor de pressão e segue para uma válvula de controle fino, com o mesmo intuito da válvula referente ao ar, para facilitar a regulagem ar-combustível. Após a passagem pela válvula o GLP segue direto para o queimador, sendo injetado através de bicos injetores na parte inferior do modelo. Como se pode perceber, não há uma pré mistura ar-combustível. Este modelo foi adotado depois da dificuldade de se estabilizar a chama em um queimador de pré-mistura. Sendo mais fácil controlar manualmente a razão ar-combustível com injetores separados. Uma vez o ar e o combustível dentro do queimador, estes passam por uma antecâmara, separada por um plênum, onde vai ocorrer a mistura dos reagentes. É nesta fase também que ocorre o fenômeno responsável pela maior eficiência dos queimadores porosos em comparação aos queimadores comuns. Devido a condução e radiação provenientes da frente de chama, há um pré-aquecimento da mistura antes da combustão, ou seja, a mistura já entra com uma temperatura mais 53 elevada, o que exige menos consumo de energia para aquecimento da mistura. O desenho esquemático do queimador pode ser encontrado na Figura 16. Figura 16 - Desenho esquemático do funcionamento do queimador 4.3 METODOLOGIA Foi estabelecido um valor de vazão de ar e combustível de modo a tentar manter a chama estabilizada dentro do queimador em todas as configurações testadas do meio poroso. Isto foi necessário devido a dificuldade em ajustar o sistema a determinada vazão, sendo somente possível medir a vazão usada e não controlá-la. Partindo da razão estequiométrica para queima do GLP (50% butano, 50% propano) estabeleceu-se uma razão volumétrica para o ar e para o GLP de 27,394. Foram realizados vários testes de modo a tentar estabilizar a chama com uma relação próxima da teórica. A razão ar-combustível usada de modo a satisfazer os testes, foi de 24,37. Devido a imprecisão das válvulas agulha para medir tanto o ar como o gás, foi estabelicido certa abertura, e todos os testes foram feitos utilizando-se a mesma vazão de ar e gás. Para a definição das posições iniciais, vários cálculos foram feitos 54 de modo a atribuir um valor de vazão a determinada angulação de abertura da válvula de gás, e determinada marcação na válvula de gás. Como os medidores não são digitais, para se obter a vazão ( ) é necessário contar o tempo de passagem do gás ou ar, registrando os valores iniciais no medidor ( ). Depois de um determinado tempo ( ), registra-se o valor final no medidor ( ). 4.1 Para cálculo da vazão de ar para posição de 25º as tomadas foram feitas de acordo com a Tabela 9: Tabela 9 - Dados para cálculo da vazão média de trabalho do ar Registro Inicial (m³) 73,62 74,6 75,596 Registro Final (m³) 74,256 75,31 76,21 Tempo (min) Vazão (m³/min) 22 24,16 21,5 0,0289 0,0293 0,0285 Com isto, encontrou-se uma vazão média de 0,0289 m3/min. Para o cálculo da vazão de gás utilizada, as tomadas foram feitas de acordo com a Tabela 10: Tabela 10 - Dados para cálculo da vazão média de trabalho do GLP Registro Inicial (m³) 177,665 177,625 177,585 Registro Final (m³) Tempo (min) 177,6909 177,6502 177,61 21,83 20 22,16 Vazão (m³/min) 0,001186 0,00126 0,001128 Para o gás, a vazão média foi de 0,001191 m3/min. O meio poroso foi trocado de modo a verificar a sua influência nas temperaturas internas. Foram usadas 3 configurações que seguiram os modos mostrads na Figura 17: 55 Figura 17 – Configurações dos meios porosos utilizados nos testes Na configuração 1, o reator foi preenchido totalmente com as esferas de ½” de diâmetro, formando assim um meio poroso uniforme. Na configuração 2, esferas de ¼” de diâmetro foram postas até a altura do primeiro termopar, ou seja, 45 mm de altura, e o resto do reator foi preenchido com esferas de ½”, formando um meio mais denso na base, e uma zona de transição na altura do primeiro termopar. Na configuração 3, as esferas de ¼” ocuparam mais volume, preenchendo o reator até o segundo termopar, ou seja, 145 mm de altura, completando novamento o reator com esferas de ½”, desta vez elevando a zona de transição para o segundo termopar. 