-
INFLUÊNCIA DA TAXA DE ESTIRAMENTO NAS EMISSÕES DE
QUIMILUMINESCÊNCIA EM CHAMAS LAMINARES DE PRÉ-MISTURA
Tiago Bruno Leite Marques Couto Salvado
Dissertação para obtenção do grau de Mestre em:
Engenharia Mecânica
Júri
Presidente: Prof. Ramiro Neves
Orientador: Prof. Edgar Fernandes
Vogais: Prof. Mário Nina
Setembro de 2008
-
Agradecimentos
O trabalho apresentado resulta da investigação levada a cabo no
âmbito do projecto de investigação:
FCT PTDC/EME-MFE/68830/2006 – “Desenvolvimento da Técnica de
Quimiluminescência para
Detecção Directa da Composição de Misturas de Combustiveis em
Chamas Laminares”.
Independentemente do carácter individual da sua realização, o
presente trabalho beneficiou de diversos
apoios que contribuíram para o resultado final, alguns dos quais
não poderia deixar de referir e
agradecer:
Ao meu orientador, Professor Edgar Fernandes, pela sua
permanente disponibilidade,
entusiasmo transmitido, apoio e sugestões, pois sem a sua
amizade e incentivo tudo teria sido
impossível;
Aos meus pais, Joaquim e Maria do Rosário, por tudo;
Aos meus colegas de laboratório, pela sua compreensão, partilha
e ajuda nos trabalhos
realizados;
Aos meus amigos e colegas de curso com os quais passei alguns
momentos de descontracção,
necessários para enfrentar cada etapa;
Por último, uma referência muito especial à minha esposa Filipa,
cujo imenso incentivo e
liberdade concedida ao longo do curso foram indispensáveis à
concretização de um sonho, aceitando a
minha crescente ausência motivada pela dedicação necessária à
conclusão do trabalho.
-
iii
Resumo
No presente estudo foram efectuadas medições de emissão de
quimiluminescência das espécies C2* e
CH*, com resolução espacial, em frente de chamas laminares de
propano/ar de Bunsen. Compressão de
chama e intensidade de quimiluminescência foram determinadas em
condições atmosféricas para razões
de equivalência de 0,9; 1,0; 1,1; com número de Reynolds
constante de 1200. Medições locais de
quimiluminescência foram obtidas a partir de registos
fotográficos, com uma câmara CCD, combinados
com a aplicação de um algoritmo algébrico de reconstrução
tomográfica. O cálculo da taxa de
estiramento foi baseado na localização das emissões de
intensidade máxima de C2* e variou entre -40 s-1
e infinito, quando o raio da chama tende para zero, tendo sido
registadas pequenas diferenças entre as
razões de equivalência estudadas. Emissões de C2* e CH*
apresentaram-se não constantes ao longo da
frente de chama devido a fenómenos de difusão de calor, massa,
espécies e também de compressão de
chama. Foi também determinado que a compressão diminui as
intensidades máximas do sinal de CH*,
não tendo, no entanto, grande influência nas emissões de C2*. Os
resultados obtidos indicaram,
também, que a razão de intensidades de emissão local de C2*/CH*
variam ao longo da zona de reacção
e o seu valor aumenta com o aumento de compressão.
Palavras-Chave: Chamas Laminares, Chamas de Bunsen,
Quimiluminescência, Tomografia, Taxa de
Estiramento
-
v
Abstract
The spatially resolved chemiluminescence emission of C2* and CH*
at the flame front of laminar Bunsen
premixed propane/air flames was measured in this study. The
flame compression and
chemiluminescence intensity were studied in open air conditions
for different equivalence ratios: 0,9;
1,0; 1,1; with a constant Reynolds’ number of 1200. Local
measurements of chemiluminescence were
obtained using photographic recording, by a CCD camera, combined
with the use of the algebraic
reconstruction tomography technique. Stretch rate calculation
was based on the location of C2*
maximum intensity emission varying from -40 s-1 to infinite,
when the radius tends to zero, with small
differences registered between the studied equivalence ratios.
Chemiluminescence emission of C2* and
CH* was found not to be constant in the flame front due to heat,
mass and species diffusion and flame
compression. It was also found that flame compression decreases
CH* signal maximum intensities,
however the results obtained for C2* showed that it does not
depend of compression, as much as CH*.
