VALIDAÇÃO DE MEDIDAS DE VELOCIDADE EM QUEIMADOR TIPO COCORRENTE
Cristiane Aparecida Martins Andrausa*,(PG), Amílcar Porto Pimentaa (PQ),
João Andrade de Carvalho Jr.b (PQ), Marco Aurélio Ferreirad (PQ), Marcelo Assatoa (PQ)
a
Instituto Tecnológico de Aeronáutica, Divisão de Engenharia Aeronáutica
Pça. Mal. Eduardo Gomes, no 50, São José dos Campos, CEP 12228-900, SP, Brasil
* [email protected]
b
Universidade Estadual Paulista, Departamento de Energia
Av. Ariberto Pereira da Cunha, 333, Guaratinguetá, CEP 12516-410, SP, Brasil
d
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais Laboratório Associado de Combustão e Propulsão
Rod. Presidente Dutra, km. 40, Cachoeira Paulista, CEP 12630-000, SP, Brasil
Resumo
Este trabalho tem como meta a descrição de parte do projeto cujo objetivo é o
aprofundamento do estudo de chamas sem pré-mistura turbulentas. A idéia inicial parte da premissa
da montagem de uma instalação experimental bem caracterizada na literatura, a qual atuando, de
certa forma, como um 'padrão', permite-nos não somente comparações como a posterior adição de
resultados aos já existentes. A instalação experimental escolhida é de jatos em co-correntes, os quais
pertencem a uma classe de escoamentos de maior complexidade, caracterizada na Universidade
Técnica de Delft – TUDelft e nos laboratórios SANDIA. A idéia central deste trabalho constitui a
avaliação entre os escoamentos originais e os aqui construídos, através de medidas de velocidade
com anemômetro de fio quente.
Abstract
This work presents a part of the project whose objective is study turbulent non-premixed
flames. The initial idea is assembly a standard experimental apparatus known in the literature and this
way to compare and to add some results. The experimental installation used is of type co-streams,
which belong the class of complex flows, characterised in the Technical University of Delft - TUDelft
and in the laboratories SANDIA. The objective of the present paper is to compare the flows given in
literature with the obtained ones through measured of velocity fields using hot wire anemometer.
1. INTRODUÇÃO
A combustão turbulenta é um dos mais complicados objetos de estudo da física macroscópica
moderna (Pope, 1990). Neste contexto encontram-se as chamas sem pré-mistura turbulentas, as quais
possuem grande aplicabilidade industrial e caracterizam-se basicamente pelo fato de que o
combustível e o oxidante encontram-se inicialmente separados. Alguns processos que usam ou podem
usar chamas de difusão de jatos gasosos são: “flares” para plataformas de petróleo marítimas ou outra
aplicação qualquer, incineradores de resíduos industriais e hospitalares, caldeiras, fornos de
sinterização, calcinação e vidro, etc.
Tendo como foco aprofundar o conhecimento neste tipo de chama, encontra-se em operação no
Laboratório Associado de Combustão e Propulsão do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais,
localizado na cidade de Cachoeira Paulista uma instalação experimental adequada. A instalação
escolhida apresenta não somente um projeto de queimador extensivamente testado, com a chama
ancorada à superfície do queimador, mas também condições de contorno bem definidas permitindo a
sua modelagem matemática. Deste modo, este estudo acompanha a sugestão de Masri et al. (1996),
onde a geometria de um queimador para estudos de chamas turbulentas sem pré-mistura não deve
apresentar condições de contorno complexas, permitindo simplificar as características do escoamento
(estrutura turbulenta, cinética química, radiação térmica, formação de poluentes, entre outras).
