SIMULAÇÃO CFD PARA ANÁLISE DE DESEMPENHO DE
UM QUEIMADOR PARA GÁS METANO (BIOGÁS)
Ricardo Osmar de Jesus
[email protected]
Carlos Alberto Chaves
[email protected]
José Rui Camargo
[email protected]
Wendell de Queiroz Lamas
[email protected]
Departamento de engenharia mecânica, Universidade de Taubaté (UNITAU)
Rua Daniel Danelli, s/n - 12060-440, Taubaté-SP – Brasil
Resumo: Para a solução de problemas complexos da engenharia e da física, têm sido utilizadas
técnicas numéricas, graças ao grande desenvolvimento de computadores de alta velocidade e
capacidade de armazenamento. As indústrias mundiais de uma maneira geral constantemente se
veem obrigadas a trabalhar com processos mais baratos e com melhores eficiências. Os
queimadores de biogás são equipamentos industriais bastante típicos nas estações de tratamento
de esgoto de pequeno, médio e grande porte. As aplicações em geral envolvem a queima do
biogás dos biodigestores transformando o metano (CH4), presente na composição do mesmo, em
gás carbônico (CO2) reduzindo-se assim os gases do efeito estufa uma vez que o metano
presente no biogás tem potencial destrutivo 21 vezes maior que o CO2. Além disso em certos
casos pode-se aproveitar a energia (calor) da câmara de combustão em outro processo (Ex.:
Módulo Peltier). Este trabalho apresenta os resultados de uma simulação numérica computacional
que visa comparar o desempenho entre dois queimadores com dimensões diferentes, bem como
visa apresentar resultados da aerodinâmica do queimador de biogás, como também a análise
temperatura, utilizando uma ferramenta de CFD (Dinâmica Fluida Computacional), através do
software CFX. Os resultados obtidos com as simulações, são usados para obter importantes
informações durante a fase do projeto ou otimização de equipamentos industriais.
Palavras-chave: Análise CFD, queimador de biogás, temperatura de combustão, velocidade de
combustão.
CFD SIMULATION TO ANALYZE THE PERFORMANCE OF
A BURNER FOR METHANE GAS (BIOGAS)
The 4th International Congress on University-Industry Cooperation – Taubate, SP – Brazil – December 5th through 7th, 2012
ISBN 978-85-62326-96-7
Abstract: For the solution of complex problems in engineering and physics, numerical techniques
have been used, thanks to the great development of high-speed computers and storage capacity.
The global industries generally constantly find themselves forced to work with processes cheaper
and better efficiencies. The biogas burners are fairly typical industrial equipment in stations
sewage treatment for small, medium and large. The applications generally involve the combustion
of the biogas digesters transforming methane (CH4), present in the composition, into carbon
dioxide (CO2) thereby reducing the greenhouse gas since the methane present in the biogas has
destructive potential 21 times greater than CO2. Also in some cases you can harness the energy
(heat) from the combustion chamber into another process (Ex: Peltier Module). This paper
presents the results of a computational simulation that aims to compare the performance between
two burners with different dimensions, and aims to present the results of aerodynamic burner
biogas, as well as the temperature analysis using a tool CFD (Computational Fluid Dynamics)
through the software CFX. The results obtained from the simulations, are used to obtain important
information during the design or optimization of industrial equipment.
Keywords: CFD analysis, biogas burner, combustion temperature, burning rate.
The 4th International Congress on University-Industry Cooperation – Taubate, SP – Brazil – December 5th through 7th, 2012
ISBN 978-85-62326-96-7
1
INTRODUÇÃO
Os Queimadores de biogás são amplamente utilizados nos flare das estações de
tratamento de esgoto devido a sua estrutura compacta e aos altos coeficientes de troca de calor,
bem como a garantir da queima segura do biogás.