The results indicated that the local intensities emission rate
of C2*/CH* are not constant along the flame
front and its value increases with flame compression.
Keywords: Laminar Flames, Bunsen Flames, Chemiluminescence,
Tomography, Stretch Rate
-
vii
Índice
Página
Agradecimentos
..............................................................................................................................
i
Resumo...........................................................................................................................................
iii
Abstract...........................................................................................................................................
v
1 Introdução
..............................................................................................................................
1
1.1
Motivação.............................................................................................................................
1
1.2 Revisão Bibliográfica
...........................................................................................................
2
1.2.1 Quimiluminescência
.......................................................................................................................2
1.2.2 Sistemas de
Aquisição....................................................................................................................5
1.2.3 Estudos e Aplicações da Quimiluminescência
..........................................................................7
1.2.4 Taxa de
Estiramento....................................................................................................................11
1.3 Objectivos
...........................................................................................................................13
2 Configuração Experimental
...............................................................................................
15
2.1 Procedimento Experimental
.............................................................................................15
2.2 Sistema de
Queima............................................................................................................15
2.3 Sistema de Aquisição de Imagem
.....................................................................................16
2.4 Técnica de Diagnóstico – Tomografia
.............................................................................17
2.4.1 Algoritmos de
Tomografia..........................................................................................................17
2.4.2 Processamento Tomográfico
.....................................................................................................19
2.5 Cálculo da Taxa de Estiramento
......................................................................................20
2.6 Análise de Erros e Incertezas
............................................................................................21
3 Resultados e Discussão
.......................................................................................................
23
3.1 Diagrama de Estabilidade
.................................................................................................23
3.2 Análise de Resultados
........................................................................................................25
4 Conclusões
...........................................................................................................................
33
Referências
....................................................................................................................................
35
Anexos
...........................................................................................................................................
39
Anexo
A.............................................................................................................................................39
Anexo
B.............................................................................................................................................41
Anexo C
............................................................................................................................................45
-
viii
Índice de Figuras
Página
Figura 1.1: Espectro da luz emitida por uma chama de metano.
................................................................................4
Figura 1.2: Espectro da luz emitida por uma chama de propano.
...............................................................................4
Figura 1.3: Exemplos de sistemas utilizados para colecção de luz:
i) resolução temporal; ii) resolução espacial; iii)
resolução espectral.
...........................................................................................................................................................6
Figura 1.4: Correlação entre a intensidade de quimiluminescência e
razão de equivalência, para chamas
laminares de pré-mistura de propano/ar (Ikeda et al., 2000).
.....................................................................................8
Figura 1.5: Emissões de CH* e OH* divididas pelo caudal mássico,
normalizadas pelo valor máximo, como
função da razão de equivalência e pressão (Higgins et al.,
2001)...............................................................................9
Figura 1.6: Evolução teórica da taxa de estiramento ao longo de uma
chama de metano/ar Bunsen. ..................12 Figura 1.7: Razão
de intensidade quimiluminescente OH*/CH* em função de: (a) razão de
equivalência; (b)
taxa de estiramento (Hardalupas & Orain, 2004).
.....................................................................................................12
Figura 1.8: Razão de intensidade dos sinais C2*/CH* em função de:
(a) razão de equivalência; (b) taxa de
estiramento (Hardalupas & Orain, 2004).
...................................................................................................................13
Figura 2.1: Sistema de queima usado para estabilizar chamas de
Bunsen.
..............................................................15
Figura 2.2: Diagrama esquemático da aplicação da transformada de
Abel a tomografia de geometrias
axissimétricas (Tourin, 1966).
........................................................................................................................................18
Figura 2.3: Esquema do método tomográfico de reconstrução algébrica
aplicado a uma chama de Bunsen: a)
discretização da projecção em elementos de imagem; b) Cálculo
dos coeficientes de radiação radial. .................19 Figura
2.4: Chama Bunsen de pré-mistura de propano/ar, φ =1,0 Re = 1500, e
respectiva reconstrução
tomográfica: a) Imagem colectada pela câmara CCD; b) Perfil de
intensidade de luz vs imagem original em
escala de
cinzentos..........................................................................................................................................................20
Figura 2.5: Localização dos pixeis onde ocorreram as emissões de
intensidade máxima de C2*, lado direito,
comparados com a tomografia da chama, lado esquerdo.
