Faculdade de Ciências e Tecnologia da
Universidade de Coimbra
Departamento de Engenharia Mecânica
Ignição de Combustíveis Florestais por
Partículas com Elevada Temperatura
Mário António Fonseca Loureiro
Orientadores:
Professor Doutor Domingos Xavier Viegas
Professor Doutor António Rui A. Figueiredo
21/5/2008
Estrutura
•
•
•
•
Introdução
Metodologia
Resultados e discussão
Conclusões
2/66
Introdução
• Há muitos incêndios em Portugal
• Alguns desses incêndios são causados
acidentalmente pelo uso de maquinas
• Estudamos as condições de ignição de
combustíveis florestais por partículas com
elevada temperatura
3/66
Ocorrências de incêndios florestais em Portugal
36.000
32.000
Nº de Incêndios
28.000
24.000
20.000
16.000
12.000
8.000
4.000
0
1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006
Fonte: DGRF15/10/2007
4/66
Área ardida total.
400.000
350.000
Área (ha)
300.000
250.000
200.000
150.000
100.000
50.000
0
1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006
Fonte: DGRF15/10/2007
5/66
Distribuição da área ardida por espécies
Fonte – DGF (2002)
6/66
Comportamento extremo do fogo
Fonte - http://sic.sapo.pt
Perto da meia-noite de 22/8/2005, Joel Vale, captou a imagem 1.2 de Coimbra.
7/66
Causas dos incêndios
Causas de incêndios entre 2000 a 2006 Fonte DGRF Janeiro de 2007
8/66
Ignições causadas de forma acidental
Fonte - Resumo Técnico da Determinação das causas dos
incêndios florestais em 2002, elaborado pelo Corpo Nacional da
Guarda Florestal
9/66
incêndios provocados por viaturas
ano
nº de focos por ocorrência
marca e modelo do veículo
dist. entre o 1º e último foco m
dist. da origem à estrada m
1986
1990
1992
1994 1994
1995 1996 1996 1996
11
7
4
5
1
1
4
4
6
?
78 Ford SU
?
? Dolphin 91 Ford PU ?
? 92GMC van
66
400
16000
122
8200 91
251
2,4 0,6 a 10,7 0,8 a 1,2 2,4
1,5
1,8
4,6 0,3 a 0,9
Os incêndios originados pela libertação de partículas
incandescentes de viaturas, provocam geralmente
múltiplos focos. O máximo de focos por incêndio nesta
tabela foi de 11 e a distancia entre o primeiro e o último
foco foi de cerca de 16 km; também a distância máxima do
ponto de ignição à linha da estrada foi de cerca de 11 m.
Fonte - Industrial Operations Fire Prevention Field Guide, página 140
10/66
Pneu de camião ao desfazer-se provoca incêndio
A1 km 168 sentido N-S, Julho de 2004
11/66
Calços de comboio
Fonte - Railroad Fire Prevention Field Guide,
(1999), Department of Forestry and Fire
Protection, US.
12/66
Auto-limpeza do escape
Fonte - Spark Arresters and the Prevention of Wildland Fires,
video NFES 2237 (1998)
14/66
Comboio com retenção de fagulhas “spark arrester”
www.lvrrmodeler.net
15/66
Colector de partículas em comboio
Fonte - Railroad Fire Prevention Field Guide, 1999
16/66
Escape de locomotiva
Esta imagem mostra uma grande quantidade de fuligem
acumulada. Esta fuligem contém muito óleo, além de
gasóleo mal queimado, denominado Particulate. Quando
esta fuligem se liberta em combustão ela poderá originar
vários focos de incêndio ao longo da linha, incêndios que
poderão ser difíceis de combater se originarem extensas
frentes.
17/66
Vegetação inadequada
A quantidade de ocorrências durante o verão de 2005
nesta via foi de tal modo tão elevada, que houve uma
ocorrência em média por cada 3km.