O queimador tem como função queimar o excedente da produção de biogás dos
biodigestores transformando o metano (CH4), presente na composição do mesmo, em gás
carbônico (CO2). O CO2 é 21 vezes menos gás de efeito estufa (GEE) que o CH4, colaborando
desta forma com a redução de emissão destes gases que provocam o efeito estufa. Os
queimadores têm sido alvo de pesquisas pela indústria e seu uso tem se intensificado à medida
que se tem maior conhecimento sobre o assunto, pois os mesmos apresentam boas perspectivas
para utilização secundária devido às características como: alta confiabilidade, simplicidade de
projeto, compacta, de fácil instalação e manutenção.
A oxidação térmica do metano, ou seja, sua queima, é conforme demonstra na reação
abaixo:
CH4+ 2O2
CO2 + 2H2O + Energia Térmica
Estequiometricamente exigimos 9,6 volumes de ar por volume de metano para alcançar
uma oxidação completa. Para a composição do biogás típico dado acima esta cai para 5:1. Da
mesma forma a energia liberada pelo metano puro é 36MJ/Nm3 (poder calorífico superior), mas
isso cai para 21MJ/Nm3 de biogás.
Devido aos fatos citados, o estudo dos queimadores de biogás se torna interessante e
importante ao desenvolvimento tecnológico e, em particular, o estudo das suas câmaras de
combustão. Como a câmara de combustão é responsável por queimar o combustível e liberar
energia (calor), dando origem a uma corrente suave e uniforme de gases, este componente está
diretamente relacionado com a eficiência e com a emissão de poluentes, fatores de extrema
importância para o desenvolvimento de novos projetos ou aprimoramento de equipamentos
existentes.
A atratividade das queimadores de biogás de menores potências é baseada,
principalmente, nas possibilidades de conseguir níveis de desempenho satisfatório sem um
aumento dramático nos valores da relação de temperatura e velocidade, evitando assim, o
aumento dos custos de manufatura de componentes, como também, diminui a necessidade da
utilização de ligas metálicas mais nobres. O estudo de câmaras de combustão é muito complexo
devido ao grande número de variáveis envolvidas, principalmente, no que diz respeito às reações
do processo de combustão. Devido à sua complexidade, a análise desse componente se torna
onerosa no processo de desenvolvimento, sendo necessária a utilização de simulações
numéricas, para que este estudo seja viável, eficiente e com menor custo.
Uma técnica de análise que vem sendo largamente utilizada em diversas áreas, inclusive
em estudos de câmaras de combustão, é a Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD), capaz de
melhorar produtos que já estão no mercado, como também idealizar novos produtos, mais
eficientes e com um número reduzido de testes experimentais.
Essa metodologia geralmente é baseada nos métodos numéricos do tipo diferenças finitas,
elementos finitos e volumes finitos. Para se conseguir bons resultados, utilizando a Dinâmica de
Fluido Computacional, devem-se ter equipamentos adequados e robustos, além de pessoal
capacitado e comprometido com as simulações.
À medida que as pesquisas evoluem, modelos matemáticos mais robustos e computadores
mais rápidos são desenvolvidos, permitindo projetar câmaras de combustão mais eficientes, com
baixas emissões de poluentes e a um baixo custo. Por esse caminho é possível melhorar os
processos e desenvolver novas tecnologias para as câmaras de combustão.
Figura 1- Exemplo de queimador de Biogás industrial (Banner, 2012).
Devido à flexibilidade e de aplicação do combustor, diversos trabalhos científicos podem ser
evidenciados:
DARBYSHIRE O. R., EVANS A., WILSON C. W., BECK S. B. M., (2006), simularam em
CFD (computer fluid dynamics) e verificaram o desempenho do queimador para diversas
condições iniciais e utilizou-se um modelo real para comparação com a análise virtual.
ILBAS M.,CRAYFORD A.P., YILMAZ İ. ,BOWEN P.J. e SYRED N. (2006), fizeram uma
pesquisa para avaliação de desempenho de dois queimadores, foi verificado que parâmetros de
construção/geométrica influenciaram de forma significativa nos coeficientes de troca de calor. Foi
encontrada uma nova relação empírica envolvendo grupos adimensionais de troca de calor.