.........................................................................................21
Figura 2.6: Cálculo do erro imposto pelo ruído ambiente. Os valores
na escala de cinzentos do interior do
quadrado em teoria seriam zero, porém devido à presença de ruído
ambiente apresenta os valores à esquerda.
..........................................................................................................................................................................................22
Figura 3.1: Diagrama de estabilidade do sistema de queima de
Bunsen.
.................................................................23
Figura 3.2: Modos típicos de chamas de Bunsen observados para
diferentes condições de razão de equivalência
e número de Re. (Configurações do equipamento de aquisição de
imagem presentes na Tabela 2.1)..................24 Figura 3.3:
Emissões de quimiluminescência de C2* e CH* em chamas de Bunsen: a)
Imagem espacialmente
integrada; b) Reconstruções tomográficas vs. Chama original em
escala de cinzentos. (Configurações do
equipamento de aquisição de imagem presentes na Tabela 2.2).
.............................................................................25
Figura 3.4:Taxa de Estiramento experimental e teórica em chamas
Bunsen: a) φ = 0,9; b) φ = 1,0; c) φ = 1,1.26 Figura 3.5: Taxa de
estiramento teórica de chamas de Bunsen com razões de equivalência
de 0,9 1,0 e 1,1e
número de Re =
1200....................................................................................................................................................27
Figura 3.6: Emissões de intensidade máxima de C2*: a) φ = 0,9; b) φ
= 1,0; c) φ = 1,1. ......................................28
-
ix
Figura 3.7: Emissões de intensidade máxima de CH*: a) φ = 0,9;
b) φ = 1,0; c) φ = 1,1. ....................................29
Figura 3.8: Intensidade de C2* em função do valor absoluto da taxa
de estiramento, em chamas de Bunsen. ...30 Figura 3.9: Intensidade
de CH* em função do valor absoluto da taxa de estiramento, em
chamas de Bunsen. .30 Figura 3.10: Razão de intensidades de sinal
de C2*/CH* na frente de uma chama Bunsen.
................................31 Figura 3.11: Razão de
intensidades de sinal de C2*/CH* em função da taxa de estiramento
em chamas de
Bunsen.
.............................................................................................................................................................................32
Índice de Tabelas
Página
Tabela 1.1: Características dos radicais excitados (Gaydon,
1974).
............................................................................3
Tabela 1.2: Mecanismos de reacção para as espécies excitadas OH*,
CH* e C2* (Kojima et al., 2005). ...........5 Tabela 1.3: Exemplos
de aplicações práticas da Quimiluminescência
.......................................................................10
Tabela 2.1: Configurações do equipamento fotográfico utilizadas na
reportagem da Figura 3.2. ..........................16 Tabela 2.2:
Configurações do equipamento fotográfico utilizadas na aquisição de
imagem das emissões de C2* e
CH*, Figura 3.3.
..............................................................................................................................................................17
Tabela 2.3: Diferença relativa entre os valores médios e RMS de α
no cálculo da taxa de estiramento de chamas
de
Bunsen.........................................................................................................................................................................22
-
x
Constantes Físicas
Símbolo Unidades Valor Descrição
h J.s 6,626 × 10-34 Constante de Planck
Ru J.kmol-1.K-1 8314,510 Constante universal de gases
Lista de Símbolos
Símbolo Unidades Definição Descrição
A m2 Área elementar da superfície de chama
d m Diâmetro de saída do queimador
Dm m2.s-1 Coeficiente de difusividade mássica
DT m2.s-1 Coeficiente de difusividade térmica
Ea J.kmol-1 Energia de activação
F/A Adimensional comb
arm
m&
& Razão combustível/ar
H m Metade de distância entre os convergentes
I Unidades arbitrárias Coeficiente de emissão de radiação