56 5 RESULTADOS E DISCUSSÃO A razão de equivalência resultante para os testes foi de 1,12. Esta razão mostra que foi consumido mais combustível do que o necessário, tornando a mistura rica. Esta não é a condição ideal para operação de queimadores porosos, pois estes podem operar em condições de baixa equivalência mantendo boas condições de trabalho (Babkin et. al, 1991; Mujeebu, 2010; Howell, 1996; Dillon, 1999). A velocidade de chama calculada para esta configuração foi de 37,42 cm/s, relativamente baixa para a necessidade de estabilização dentro no meio poroso. No primeiro teste, o meio poroso foi formado conforme a configuração 1 (Figura 17).A distribuição das temperaturas ocorreu como mostra o gráfico Distribuição de temperatura no reator 1200 Temperatura (°C) 1000 800 600 Topo Meio 400 Base 200 1 79 157 235 313 391 469 547 625 703 781 859 937 1015 1093 1171 1249 1327 1405 1483 1561 1639 1717 1795 1873 1951 0 Tempo (s) Gráfico 3 – Distribuição da temperatura dentro do reator no primeiro teste (Configuração 1) Logo que houve a estabilização da chama, a chama alojou-se na parte inferior do queimador elevando rapidamente a temperatura de base. Com a chama neste ponto, em alguns minutos a temperatura de base tendeu a uma estabilidade em 57 torno de 1000 ºC. As outras partes do queimador foram aquecendo vagarosamente com o tempo por condução e convecção, proveniente da zona de queima. Como se pode observar, há primeiro uma estabilidade no termopar mediano e por último estabiliza-se o termopar de topo. No segundo teste, esferas de ½” foram inseridas até a altura do primeiro termopar, conforme configuração 2 (Figura 17). A distribuição das temperaturas ao longo do reator pode ser vista no gráfico 4. Distribuição de temperatura no reator 1200 Temperatura (°C) 1000 800 600 Topo Meio 400 Base 200 1 60 119 178 237 296 355 414 473 532 591 650 709 768 827 886 945 1004 1063 1122 1181 1240 1299 1358 1417 1476 0 Tempo (s) Gráfico 4 – Distribuição da temperatura dentro do reator no segundo teste (Configuração 2) Em um primeiro momento, percebe-se um aumento de temperatura maior no meio do reator, ainda na fase de estabilização. Esse aumento de temperatura no meio do reator é ultrapassado pelo aumento da base, ou seja, a frente de chama se estabilizou novamente na base do reator. Novamente a estabilização da base ocorre por volta dos 1000 ºC, enquanto as temperaturas nos outros termopares também 58 permanecem semelhantes ao teste anterior. Diferenciando somente o tempo necessário para estabilização na temperatura máxima. Desta vez sendo mais rápido no meio e no topo. No terceiro teste, as esferas de ½” polegada foram postas até o termopar localizado no meio do reator, conforme a configuração 3 (Figura 17), de modo a tentar estabilizar a frente de chama nessa posição. O resultado da distribuição das temperaturas pode ser visto no gráfico 5. Distribuição de temperatura no reator 1200 Temperatura (°C) 1000 800 600 Topo Meio 400 Base 200 1 49 97 145 193 241 289 337 385 433 481 529 577 625 673 721 769 817 865 913 961 1009 1057 1105 1153 1201 0 Tempo (s) Gráfico 5 – Distribuição da temperatura dentro do reator no terceiro teste (Configuração 3) Nesta configuração, visualiza-se um aumento de temperatura no meio do reator, permanecendo assim por um determinado tempo. Durante este momento, a chama está exatamente na zona de transição do meio poroso. Enquanto isto, as demais zonas do meio poroso continuam a ser aquecidas: o topo por condução