A92 ao km 70, sentido Granada-Sevilha,16/8/2005
18/66
Partículas em combustão originam focos secundários
Fonte - Chisholm, DogRib, and Lost Creek FiresPost-Fire Research
Workshop 27/4/2005
19/66
Partículas redondas
Partícula depositada, disco de 25mm de diâmetro
Manzello, Samuel L (2006)
20/66
Gerador de partículas em combustão
A ignição das partículas em combustão é feita por
queimadores de propano. Manzello, Samuel L (2007)
21/66
Ensaios com partículas
Manzello, Samuel L (2007)
22/66
Secagem dos combustíveis
O aquecimento solar dos combustíveis florestais faz aumentar
a pressão parcial do vapor de água, tornando-a superior à do
vapor presente na atmosfera envolvente. Esta diferença de
pressões provoca a passagem de vapor para o ar perdendo
progressivamente água até que se atinja um estado de
equilíbrio, sendo normal o teor ser inferior a 5%.
Imagem de caruma
(Lousã) exposta ao sol
captada pelo Engº Luís
Paulo no dia
20/9/2005, pelas
12h09.
O ponto sp1 encontrase a 57.9ºC
23/66
Metodologia
•
•
•
•
Combustíveis
Partículas
Método de aquecimento
Medição da temperatura
24/66
• Combustíveis
– Caruma
– Feno
– Eucalipto
25/66
26/66
Distribuição da área ocupada
por espécies florestais
Fonte - Educação para a Cidadania (2006), Ministério da Educação
27/66
• Partículas
– Troços de borracha e de calços
– Esferas metálicas
28/66
Amostras de calço de comboio
Amostras de ensaios iniciais
Amostras de ensaios finais
29/66
Esferas utilizadas
30/66
• Método de aquecimento
– Resistência eléctrica (disco cerâmico do epiradiador)
– Metal fundido
– Chama de gás
31/66
Metodologia - Partículas aquecidas - esferas
Aquecimento por imersão em metal líquido
32/
66
Aquecimento a propano
33/66
• Medição da temperatura
– Câmara infra-vermelho
– Termopar
34/66
Medição da temperatura por infra-vermelhos
35/66
13/6/2005
36/66
Aquisição de temperatura por IR inadequada
- Ensaio nº164 com esfera de 14,3mm
37/66
Aquisição de temperatura por termopar
Pormenor da junção
38/66
Aquecimento da esfera de 37mm
39/66
Sistema de aquisição inicial por multímetro
14/7/2005
40/66
Aquisição de temperatura por interface PICO TC08
19/9/2005
41/66
Panorama da metodologia utilizada
42/66
Ensaios com partículas
do corte abrasivo
9/11/2005
43/66
Ensaios com fuligem projectada por explosão
21/10/2005
44/66
Resultados e Discussão
• Inflamabilidade de partículas
– Calços de comboio e partículas de borracha
• Ignição de leitos por Esferas de aço
45/66
Ensaios de inflamabilidade de partículas de borracha
tempo de ignição (s)
14
12
10
8
6
y = 21,331x + 5,3083
4
2
R2 = 0,1255
0
0
0,05
0,1
0,15
0,2
peso da amostra (g)
0,25
Experiências realizadas a 600ºC no epiradiador com
chama piloto acesa e ventilação ligada
0,3
46/66
Ensaios de inflamabilidade de partículas de calços de travões de
tempo de ignição (s)
comboios (modelo antigo de 32cm)
40
35
30
25
20
15
10
5
0
y = 6,2354x + 23,628
R2 = 0,055
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
peso da amostra (g)
0,8
Experiências realizadas a 600ºC no epiradiador com
chama piloto acesa e ventilação ligada
0,9
1
47/66
Ensaios de inflamabilidade de partículas de calços de travões de
comboios (modelo moderno de 32cm)
tempo de ignição(s)
50
40
30
20
y = 22,146x + 11,46
R2 = 0,2076
10
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4 0,5 0,6 0,7
peso da amostra (g)
0,8
0,9
Experiências realizadas a 600ºC no epiradiador com
chama piloto acesa e ventilação ligada
1
1,1
48/66
Ensaios de ignição de combustíveis por
esferas
Inflamabilidade do feno com cerca de 10% de teor de humidade
ignição
1
0
900
910
920
930
940
temperatura
950
960
970
980
G4.2.2
Ensaios de ignição com esfera de 14,3mm em feno a
9,9%humidade
Quantidade de ensaios total - 24
Condições ambientais: Humidade máxima do ar 50%; Humidade
mínima do ar 45%
Temperatura mínima do ar 29ºC; Temperatura máxima do ar 30ºC
49/66
Resultados com registo do temperatura/tempo de
ignição
Tig(ºC) tig(s) Análise do tempo de ignição
924
0,3
Desvio-padrão
936
0,3
Erro-padrão
946
1
Máximo
972
1,8
Média
973
0,5
Mediana
980
0,4
Mínimo
955,2 média
Moda
Variância da amostra
0,59
0,24
1,8
0,72
0,45
0,3
0,30
0,35
T4.2.2 - Tempo de ignição com esfera de 14,3mm em feno
a 9,9%humidade
50/66
Por cada tipo de combustível fizeram-se três
séries de ensaios, um por esfera.