J Unidades arbitrárias Sinal integrado de radiação colectada
pela sonda
k m3.kmol-1.s-1 Constante de reacção
K s-1 Taxa de estiramento
L m Altura de Chama
Le Adimensional m
T
DD
Número de Lewis
m& kg.s-1 Caudal mássico
M Kg.kmol-1 Massa molar
n kmol Número de mol de uma espécie
p Pa Pressão
Q J Energia libertada pela chama
Re Adimensional µ
ρ dV Número de Reynolds
Rf m Raio de uma chama de Bunsen
SL cm.s-1 Velocidade laminar de propagação de chama
t s Tempo
T K Temperatura absoluta
V m.s-1 Velocidade do escoamento
V& m3.s-1 Caudal volumétrico
-
xi
Símbolos Gregos
Símbolo Unidades Definição Descrição
α rad Ângulo de uma chama de Bunsen
λ nm Comprimento de onda
µ N.s.m-2 Viscosidade dinâmica
ρ kg.m-3 Densidade
φ Adimensional stAF
AF Razão de equivalência
Subscritos e Sobrescritos
Símbolo Descrição
( )´ Amplitude de flutuação
( )0 Condições à saída do queimador
( )ar Ar
( )comb Combustível
( )st Estequiométrica
( )λ Monocromático
-
1
1 Introdução
1.1 Motivação
As civilizações humanas encontram-se, cada vez mais, dependentes
de um elevado consumo energético
para a sua subsistência. Grande parte desta energia é gerada
pela combustão de recursos tradicionais
como petróleo, carvão mineral e gás natural. No entanto, como é
sabido, estas fontes são poluentes e
não-renováveis. Os problemas ambientais obrigam-nos assim a
melhorar a eficiência da combustão com
o objectivo de reduzir o consumo de combustíveis e
consequentemente as emissões poluentes.
Utilizando sistemas de queima de misturas pobres é, assim,
possível, devido às baixas temperaturas
atingidas, reduzir a emissão de poluentes, entre os quais o NOx
térmico (Turns, 2000). Porém a
operação em regime pobre leva a fenómenos de instabilidade
termo-acústica, limitando a gama de
funcionamento e por outro lado contribuindo para a deficiente
estabilidade do sistema.
As instabilidades termo-acústicas têm forte sustentação na
resposta da chama (libertação de energia), às
variações de velocidade, da razão de equivalência, da
temperatura e da pressão, na medida em que,
havendo lugar a flutuações periódicas de energia libertada, esta
induzir flutuações de pressão (p´), como
referido por Fernandes & Heitor (1996). Estas instabilidades
no sistema resultam quase sempre em
danos estruturais, extensivos, das câmaras de combustão através:
das vibrações causadas pelas
oscilações de pressão (podendo estas verificarem-se com uma
frequência coincidente com a frequência
de ressonância do equipamento); do elevado coeficiente de
transmissão de calor para as paredes; bem
como de um maior tempo de residência do escoamento, permitindo
maiores trocas de calor com o
equipamento.
Surge assim, para efeitos de controlo e garantir que se
conseguem condições de queima pobre, a
necessidade de monitorizar a libertação de energia. A técnica
mais utilizada consiste na análise de luz
proveniente da chama, por efeito de quimiluminescência. Por um
lado, a existência de variações cíclicas
no sinal de luz, obtido por processamento digital, é indicadora
de oscilações termo-acústicas, sendo este
sinal vulgarmente utilizado em situações de controlo, para
efeito de cancelamento de ruído.
Por outro lado, é utilizada como técnica de diagnóstico, tendo
diversos autores (Haber, Vandsburger,
Ikeda, Kurahashi, Yoshida, Narisawa) demonstrado a relação que
se pode definir entre estes sinais de
luz e as características da combustão, tais como: potência,
razão de equivalência, temperatura, emissão
de poluentes, espessura da frente de chama, etc., sobretudo em
chamas laminares de pré-mistura.
Porém, a aplicabilidade da técnica a chamas laminares e
turbulentas, com grandes taxas de estiramento é
limitada, devido ao reduzido conhecimento sobre a influência
deste factor nos mecanismos de emissão
de luz.
-
2
1.2 Revisão Bibliográfica
1.2.1 Quimiluminescência
A quimiluminescência é a energia libertada sob a forma de
radiação, por moléculas excitadas
electronicamente, quando regressam ao seu estado de energia
menor. Num escoamento reactivo, são
os radicais excitados formados ao longo do processo da cinética
química da oxidação do combustível, os
responsáveis pelo efeito quimiluminescente de uma chama.