No presente trabalho a instalação experimental de jatos em co-correntes, os quais pertencem a uma
classe de escoamentos de maior complexidade, caracterizada na Universidade Técnica de Delft –
TUDelft e nos laboratórios SANDIA. (De Vries, 1994, Nooren, 1998, Van den Bercken, 1998), os
quais tem como base o queimador utilizado por Starner e Bilger (1985). O queimador é definido como
queimador tipo jato com chama piloto, e seus modelos físicos são caracterizados por produzirem um
escoamento parabólico de uma única corrente gasosa. Nesse caso, as condições de contorno são mais
simples e, caso não seja possível medir as condições iniciais, pode se assumir escoamento laminar à
saída do queimador para a chama piloto e escoamento turbulento em tubo totalmente desenvolvido
para a corrente de combustível principal. A principal função da chama piloto é a de transferir a energia
necessária à ignição do combustível principal, estabelecendo uma solução de continuidade na corrente
gasosa principal, não permitindo que o ar seja difundido para o seu interior na região próxima ao
queimador, o que caracterizaria uma zona de pré-mistura. Esta chama piloto pode ser facilmente
contabilizada, podendo ser negligenciada a sua influência na composição da chama na região onde os
principais fenômenos de extinção de chama ocorrem (Masri et al., 1996). Sem a chama piloto, a chama
principal apresentaria uma região inicial de pré-mistura, de difícil modelagem.
2. O SISTEMA DE QUEIMA DELFT
O queimador de Delft consiste dois tubos concêntricos, o central para o combustível e o anular
para o ar primário. Chamas piloto ancoram a chama ao queimador, a qual é protegida de grandes
estruturas de circulação de ar por uma corrente de ar secundário de baixa velocidade. A corrente de ar
primário também apresenta características de jato e dessa forma a mistura turbulenta entre o
combustível e o ar é intensificada.
A Figura 1 apresenta o diagrama esquemático do queimador de Delft, com o detalhe da chama
piloto.
a)
b)
Figura 1: a) Diagrama Esquemático do Queimador – Sistema de Delft; b) Detalhe do projeto para a
chama piloto e foto da região da Chama de H2
3. MONTAGEM EXPERIMENTAL
A montagem experimental utilizada para a obtenção do campo de velocidade é mostrada na Figura
2a. As medidas foram realizadas no Laboratório Professor Feng do Instituto Tecnológico de
Aeronáutica (ITA) utilizando anemometria para obtenção das medidas de velocidade radial em
diversas posições longitudinais, a saber, 50, 100, 150, 200 e 250 mm a partir da saída do queimador.
Anemometria de fio quente (do inglês Hot-wire anemometry, HWA) é uma técnica bem
desenvolvida e largamente utilizada em experimentos para se obter o campo de velocidade do
escoamento. É uma técnica de medida indireta, isto é, exige calibração com fluxo de velocidade
conhecido antes de ser aplicada (Lange,1999). Para tal, foi montado o esquema mostrado na Figura 2b,
no qual consta um manômetro Betz, que permite que a velocidade do fluxo seja conhecida através de
variação de pressão. Tal fluxo, conhecido, segue para a sonda com o fio aquecido (250°C) de diâmetro
5µm, cuja saída está conectada ao módulo de medida 56C01 CTA, o qual posteriormente envia valores
de tensão ao sistema de aquisição de dados National Instruments SCB100.
(a)
(b)
Figura 2: (a) Sistema de posicionamento e (b) Montagem para calibração do anemômetro
A Tabela 1 apresenta as duas condições isotérmicas, ou seja, escoamentos não reativos, utilizando
ar como fluido de trabalho, reproduzidas neste estudo.
Tabela 1: Condições de escoamento
jato
1
2
velocidade do jato (m/s)
21.8
21.9
velocidade anular (m/s)
4.4
0
As medidas obtidas experimentalmente são mostradas a seguir, nos gráficos das Figuras 3a e 4a.
Comparativamente ao lado encontram-se os resultados obtidos na instalação de Deft.