RIZK N. K. e MONGLIA H. C. (1991), compararam os resultados de desempenho de um
queimador de biogás simulado através de um software CFD com os resultados medidos em
laboratório e concluíram que a simulação numérica para o caso de um queimador se mostrou
bastante eficiente.
Devido ao grau de relevância do tema, o objetivo deste artigo é realizar um estudo para
analisar o comportamento da temperatura e velocidade de um queimador de biogás cilíndrico
através de uma simulação numérica computacional CFD. Será modelada a transferência de
energia térmica a partir de uma câmara de combustão onde externamente ocorre à passagem do
ar e no queimador o gás metano(CH4).
A figura 2 ilustra o arranjo foco deste estudo, onde pode se verificar o ar passando
externamente pelo costado do queimador de internamente em movimento espiral na parte traseira
do queimador.
As setas de cor vermelha representam ar passando pelo queimador em dois locais. As
setas laranja no sentido no coaxial representam gás metano entrando na câmara de combustão
para queima.
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Gás Metano (CH4)
Característica
Massa Molar [kg kmol^-1]
3
Poder Calorífico Inferior [kcal/Nm ]
Pressão de referência [atm]
Temperatura de referência [°C]
Viscosidade Dinâmica [kg m^-1 s^-1]
Condutividade Térmica [W m^-1 K^-1]
Índice de refração [mm^-1]
Coeficiente de absorção [m^-1]
Entrada de Ar
Valor
16,04
5.000
1
25
-6
11,1x10
-4
343x10
1
1
Entrada de Ar
Entrada de
Metano (Biogás)
Entrada de Ar
Figura 2- Esquema do trocador queimador de biogás.
2 MATERIAL E MÉTODOS
Através do software comercial ANSYS 12.1 realiza-se uma simulação computacional com
o objetivo de avaliar as velocidades e temperaturas de combustão do gás metano(CH4) no
queimador proposto durante o processo. Diversas características relevantes relativas ao
dimensionamento da câmara de combustão e o queimador e aos fluidos de trabalho são
apresentadas nas tabelas 1 e 2. A tabela 3 apresenta as características relativas ao nível de
refinamento utilizado na simulação para os domínios de fluido frio e quente. As dimensões
utilizadas são compatíveis com as dimensões de um queimador industrial.
O queimador analisado, possuem fluidos com fluxos co-corrente devido ao seu melhor
desempenho, utiliza-se se ar e gás metano(CH4) para a queima e o material metálico do
queimador é aço inox. O regime considerado é permanente e o fluido será a mistura do gás
metano pode ser considerado incompressível
Com este nível de informação, foi realizada a simulação e os resultados são abordados na
seção seguinte.
Tabela1- Características dos fluidos.
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Estado termodinâmico
Gás
Dióxido de Carbono (CO2)
Característica
Massa Molar [kg kmol^-1]
Pressão de referência [atm]
Temperatura de referência [°C]
Viscosidade Dinâmica [kg m^-1 s^-1]
Condutividade Térmica [W m^-1 K^-1]
Índice de refração [mm^-1]
Coeficiente de absorção [m^-1]
Estado termodinâmico (Gás na Fase de Combustão)
Valor
44,01
1
25
-6
14,9x10
-4
145x10
1
1
Gás
Vapor de Água (H2O)
Característica
Massa Molar [kg kmol^-1]
Pressão de referência [atm]
Temperatura de referência [°C]
Viscosidade Dinâmica [kg m^-1 s^-1]
Condutividade Térmica [W m^-1 K^-1]
Índice de refração [mm^-1]
Coeficiente de absorção [m^-1]
Estado termodinâmico (Gás na Fase de Combustão)
Valor
18,02
1
25
-6
9,4x10
-4
193x10
1
1
Gás
Oxigênio (O2)
Característica
Massa Molar [kg kmol^-1]
Pressão de referência [atm]
Temperatura de referência [°C]
Viscosidade Dinâmica [kg m^-1 s^-1]
Condutividade Térmica [W m^-1 K^-1]
Índice de refração [mm^-1]
Coeficiente de absorção [m^-1]
Estado termodinâmico (Gás na Fase de Combustão)
Valor
31,99
1
25
-6
19,2x10
-4
266x10
1
1
Gás
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Tabela 2 - Características do queimador e da câmara de combustão.