A combustão de hidrocarbonetos apresenta, tipicamente, 500
passos, 300 a 400 no caso de metano/ar,
de formação de espécies químicas, até à sua extinção. É no
decorrer destas reacções intermédias que
ocorre a formação de espécies excitadas, sendo as mais comuns,
na combustão de hidrocarbonetos, os
radicais: OH*, CH*, C2* e CO2*. No entanto, informação precisa
relativa à cinética química de
quimiluminescência é, ainda, difícil de obter. Entre outros, os,
actualmente aceites, sistemas de formação
de OH*, CH* e C2* são respectivamente descritos por (Haber,
2000a) e (Kojima et al., 2005):
*OHCOOCH 2 +→+ [1.1]
*CHCOOHC 222 +→+ [1.2]
*CHCOOHC2 +→+ [1.3]
222 H*CCCH +→+ [1.4]
Outro aspecto importante, relacionado com a cinética química da
quimiluminescência, prende-se com a
extinção das espécies electronicamente excitadas. É importante
mencionar que nem toda a energia em
excesso, contida nestas moléculas, é removida por radiação.
Estas podem reagir com outras espécies
ou, mais comummente, perder energia em colisões não reactivas,
sem emissão de luz, denominadas
colisões de quenching, onde a eficiência deste mecanismo varia
de molécula para molécula e muito
frequentemente, apresenta forte dependência da temperatura
(Haber, 2000a).
A reacção de quenching típica no caso do radical OH*, colidindo
com uma molécula genérica M, é dada
por (Haber, 2000a):
MOHM*OH +→+ [1.5]
A compreensão deste mecanismo, não foi ainda, no entanto,
possível de alcançar, com precisão, quando
se pretende estudar o consumo de CH* (Haber, 2000a), existindo,
ainda, uma ausência de informação
-
3
superior no caso de C2*. São, porém, utilizados, em alguns
modelos, reacções de quenching baseados em
resultados empíricos.
A parte observável refere-se à energia perdida por emissão
espontânea, envolvendo apenas a espécie
excitada. A reacção é descrita pelas seguintes equações (Haber,
2000a), (Kojima et al., 2005):
λh
+→ OHOH* [1.6]
λh
+→ CHCH* [1.7]
λh
+→ 22 C*C [1.8]
Dependendo do tipo de transição que ocorre, cada radical emite
radiação num comprimento de onda
característico e a complexidade do espectro está associada à
complexidade da molécula de combustível.
Na Tabela 1.1 são apresentados os comprimentos de onda dos
fotões de luz emitidos, bem como, o
tempo de vida dos radicais excitados mais comuns na combustão de
hidrocarbonetos.
As Figura 1.1 e Figura 1.2 representam espectros de chamas
esteqiométricas de pré-mistura, com ar, de
metano e propano, respectivamente, onde, de acordo com a Tabela
1.1, é possível identificar os radicais
excitados, cujos comprimentos de onda apresentam maiores
intensidades.
A extinção de OH*, bem como de CH*, devido a estes reagirem com
outras moléculas é considerada
insignificante (Haber, 2000a).
Kojima et al. (2005) utilizou os mecanismos de reacção descritos
na Tabela 1.2 para simular a formação
e extinção das espécies CH*, OH* e C2*.
O valor das constantes A (factor pré-exponencial) e b (expoente
da temperatura), assim como a energia
de activação são parâmetros empíricos sendo os valores,
utilizados por Kojima et al. (2005),
apresentados na Tabela 1.2.
Radicais Comprimento de onda [nm] Tempo de vida [s]
CH* 431,5 5,6±0,6×10-7
C2* 416; 466; 516,5 e 566 1,7±0,2×10-7
OH* 306,4 1,5×10-6
CH2O* 395; 423
CO2* emissão contínua
Tabela 1.1: Características dos radicais excitados (Gaydon,
1974).
-
4
300 400 500 600 700λ [nm]
100
200
300
400
500
Inte
nsid
ade
[uns
. arb
itrár
ias]
Espectro de Chama de Metano
Figura 1.1: Espectro da luz emitida por uma chama de metano.
300 400 500 600 700λ [nm]
400
800
1200
1600
Inte
nsid
ade
[uns
. arb
itrár
ias]
Espectro de Chama de Propano
Figura 1.2: Espectro da luz emitida por uma chama de
propano.
