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Aplicações em motores de teoria de combustão
Tipologia: Notas de estudo
1 / 9
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Não perca as partes importantes!
I
LACAVA, P. T., CARVALHO JR, João Andrade de, PIMENTA, Amilcar Porto, FERREIRA, Marco Aurélio, Thermal Analysis of an Enriched Flame Incinerator for Aqueous Residues. Energy. , v.31, p.528 - 545, 2006.
II
A grande maioria dos processos de combustão utiliza o ar ambiente como fonte de oxigênio. No entanto, a maior parte da energia térmica liberada é absorvida pelo nitrogênio, visto que o ar em base volumétrica é constituído de 78% de nitrogênio, 21% de oxigênio e 1% de traços de outros constituintes. Do ponto de vista térmico, o nitrogênio é inerte, ou seja, apenas absorve a energia liberada pelas reações de combustão, que poderia estar sendo utilizada em um processo industrial (Griffith, 1990). Desta forma, enriquecer o oxidante nada mais é que aumentar a sua porcentagem de O 2 acima dos 21% encontrados no ar atmosférico, podendo atingir os seguintes benefícios (Flamme e Kremer, 1993): aumento da produtividade, elevação da eficiência térmica, redução do volume dos gases de combustão, aumento da temperatura de operação e redução do consumo de combustível. O uso de oxigênio para enriquecer o oxidante pode ser uma alternativa atrativa para aumentar a capacidade de incineração de uma câmara projetada para operar com ar como oxidante, principalmente para resíduos de baixo poder calorífico (Sharani et al., 1996). Para uma certa vazão de combustível, se alguns parâmetros de incineração forem mantidos constantes (como temperatura da câmara, nível de turbulência e tempo de residência), o aumento da taxa de incineração torna-se possível com a injeção de oxigênio (Melo et al., 1998). Desta forma, o texto apresenta uma investigação teórica e experimental sobre o aumento da capacidade de incineração através do enriquecimento do ar, para uma câmara projetada para incineração de resíduos aquosos e que utiliza o diesel como combustível auxiliar e o ar como oxidante.
2. ANÁLISE TERMOQUÍMICA
Nesta seção realizou-se uma abordagem teórica baseada nos balanços de massa e energia, aplicados à situação de incineração de resíduos aquosos com combustão enriquecida. Através da análise termoquímica é possível estimar a capacidade do aumento da taxa de incineração da câmara com o enriquecimento. O combustível utilizado na análise foi o diesel (aproximado como C 12 H 26 ) e o resíduo considerado como 100% água. Essa situação teórica corresponde à condição experimental investigada nas seções seguintes, permitindo a comparação. Os balanços de massa e de energia foram aplicados ao volume de controle (VC) definido como sendo o volume de toda câmara de combustão. Adotou-se como condição de entrada os reagentes e o resíduo estando a 25oC e 1 atm. Como condição de saída os gases deixam o VC na temperatura Ts e a 1 atm. Também foi incluída ao balanço de energia a eficiência da refratagem da câmara, ou seja, o calor que é transferido para parede. Além disso, algumas considerações foram feitas: a) combustão completa, ou seja, não há dissociação dos produtos de combustão; b) a água formada decorrente da oxidação do hidrogênio presente no combustível está em fase gasosa; c) o resíduo é totalmente vaporizado; d) a combustão ocorre à pressão constante.
2.1. Balanço de Massa A equação (1) apresenta a reação global de combustão com excesso normalizado de ar enriquecido e injeção de resíduo.
C 12 H 26 + b.18,5.O 2 + b.(18,5 - a).3,76.N 2 + c.H 2 O(RES) → → 12.CO 2 + 13.H 2 O + b.(18,5 - a).3,76.N 2 + 18,5.(b - 1).O 2 + c.H 2 O(RES), (1)
IV
20 30 40 50 60 70 80 90 100 %O2 no oxidante
2
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Taxa de incineração
Excesso de oxidante b = 1, b = 1, b = 1, b = 2,
Figura 1. Comportamento da taxa de incineração em função do O 2 no oxidante para diversos valores de excesso de oxidante normalizado (eficiência da câmara é 80%).