e convecção, e a base somente por condução. Quando o meio poroso composto pelas menores esferas atinge uma determinada temperatura, a chama novamente tende a 59 migrar para a base, causando assim a estabilização da chama na base novamente. A temperatura da base, onde há a frente de chama estabiliza-se novamente por volta dos 1000 ºC, enquanto topo e meio permanecem parecidos com os outros testes, diferenciando novamente somente o tempo necessário para alcançar a temperatura máxima. No primeiro teste, com o reator composto pelas esferas de diâmetro maior, pode-se identificar a facilidade da frente de chama de fluir pelo meio poroso. Logo depois de iniciar a queima dentro do reator, a chama rapidamente se instala na sua zona de queima. Neste caso ela passa a queimar diretamente na base, não passando para a antecâmara devido a rede que compõe o plênum impedir o retorno total. O mesmo fenômeno pode ser facilmente percebido também no segundo e terceiro testes. Contudo, fica evidente o maior tempo necessário para a chama estabilizar no seu devido lugar. No segundo teste, pode-se perceber que durante o período inicial, a chama permaneceu exatamente no local onde há o diferencial da porosidade dentro do reator, entre o primeiro e segundo termopar (base e meio). Mas devido ao aquecimento contínuo, a baixa vazão volumétrica não foi suficiente para manter a frente de chama no local desejado por muito tempo, fazendo com que a chama se dirigisse para a base, causando novamente o fenômeno do retorno da chama. No terceiro teste, pode se perceber novamente o mesmo fenômeno. No início a chama queima exatamente no local onde a porosidade é variada dentro do reator, permanecendo lá por mais tempo desta vez. Isto ocorre porque a camada mais densa esta maior, dificultando assim o retorno da chama. Mas com o aquecimento contínuo, novamente a baixa vazão volumétrica não permite a estabilização da chama no local desejado, ocorrendo novamente o deslocamento para a base do reator. 60 Este gradiente de tempo na estabilização da chama pode ser explicado pelo diferente número de Peclet resultante entre os dois meios porosos. Como o número de Peclet relacionado ao meio formado pelas esferas de ¼” é menor, este dificulta o retorno da chama, levando a chama a tender a queimar na superfície deste meio, ao passo que o número de Peclet para as mesmas condições de vazão e geometria para o meio formado pelas esferas de ½”, é maior, este faz com que a chama tenda a retornar. Uma condição ideal de operação seria aquela em que a chama se estabilize exatamente na zona de transição do meio poroso. Para tentar determinar a vazão volumétrica necessária para estabilização da frente de chama no local desejado, mais testes foram realizados. Desta vez manteve-se a configuração três do meio poroso, conforme Figura 17, e aumentou-se a vazão volumétrica. Na vazão máxima testada de ar e gás, ainda não se conseguiu estabilizar a chama na zona desejada. A distribuição das temperaturas se deu conforme gráfico 6. 61 Distribuição de temperatura no reator 1400 1200 Temperatura (°C) 1000 800 Topo 600 Meio Base 400 200 1 78 155 232 309 386 463 540 617 694 771 848 925 1002 1079 1156 1233 1310 1387 1464 1541 1618 1695 1772 1849 1926 0 Tempo (s) Gráfico 6 – Distribuição de temperatura dentro do reator no teste 4 (Configuração 3) Mesmo não conseguindo estabilizar a chama no local desejado, pode-se perceber que a chama permanece por mais tempo queimando na zona de transição. Para este gráfico foi medido uma relação de equivalência 2,12 e velocidade de chama de aproximadamente 55 cm/s. Condições que precisam ser melhoradas para uma boa estabilização e melhor eficiência. 