25
25
50
100
150
200
50
100
200
150
250
250
20
velocidade (m/s)
velocidade (m/s)
20
15
10
5
15
10
5
0
0
-40
-20
0
20
40
-40
-20
posição radial (mm)
0
20
40
posição radial (mm)
(a)
(b)
Figura 3: Medidas de velocidade Jato 1 (a) ITA e (b) Deft
25
25
100
50
150
50
200
100
150
200
250
20
velocidade (m/s)
velocidade (m/s)
20
15
10
5
15
10
5
0
0
-40
-20
0
posição radial (mm)
(a)
20
40
-40
-20
0
20
40
posição radial (mm)
(b)
Figura 4: Medidas de velocidade Jato 2 (a) ITA (b) Delft
Percebemos através dos gráficos das Figuras 3 e 4 boa concordância entre os resultados obtidos na
instalação montada no ITA e a instalação utilizada em Delft o que torna a instalação montada no Brasil
similar e compatível com a mesma.
4. COMENTÁRIOS E CONCLUSÃO
O propósito do presente trabalho é a realização de pesquisa teórica e experimental na área de
chamas de difusão em jatos de combustível gasoso. Para tanto, encontra-se em operação um banco de
testes no Laboratório Associado de Combustão e Propulsão do Instituto Nacional de Pesquisas
Espaciais (INPE) que, com isso, implementará a linha de pesquisa em chamas turbulentas difusivas.
Particularmente existe interesse acentuado em chamas turbulentas de gás natural.
A montagem e caracterização deste tipo de instalação em contrapartida aos resultados obtidos em
instalações similares é importante no sentido de nos tornarmos capazes de alimentar o banco
internacional de dados sobre chamas produzidas em queimador tipo de Delft, além de utilizar seus
dados como base para comparações e conclusões diversas.
AGRADECIMENTOS
À Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de São Paulo pelo financiamento através do projeto
98/15539-0 e aos funcionários do Laboratório Professor Feng do ITA.
REFERÊNCIAS
De Vries J.E, "Study on Turbulent Fluctuations in Diffusion Flames Using Laser Induced
Fluorescence" PhD Thesis, Delft University of Technology, 1994.
Lange C.F, Durst F. e Breuer M., “Wall Effects on Heat Losses from Hot_Wires”, International
Journal of Heat and Fluid Flow 20: 34-37, 1999.
Masri Ar, Dibble Rw, Barlow Rs., “The Structure of Turbulent Nonpremixed Flames Revealed By
Raman-Rayleigh-Lif Measurements” Prog. Energy Comb. Sci., 22, 1996, 307-62.
Nooren P.A., "Stochastic Modeling of Turbulent Natural-Gas Flames" PhD Thesis, Delft University of
Technology, 1998.
Pope, S.B., “Computations of Turbulent Combustion: Progress and Challenges”, Proc. of the Twenty
Third Symposium (International) on Combustion, pp. 591 – 612, 1990.
Starner S.H. e Bilger R.W., "Characteristics of a Piloted Diffusion Flame Designed for Study of
Combustion Turbulence Interactions," Combustion and Flame, 61:19-38, 1985
Van Den Bercken R.E. J., "IR Emission/Absorption Tomography in Flames Stochastic" PhD Thesis,
Delft University of Technology, 1998.
PROJETO E CONSTRUÇÃO DE UM CONTROLADOR COMPUTADORIZADO
PARA INJEÇÃO PULSADA DE COMBUSTÍVEL
João Francisco Alves Borges – IC, Pedro Teixeira Lacava – PQ
Instituto Tecnológico de Aeronáutica - Divisão de Engenharia Aeronáutica
Pça. Mal. Eduardo Gomes, no 50, Vila das Acácias
CEP: 12228-901, S. José dos Campos - SP
[email protected], [email protected]
Resumo
A combustão pulsante tem ganhado interesse nas pesquisas atuais em razão das indicações
que sua aplicação na geração de energia pode oferecer diversas vantagens, tais como: economia
de combustível, redução da formação de poluentes, aumento da taxa de transferência de calor por
convecção e investimento reduzido quando comparada com outras técnicas. O presente trabalho
apresenta o resultado de um sistema projetado para controlar uma válvula eletromagnética
utilizada para criar um spray pulsado de combustível. Esse tipo de injeção de combustível propicia
condições pulsantes na câmara de combustão e uma melhor mistura entre os reagentes é atingida,
como conseqüência a eficiência de combustão aumenta.