Como mostram as curvas da Figura 2, a redução de ar na câmara com o enriquecimento é bastante acentuada até aproximadamente 50% de O 2 no oxidante. Deste ponto em diante, a redução ocorre de maneira mais branda. Como a vazão total de oxigênio (O 2 do ar + O 2 injetado) é constante para cada valor de excesso de oxidante, basicamente o responsável pelo comportamento de elevado aumento da taxa de incineração até 50% de O 2 é a acentuada redução da quantidade de nitrogênio até esse ponto. Isso também explica o fato da diferença entre as taxas de incineração para cada valor de excesso de oxidante diminuírem à medida que se aumenta o teor de oxigênio no oxidante. Para elevados níveis de enriquecimento, onde a diferença entre as vazões de ar para cada valor de excesso de oxidante é pequena, o que acaba sendo mais importante no valor da taxa de incineração é o oxigênio excedente injetado na câmara.
3.1. Descrição do Experimento Em todos ensaios realizados, utilizou-se apenas água para simulação do resíduo, em virtude das facilidades experimentais envolvidas e pelo fato do enriquecimento do oxidante ser vantajoso para incineração de resíduos não combustíveis. Além disso, o presente trabalho tem como objetivo caracterizar o balanço de energia na câmara e não a destruição térmica de compostos presentes no resíduo.
V
20 30 40 50 60 70 80 90 100 %O2 no oxidante
Vazão total [g/s]
Excesso de oxidante b = 1, b = 1, b = 1, b = 2,
20 30 40 50 60 70 80 90 100 %O2 no oxidante
Vazão de resíduo [g/s]
Excesso de oxidante b = 1, b = 1, b = 1, b = 2,
20 30 40 50 60 70 80 90 100 %O2 no oxidante
Vazão de O2 injetado [g/s]
Excesso de oxidante b = 1, b = 1, b = 1, b = 2,
20 30 40 50 60 70 80 90 100 %O2 no oxidante
0
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20
30
40
50
60
70
80
90
100
Vazão de ar [g/s]
Excesso de oxidante b = 1, b = 1, b = 1, b = 2,
Figura 2. Vazões em função da porcentagem de O 2 no oxidante e do seu excesso (b), para a vazão de combustível de 3,11 g/s e eficiência de 80% para câmara.
Os ensaios foram realizados em uma câmara de combustão vertical, com parede refratária de 0,15 m de espessura, sem refrigeração externa e com o volume total de 1000 litros. Como combustível auxiliar utilizou-se diesel, injetado na câmara através de um queimador com dispositivo para ancorar a chama do tipo swirler. A Figura 3 apresenta um esquema da câmara, com o queimador posicionado em sua extremidade inferior. A injeção de resíduo é feita por um injetor tipo Y-jet , de tal forma que o spray formado não incida completamente sobre a chama para não apagá-la. A instrumentação associada à câmara conta com medidas de temperatura por termopares nas posições: 0,18, 0,70, 1,05, 1,40, 1,75, 2,50, 3,00 e 4,20 m a jusante do queimador; análise dos gases de combustão (CO,CO 2 , O 2 e NOx), através de amostragens continuas feitas por duas sondas devidamente refrigeradas, posicionadas em dois pontos da câmara: na região próxima ao final da chama, correspondendo ao volume 227 litros, e a 30 cm da saída da câmara, correspondendo ao volume de 997 litros; medidas das vazões de diesel, resíduo, ar e oxigênio, feitas através de rotâmetros.
VII
equação (3) para calcular a quantidade de calor transferida para parede da câmara. Com isto, encontrou-se que 39,17% da energia liberada pela combustão é perdida para parede da câmara e tal valor foi adotado constante para o cálculo da taxa de incineração com o enriquecimento. Utilizando tal procedimento, encontramos uma diferença média de 9,4% entre os resultados experimentais e os calculados (máxima de 12,59% e mínima de 6,12% para 100% e 24,98% de O 2 , respectivamente).