Caracterísica Queimador
Valor
Comprimento da câmara de combustão
400mm
Diâmetro da câmara de combustão
150mm
Diâmetro do queimador
50mm
Comprimento do queimador
50mm
Número de entradas de ar na câmara de combustão
6
Tabela 3 - Refinamento das malhas.
Refinamento das Malhas
Domínio
Pontos
Elementos
Domínio total
269911
1208105
Figura 4 - Esquema do refinamento de malhas dos queimadores.
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os resultados da simulação do queimador proposto são apresentados sob a forma de
diagrama de temperaturas pelo software de computação numérica.
O queimador é analisado seguindo exatamente as características apresentadas na tabela
2. Os fluidos de trabalho são gás metano e oxigênio (mistura) e seguem as características da
tabela 1.
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3.1.2 Temperatura do Queimador
A figura 5 ilustra o diagrama de temperaturas ao longo do queimador. Percebe-se uma
homogeneidade de temperatura ao longo da parede da câmara de combustão. Nota-se também
uma queda de temperatura mais acentuada no centro da câmara de combustão em relação à
parede.
Temperatura no centro da câmara de combustão: 1219°C.
Temperatura da parede da câmara de combustão:
1616°C.
Figura 5 – Queimador – Mapa de temperaturas.
A figura 6 ilustra o diagrama de velocidades ao longo do queimador. Percebe-se uma
velocidade mais baixa no centro da câmara de combustão em comparação ao ponto de injeção do
combustível no queimador.
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Figura 6 – Queimador – Mapa de velocidades.
A figura 7 ilustra o diagrama de fração de massa do gás metano ao longo do queimador.
Nota-se um valor mais elevado no centro da câmara de combustão.
Figura 7 – Queimador – Mapa fração de massa do gás metano CH4.
A figura 8 ilustra o diagrama de fração de massa do oxigênio O2 (Ar) no queimador. Notase um valor mais elevado na entrada do ar nas espirais do queimador e uma diminuição na
entrada da câmara de combustão.
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Figura 8 – Queimador – Mapa de fração de massa do oxigênio O2.
4 CONCLUSÃO
Este estudo foi desenvolvido com o objetivo de modelar a combustão no interior de uma
câmara cilíndrica, com a finalidade de compreende melhor os fenômenos de combustão. Conclui
se neste artigo que o queimador proposto atende das necessidades para utilização em na queima
do biogás em estações de tratamento de esgoto de pequeno, médio e grande porte. Além disso
pode-se confirmar uma homogeneidade de temperatura ao longo da parede da câmara de
combustão, com isso o energia (calor) dissipada pela mesma pode ser aproveitada em outro
processo (Ex.: Módulo Peltier). Conclui-se também neste artigo que é necessário para trabalhos
futuros estudar novas geometrias do queimador e da câmara de combustão versus o excesso de
ar para melhor “otimizar” os processo de troca de calor devido a constante necessidade industrial
de redução de custos, melhores desempenhos e redução das emissões atmosféricas.
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20 de julho de 2012.
The 4th International Congress on University-Industry Cooperation – Taubate, SP – Brazil – December 5th through 7th, 2012
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alimentado com gás natural comprimido. 1990. 99p. Dissertação (Mestrado em Engenharia
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[8]CASTRO, Rui M.G. Introdução à energias renováveis. Energias renováveis e produção
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PROSAB 3, Ed. ABES, Rio de Janeiro, RJ, 210p., 2003.
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[14]TURNS, S.R., An Introduction to Combustion – Concepts and Applications, second edition, Mc
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LTC,Rio de Janeiro, 1992.
The 4th International Congress on University-Industry Cooperation – Taubate, SP – Brazil – December 5th through 7th, 2012
ISBN 978-85-62326-96-7