A
B
C
D
E
F1
G1
F2
G2
t min t máx. hum.
diam
massa Tmin hr máx Tmáx hr min
c/ig
esfera
esfera
s/ig
esp.
H
I
J
nº
larg
tig
atm
atm
atm
atm
exp. B-A
ºC ºC
% (mm) (g) ºC
993 1059 8,3 9
3
26
924 953 9,9 14,3 11,88 29
748 808 6,45 20,2 33,33 25
%
60
50
60
ºC
30
30
27
%
42
45
48
Qt.
28
24
23
médio
ºC (s)
66 0,37
29 0,72
60 0,49
T4.2.4 Resultados de inflamabilidade com esferas em feno com
cerca de 10% de humidade
51/66
G4.2.4 Inflamabilidade do feno cerca de 10% de
humidade
Com os resultados obtidos das três séries de experiências,
valores a negrito da tabela T4.2.4, realizou-se o gráfico G4.2.4.
Temperatura da esfera ºC
1100
1050
inflamabilidade=B
1000
inflamabilidade=A
950
900
850
800
750
700
0
2
4
6
8
10
12
14 16 18 20 22
Massa da esfera (g)
24
26
28
30
32
34
52/66
G4.2.31 Inflamabilidade das três espécies (limite
inferior) a cerca de 1% de teor de humidade
Temperatura da esfera ºC
1100
inflamabilidade feno c/2%
1050
Inflamabilidade caruma c/1%
1000
950
"Inflambilidade eucalipto c/1%"
900
850
800
750
700
0
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34
Massa da esfera (g)
53/66
G4.2.32 Inflamabilidade das três espécies (limite
inferior) a cerca de 8% de teor de humidade
1100
inflamabilidade feno c/8%
Temperatura da esfera ºC
1050
Inflamabilidade caruma c/9%
1000
Inflambilidade eucalipto c/7%
950
900
850
800
750
700
0
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34
Massa da esfera (g)
54/66
4.3-Inflamabilidade da caruma com cerca de 10%
de teor de humidade (com cinco massas)
t min
t máx.
hum.
diam
massa Tmin
c/ig
s/ig
esp.