Abstract
Pulsating Combustion has won interest in the current researches due the indications that its
application in the energy generation con offers several advantages, such as: fuel economy, reduce
pollutants formation, increases the rate of convective heat transfer and reduce investment when
compared with the conventional techniques. The present work shows the result of system designed
to control an electromagnetic valve utilized to create a pulsed fuel spray. This kind of fuel injection
provides pulsating conditions into the combustion chamber and a better mixing between the
reactants will be reached, as consequence the combustion efficiency will increase.
1. INTRODUÇÃO
Entende-se como combustão pulsante o processo de queima que apresenta como
característica principal o fato das variáveis de estado (pressão, temperatura, etc), que
descrevem as condições na zona de queima, ocorrerem sob condições oscilatórias, isto é,
mudando periodicamente com o tempo [1]. Já nos processos de combustão convencionais,
não há correlações entre as flutuações existentes em um determinado ponto da câmara de
combustão e as flutuações de outro ponto, com exceção da própria estrutura turbulenta
presente [2]. Entretanto, para chamas pulsadas as correlações temporais ou espaciais são
organizadas de tal forma que elevadas amplitudes são estabelecidas.
Para o caso da combustão com combustíveis as flutuações podem ser ocasionadas
pela própria injeção pulsada de combustão. Isso melhora o processo de atomização do spray
gerado e intensifica a taxa de mistura entre os reagentes, conseqüentemente aumentando a
eficiência da combustão.
O objetivo do presente trabalho foi desenvolver um sistema computadorizado para
controlar uma válvula eletromagnética, que instalada na linha de combustível de um injetor
será capaz futuramente de controlar a formação de gotas do spray de combustível e o
próprio processo de queima pulsante em uma câmara de combustão.
2. O SISTEMA DESENVOLVIDO
O injetor de combustível utilizado foi do tipo assistido por ar, ou seja, a atomização do
filme líquido é atingida imprimindo-se sobre esse filme um escoamento gasoso em alta velocidade,
com número de Mach próximo a unidade. A alimentação de líquido é feita através da pressurização
com nitrogênio gasoso de um reservatório com capacidade para 10 litros até o máximo de 6 atm. A
vazão de líquido é controlada pela pressão no interior do reservatório. Para o desenvolvimento do
sistema controlador se utilizou como líquido trabalho a água.
O regime de combustão pulsante que se pretende atingir futuramente com este injetor será
alcançado através da própria injeção pulsada do combustível. Para isso foi instalado na linha de
deste uma válvula eletromagnética, que sobre atuação de um sinal de onda quadrada permite ou
bloqueia a passagem de combustível. Basicamente, o sistema que foi desenvolvido gera um sinal de
onda quadrada com a freqüência desejada para a operação, esse sinal passa por uma amplificação e
alimenta a válvula.
A Figura 1 apresenta um diagrama esquemático do sistema desenvolvido e da montagem
feita para obtenção da vazão de líquido através da contagem do tempo decorrido para se atingir uma
determinada massa de líquido em uma balança de precisão com o injetor descarregando em um
reservatório montado sobre esta.
Figura 1: Diagrama esquemático de todo sistema montado.
A válvula montada na linha de combustível para a injeção pulsada é do tipo utilizada para o
controle da injeção de combustível em motores a pistão automotivos com funcionamento próximo
ao ciclo Otto. Tal válvula é bastante adequada para as pretensões do presente trabalho, pois opera
com a tensão de 12 Volts em corrente contínua e é especialmente desenhada para respostas
rápidas até a freqüência de 60Hz. No entanto, acoplado à válvula, existe uma contração
para injeção direta do combustível na operação do motor a pistão. Esta contração faz parte
da carcaça da válvula e não pôde ser retirada, causando uma perda de carga considerável na
linha de combustível.
Apesar da perda de carga, a utilização de válvula automotiva foi bastante
satisfatória, pois inicialmente houve a tentativa de se utilizar uma válvula solenóide