CONTRIBUIÇÃO AO ESTUDO DA COMBUSTÃO, EM CÂMARA ESFÉRICA, DAS MISTURAS
HETEROGÉNEAS PARTÍCULAS SÓLIDAS-GÁS. CASO DAS MISTURAS AMIDO-AR
DOUTORAMENTO EM CIÊNCIAS DE ENGENHARIA
Luís Eugénio Pinto Teixeira de Lemos
Provas concluídas em 20 de Setembro de 1989
RESUMO
O estudo dos mecanismos de combustão é fundamental com vista ao controlo deste
fenómeno. Refira-se a perspectiva de utilização racional e economia de energia, bem
como a importância de assegurar o desempenho ambiental adequado dos equipamentos
de combustão, através da redução das emissões de poluentes atmosféricos e dos efeitos
ambientais nocivos dos mesmos. Acresce a importância de contribuir para a melhoria
das condições de segurança, no que respeita à manipulação de materiais combustíveis
pulverulentos, os quais estão na origem de elevado número de incêndios e de explosões
acidentais com consequências nefastas em termos de danos materiais e de vítimas
humanas.
O presente trabalho consistiu no estudo da combustão isocórica de um combustível
pulverizado em suspensão num gás.
Para o efeito, foi especialmente concebida e realizada uma bomba de ensaios esférica de
20 litros, com inflamação central por faísca eléctrica, provida de acessos que
possibilitam determinações de pressão, temperatura e recolha de gases, sendo a
suspensão gerada por elutriação, a partir de um leito fluidizado.
Com vista à determinação da temperatura de combustão deste tipo de misturas, foi
especialmente concebido e realizado um pirómetro óptico infravermelho
monocromático de emissão-absorção cujo emissor é um díodo electro-luminescente
com modulação electrónica o que permite a utilização de um receptor único, a partir do
qual é feita a separação e tratamento dos sinais obtidos.
Foi realizada uma série de ensaios prévios com misturas metano-ar, destinada à
verificação do bom funcionamento da bomba de ensaios, da cadeia de medição de
pressão e do método de cálculo da velocidade fundamental de chama, tendo-se obtido
valores concordantes com os já conhecidos. O mesmo aconteceu com o pirómetro
óptico, desta vez através de ensaios preliminares em queimador, com chamas de
misturas propano-ar de riqueza suficientemente elevada.
O combustível utilizado foi amido sintético pulverizado, com diâmetro médio estatístico
de 20 µm, em suspensão no ar. Para esta mistura, a composição estequiométrica
corresponde a uma concentração de cerca de 230 g.m-3.
Na gama de riquezas de 0,6 a 3, determinaram-se: a pressão de explosão, a taxa máxima
do aumento de pressão, a velocidade fundamental de chama, a composição dos gases
queimados, a temperatura e o factor de emissão da chama.
A pressão de explosão (entre 6 e 13,4 bar) e a taxa máxima de aumento de pressão
(entre 15 e 92 bar.s-1) aumentam com a riqueza. Para riquezas acima de 1,6, os valores
experimentais da pressão de explosão ultrapassam os valores de cálculo correspondentes
às mesmas riquezas, sendo somente comparáveis aos determinados, na hipótese de
formação de carbono sólido. Tal coincide com o surgimento de uma espessa nuvem
negra, em suspensão na câmara de combustão após o ensaio (na qual a presença de
carbono sólido não é de excluir) e com uma composição de gases queimados
modificada. Estes passam a integrar quantidades significativas de CO, H2, CH4 e de
outros produtos característicos da pirólise do amido, fenómeno não contemplado no
código de cálculo. Para riquezas abaixo de 1,6, os valores experimentais da pressão de
explosão são ligeiramente inferiores aos valores calculados para as mesmas riquezas,
registando-se paralelismo na respectiva evolução.
A evolução com a riqueza, da velocidade fundamental de chama (entre 6 e 15 cm.s-1) e
da temperatura de combustão (entre 1896 e 2170 K) é muito similar: aumento rápido,
valores máximos a 1,7 e decréscimo muito lento de seguida. Verifica-se também, nestes
casos, que é para a hipótese de formação de carbono sólido que os valores de cálculo
mais se aproximam dos valores obtidos experimentalmente.
Os resultados experimentais relativos à pressão de explosão e à temperatura são, para
riquezas inferiores a 1,6, conformes aos resultados de cálculo na hipótese de que todo o
amido pirolisa, queimando depois em fase gasosa. Para riquezas superiores, a presença
de um fino resíduo sólido, de produtos gasosos de pirólise e a analogia com os
resultados de cálculo verificados na hipótese de formação de carbono sólido, permitem
supor que, embora todo o amido possa pirolisar, só uma parte deste, queima
completamente em fase gasosa, prosseguindo o restante a sua transformação atrás da
frente de chama, emitindo radiação intensa.
A câmara de explosões experimental desenvolvida é adequada ao estudo das
características das explosões de poeiras combustíveis, sendo de realçar a reduzida
turbulência decorrente do método de geração das suspensões testadas. O pirómetro
desenvolvido forneceu bons resultados experimentais na determinação da temperatura
em chamas de misturas de combustíveis pulverizados, constituindo, pois, uma
importante ferramenta com vista a uma melhor compreensão deste tipo de combustão.