62 6 CONSIDERAÇÕES FINAIS O domínio da combustão em meios porosos exige muita perícia e conhecimento. Os avanços neste campo e sua aplicabilidade real e prática são notórios. Muito já foi pesquisado, mas ainda há muito que se pesquisar até que esta tecnologia possa ser implantada em escala industrial. Sua alta eficiência e baixa emissão de poluentes encaixam perfeitamente os queimadores porosos no cenário global atual, onde se visa cada vez mais produção, agredindo cada vez menos o ambiente. Não obstante o cenário atual, muitas dificuldades se fizeram presentes no referido estudo. A clara dificuldade em encontrar os parâmetros ideais de estabilização da chama dentro do meio resultou em retorno de chama em todos os testes, condição não ideal para operação de um queimador poroso. Na tentativa de suprir essa necessidade, acabou-se por optar por uma razão de equivalência também longe da ideal, que nos queimadores porosos giram em torno de 0,60 a 0,70. Esforços esses que acabaram não gerando os resultados desejados. As temperaturas máximas dentro do meio poroso permaneceram praticamente as mesmas depois da estabilização da frente de chama, diferenciando somente o tempo de estabilização. Não se pode concluir porém que o meio poroso não influencia na temperatura máxima para uma mesma condição de operação, mas para isso seria necessário encontrar uma velocidade de chama e uma vazão volumétrica que permitisse a estabilização da chama dentro das porosidades desejadas. A influência do número de Peclet pode ser percebida variando-se a densidade porosa do meio, quanto maior a densidade menor o número de Peclet, dificultando a propagação da chama e necessitando assim de maiores valores de velocidade de 63 chama para a estabilização. Quanto menor a densidade do meio poroso, maior o número de Peclet, tornando mais fácil a propagação da chama, sendo assim possível a estabilização da chama no meio interno com velocidades de chama menores. Porém sob esta circunstância, velocidades menores podem causar um efeito indesejado de retorno da chama. Este trabalho apresentou de forma experimental, como o meio poroso influencia na estabilização da chama, mostrando uma maior dificuldade de estabilização, representada pelo maior tempo de aquecimento, a medida que aumenta-se a densidade porosa e diminui-se a porosidade do meio. 64 7 TRABALHOS FUTUROS Nesse estudo, foi realizada uma verificação da influência da porosidade na temperatura e na estabilização da chama dentro de um queimador poroso. Para trabalhos futuros é de fundamental importância um controlador eletrônico de vazão de ar e gás. Com isso faz-se possível estudar razões de equivalência distintos e assim ter o total controle da velocidade de chama resultante em tempo real. Com isto pode se estabelecer os limites de velocidade de chama e equivalência para propagação ideal da chama dentro do reator. O atual isolante interno no reator deve ser substituído, pois o amianto é cancerígeno e altamente danoso a saúde nas temperaturas de operação do queimador, além de se degradar nas temperaturas solicitadas (Figura em Anexo). Mais termopares dentro do meio proporcionariam uma melhor visualização da distribuição interna da temperatura no reator. Assim como um termopar externo ao reator, na saída da estrutura, para poder se medir a eficiência de radiação. O material componente da estrutura do reator deve ser repensado, pois a temperaturas extremas o aço pode deformar e causar acidentes (Figura em Anexo). Quartzo é um material comumente usado em experimentos, que além de suportar as extremas temperaturas produz um efeito didático maior, pois facilita a visualização interna da chama. 