20 30 40 50 60 70 80 90 100 %O2 no oxidante
Taxa de incineração
experimental calculado
20 30 40 50 60 70 80 90 100 %O2 no oxidante
0
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Vazões mássicas [g/s]
Resíduo Ar Oxigênio Total
(a) (b)
Figura 4 – (a) – Resultados experimentais e calculados sobre o comportamento da taxa de incineração em função da porcentagem de O 2 no oxidante. (b) Vazões de resíduo, ar, oxigênio e total, em função da %O 2 no oxidante.
A Figura 4(a) sugere que o cálculo considerando que a energia perdida para parede é constante e igual a da operação com ar, subestima a capacidade do aumento da taxa de incineração com enriquecimento. A energia liberada pelas reações de combustão em processos de incineração segue basicamente três caminhos diferentes: 1) eliminada com os gases produtos de combustão, 2) transferida para carga de resíduo e 3) transferida para as paredes da câmara. Quando a queima ocorre sobre condições enriquecidas, a energia eliminada pelos produtos de combustão diminui, pois a massa total de gases é reduzida se a temperatura for mantida constante. Sendo assim, essa energia disponibilizada seguirá os outros dois caminhos. Para analisar esse contexto sobre os resultados experimentais, realizou-se um balanço de energia na câmara de combustão, aplicando o equacionamento apresentado na seção 2 com os resultados obtidos experimentalmente para as vazões, concentrações e temperaturas. Além disso, considerou-se combustão completa, em função das emissões de CO e NOx serem muito baixas na saída da câmara, quando comparadas com as do CO 2 , O 2 , N 2 e H 2 O. O resultado está apresentado na Figura 5.
VIII
20 30 40 50 60 70 80 90 100 %O2 no oxidante
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
energia/massa de diesel [kcal/kg de diesel]
Calor transferido para parede da câmara Calor transferido ao resíduo Entalpia dos produtos de combustão Entalpia do N
Figura 5. Resultado do balanço de energia da câmara.
O balanço de energia mostra que há uma redução na razão calor total transferido para parede da câmara/massa de combustível e que toda energia disponibilizada pela redução da massa de nitrogênio no oxidante é aproveitada para aumentar a vazão de resíduo. A quantidade de calor transferida da chama e dos gases de combustão para parede da câmara basicamente ocorre por convecção e radiação, além da influência do tempo de troca térmica. Conforme apresentado na Figura 4(b), com aumento do enriquecimento há uma redução na massa total de gases que escoa pela câmara. Como a distribuição de temperatura altera-se muito pouco após a injeção de resíduo, de acordo com os resultados dos termopares instalados ao longo da câmara; o principal fator que acaba modificando a taxa de transferência de calor convectiva para parede da câmara, à medida que se aumenta o nível de enriquecimento, é a diminuição de velocidade em decorrência da menor vazão mássica de gases. Para a transferência de calor por radiação, o raciocínio já não é tão simples como no caso da convecção. Diversos fatores, dos quais depende a sua intensidade, são fortemente afetados pelo processo de enriquecimento e de maneira desigual, alguns favorecendo e outros reduzindo sua taxa de transferência por radiação. Como modificações que reduzem a troca térmica por radiação pode-se citar: 1) menor presença de fuligem nos gases, 2) menor presença de compostos heteropolares (CO 2 e H 2 O) na região de chama em razão da dissociação como conseqüência do aumento de temperatura; 3) redução do comprimento característico da chama diminuindo sua emissividade. No lado do aumento da troca térmica por radiação tem-se: 1) aumento de temperatura na região de chama; 2) recombinação de compostos decorrentes da dissociação para formação de moléculas heteropolares (CO 2 e H 2 O) na região de pós chama; 3) elevada presença de vapor d’água após a injeção de resíduo. Os dois últimos itens citados produzem pouca influência em razão de serem regiões de menor