esfera
esfera
atm
atm
atm
atm
exp. B-A médio
média
ºC
% (mm) (g)
1075 7,7
0,52
5
962 7,65 10,1
4,1
946
9,6 14 10,68
889 8,95 20 32,63
761
8,2 37 206,6
ºC
26
26
28
25
25
%
52
52
54
62
40
ºC
30
28
30
28
33
%
38
42
46
46
32
Qt. ºC (s)
30 60 0,4
30 41 1,06
35 31 1,49
25 24 2,53
24 23 4,68
ºC
1068
946,7
938,3
875,6
761
ºC
1015
921
915
865
738
hr máx
Tmáx hr min
nº
larg
tig
Tig
1100
Temperatura da esfera ºC
1050
inflamabilidade=B
1000
inflamabilidade=A
950
900
850
800
750
700
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100 110 120
Massa da esfera (g)
130
140
150
160
170
180
190
200
210
55/66
4.4-Tempo de ignição
G4.4.1 Tempo de ignição do feno
feno 2,3%; 2,5g
feno 0,1g; 10,68g
feno 4,2%; 32,77g
feno 8,3%; 3g
feno 9,9%; 11,88g
feno 6,5%; 33,3g
2
1,8
Tempo de ignição (s)
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
700
750
800
850
900
950
1000
1050
1100
Tem peratura ºC
56/66
G4.4.2 Tempo de ignição do eucalipto
eucalipto 1,7%; 2g
eucalipto 0,7%; 10,68g
eucalipto 1,3%; 32,77g
eucalipto 6,9%; 3,3g
eucalipto 7,8%; 10,68g
eucalipto 7,7%; 32,63g
4
Tempo de ignição (s)
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
700
750
800
850
900
950
Temperatura ºC
1000
1050
1100
57/66
G4.4.3 Tempo de ignição da caruma
caruma 2,4%; 3,59g
caruma 0,3%; 11,88g
caruma 1,2%; 32,63g
caruma 6,9%; 3,3g
caruma 9,6%; 10,68g
caruma 9%; 32,63g
caruma 7,7%; 0,52g
caruma 7,7%; 206,6g
6
Tempo de ignição (s)
5
4
3
2
1
0
700
750
800
850
900
950
Temperatura ºC
1000
1050
1100
1150
58/66
4.4.1-Tempo de ignição das espécies “secas”
3
feno 2%
Tempo de ignição (s)
2,5
caruma 1%
2
eucalipto 1%
1,5
1
0,5
0
700
750
800
900
850
Temperatura ºC
950
1000
1050
59/66
4.4.2-Tempo de ignição da caruma com cerca de
10% de teor de humidade
4
tempo médio de ignição
3,5
y = 1E+21x -7,1027
R2 = 0,9652
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
750
800
850
900
950
1000
1050
1100
Temperatura média ºC
60/66
Tempo ignição (s)
G4.4.6 Tempo médio de ignição da caruma c/
humidade [7,7;9,6]
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0,392
y = 0,451x
R2 = 0,9903
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210
Massa da esfera (g)
61/66
4.4.3- Energia de ignição da caruma com cerca de
10% de teor de humidade
Variação.
T1
T1 diâmetro
inicial inicial
ºC
1015
921
915
865
738
esfera
massa
exp
esfera
nº
tig
cp1
H1
Cap. cal
entalpia
K
mm
kg
s J/(kg.k)
s
1288 5 0,00052 736 0,4 622
417
1194 10,1 0,0041 676 1,1 608
2977
1188 14 0,01068 673 1,8 607
7702
1138 20 0,03263 629 1,5 599,7 22272
1011 37 0,2066 757 2,8 580,6 121289
T2
cp 2
Cap. cal
K
1261
1176
1178
1129
1009
J/(kg.k)
618
605,4
605
598,3
580,3
Índice
H
transf. Energia
H2
entalpia entalpia para a ignição
J
J
esfera
J
6
405 11
0,5
26
2919 58
0,45
36
7612 91
0,4
69
22041 231
0,3
80
120969 320
0,25
62/66
80
70
y = 2E+24x -7,7202
R2 = 0,7335
Energia (J)
60
50
40
30
20
10
0
700
800
900
Temperatura (ºC)
1000
1100
Conclusões
• Os veículos automóveis e os comboios
são potenciais causadores de incêndios
por meio de:
– Troços de pneus
– Calços de travões
– Fuligem de sistemas de escape
64/66
• O tempo de ignição de um leito por uma
partícula reduz-se com a diminuição da
humidade do combustível.
• Em igualdade de condições o tempo de
ignição do leito depende sobretudo da
temperatura da partícula
65/66
Fim de apresentação
• Obrigado