65 8 REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICAS ABREA , Associação Brasileira dos Expostos ao Amianto, disponível em: http://www.abrea.com.br/02amianto.htm, acessado em 06/10/2011 ANEEL, Agência Nacional de Energia Elétrica, disponível em: www.aneel.com.br, acessado em 17/10/2011 BABKIN, V.S.; KORZHAVIN, A.A., BUNEV, V.A., Propagation of premixed gaseous explosion flames in porous media. Combustion and Flame n.87, p.182–190, 1991. BAIRD, C.; CANN, M.; Environmental Chemistry. Nova Iorque: W. H. Freeman and Company, 2008. BEE, Bureau of Energy Efficiency, disponível em http://www.emea.org/Guide%20Books/book-2/2.1%20Fuels%20and%20combustion.pdf acessado em 02/10 /2011 BIZZO W. A.; Notas de aula da disciplina de Geração, Distribuição e utilização de vapor. Unicamp, 2003. CATAPAN R. C.. Desenvolvimento Experimental de Queimadores Porosos Radiantes a Gás Natural. 2005 37f. Monografia (Graduação em Engenharia Mecânica).Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis. CATAPAN, R. C., PEREIRA, F. M., OLIVEIRA, A. M..; Desenvolvimento de um queimador poroso radiante a gás natural para baixas temperaturas. 3° congresso brasileiro de P & D em petróleo e gás, 2005. CELENE; Celene: Recheios Cerâmicos – Esferas, disponível http://www.celene.com.br/2-rc-esfera.html, acessado em: 12/11/2011 em, ÇENGEL , Y. A.; BOLES, M. A. “Thermodynamics. An Engineering Approach”, 5th ed., Mc Graw-Hill, 2006 DILLON, J.; Combustion in Porous Media. California Institute of Technology, 1999 El-MALLAHAWY, F.; HABIK S. E.; Fundamentals and Technology of Combustion, 1st ed, Elsevier, Reino Unido, 2002 GASNET, Gasnet: Gás Natural combustível, disponível em : http://www.gasnet.com.br/novo_gasnatural/combust_completo.asp, acessado em, 16/11/2011 GLASSMAN, I.; Combustion. 4th Ed. Elsevier, California, 2008 HOWELL, J. R., HALL, M. J., ELLZEY J. L. Combustion of hydrocarbon fuels within porous inert media. Prog.Energy Combustion Science, v. 22, p. 121-145, 1996. HUMBERTO, J. J.; Apostila química Tecnológica Geral: Combustão e Combustíveis, Universidade Federal de Santa Catarina, 2004. 66 LAW, C. K.; Combustion Physics, 1st ed, Cambridge University, 2006 MALICO, I.; Modelação de queimadores porosos para aquecimento doméstico. Conferência Cientifica e Tecnológica em Engenharia, Lisboa, Portuga, 2002. MOHAMAD, A.A.. Combustion in porous media: fundamentals and applications. Transport Phenomena in Porous Media III, p. 287–304, 2005. MORAN, M. J.; SHAPIRO, H. N.. Fundamentals of Engineering Thermodynamics. 5th ed. The Atrium, England: Wiley, 2006. MPX, Carvão Limpo: MPX, disponível http://www.mpxitaqui.com.br/index.php/br/carv-limp, acessado em 17/09/2011 em: MUJEEBU, M. A. et al.. Combustion in porous Media and its applications – A comprehensive survey. Journal of Environmental Management, p. 2288-2312, 2009. PEREIRA, F. M., OLIVEIRA, A. M.. Substituição de aquecedores elétricos por queimadores porosos radiantes. 2° congresso brasileiro de P & D em petróleo e gás, 2003. SHAHA, A.K.; Combustion Engineering and Fuel Technology, New Delhi : Oxford & IBH, 1974 SINDIGÁS. Gás LP no Brasil: Perguntas Frequentes, http://www.sindigas.org.br/SalaImprensa/Cartilha/GLPBrasil.aspx 15/09/2011. disponível em: acessado em SOUSA, J. L.; Construção de um queimador poroso e uma rápida análise da distribuição das temperaturas no meio poroso. 2009. 46 f. TCC (Graduação em Engenharia Mecânica). Centro de Ciências Tecnológicas, Universidade de Fortaleza, Fortaleza. TURNS, S. R.; An Introduction to Combustion: Concepts and Applications. 2nd ed. McGraw-Hill, 2000. 67 ANEXOS Figura 18 – Queimador com a chama externa no início da operação 68 Figura 19 – Chama estabilizada dentro do queimador próxima ao topo Figura 20 – Chama externa com excesso de ar 69 Figura 21 – Chama estabilizada próxima ao primeiro termopar Figura 22 Aquecimento excessivo do reator alcançado na tentativa de encontrar uma boa vazão da mistura- 70 Figura 23 – Decomposição do amianto usado como isolante durante os testes.