-
5
Reacção A [m3.kmol-1.s-1] b Ea [J.kmol-1]
C2H + O = CH* + CO 1,08×1010 0 0
C2H + O2 = CH* + CO2 2,17×107 0 0
CH* = CH 1,85×103 0 0
CH* + N2 = CH + N2 3,03×10-1 3,4 -1,60×106
CH* + O2 = CH + O2 2,48×103 2,14 -7,20×106
CH* + H2O = CH + H2O 5,30×1010 0 0
CH* + H2 =CH + H2 1,47×1011 0 5,70×106
CH* + CO2 = CH +CO2 2,40×10-4 4,3 -7,09×106
CH* + CO = CH + CO 2,44×109 0,5 0
CH* + CH4 = CH +CH4 1,73×1010 0 6,99×105
CH + O2 = OH* + CO 3,25×1010 0 0
OH* = OH 1,45×103 0 0
OH* + N2 = OH + N2 1,08×108 0,5 -5,18×106
OH* + O2 = OH + O2 2,10×109 0,5 -2,02×106
OH* + H2O = OH + H2O 5,92×109 0,5 -3,60×106
OH* + H2 = OH + H2 2,95×109 0,5 -1,86×106
OH* + CO2 = OH + CO2 2,75×109 0,5 -4,05×106
OH* + CO = OH + CO 3,23×109 0,5 -3,29×106
OH* + CH4 = OH + CH4 3,36×109 0,5 -2,66×106
CH2 + C = C2* + H2 7,50×1010 0 0
C2* = C2 8,33×103 0 0
Tabela 1.2: Mecanismos de reacção para as espécies excitadas
OH*, CH* e C2* (Kojima et al., 2005).
1.2.2 Sistemas de Aquisição
A quantificação da intensidade de luz, necessária para estudos
de fenómenos de quimiluminescência, só é
possível devido a sistemas ópticos de medição. O esquema
genérico utilizado em colecção de luz é
constituído por uma sonda óptica (lente colimadora, óptica de
Cassegrain, câmara fotográfica), um
selector de comprimentos de onda (filtro de interferência,
monocromador, espectrómetro) e um
sensor de luz (fotomoultiplicador, CCD). As configurações podem
assim assumir as seguintes
características:
• Resolução temporal;
• Resolução espacial;
• Resolução espectral.
Um dos primeiros sistemas utilizados para este tipo de
aplicações (Sankar et al., 1988; Fernandes &
Heitor, 1996), Figura 1.3 i), consiste em colectar uma pequena
área de luz, integrada ao longo de um
-
6
volume cilíndrico, (recorrendo a lentes esféricas, espelhos,
ópticas de Cassegrain, fibras ópticas ou
combinações dos anteriores) no comprimento de onda da emissão do
radical a ser analisado, utilizando,
para esse fim, filtros de interferência ou monocromadores. O
sinal luminoso é, em seguida, injectado
num fotomultiplicador, induzindo uma diferença de potencial, V
(DC), proporcional à intensidade de luz
emitida pela fonte. Este sistema é caracterizado por uma rápida
resposta no tempo, elevada resolução
temporal, assim como uma elevada resolução espacial, dado que
colecta, virtualmente, um ponto de luz.
Alternativamente, o dispositivo de captura de imagem pode ser do
tipo fotográfico (Shivashankara et al.,
1974), ou câmara CCD (Kendrick et al., 1996), Figura 1.3 ii),
disponibilizando uma imagem integrada da
zona de reacção (sistema com resolução espacial 2D). A resolução
temporal desta configuração é ainda
reduzida, sendo necessário recorrer a câmaras de alta velocidade
no sentido de melhorar a resposta no
tempo. Porém a utilização deste equipamento requer a utilização
de intensificadores de imagem,
ampliando o ruído do sistema.
A utilização conjunta de imagens integradas numa área, com
algoritmos de tomografia permite avaliar
localmente uma propriedade escalar da reacção. Diversos foram os
autores que utilizaram a combinação
destas duas técnicas para estudarem grandezas como: temperatura
de chama (Tourin, 1966), estrutura
de chama (Beyler & Gouldin, 1981), localização e formação de
poluentes (Yoshida et al., 1995) e calor
libertado (Lawn, 2000).
Figura 1.3: Exemplos de sistemas utilizados para colecção de
luz: i) resolução temporal; ii) resolução espacial; iii) resolução
espectral.
-
7
As duas configurações apresentadas podem ser algo limitativas,
quando se pretendem estudar várias
espécies químicas em simultâneo, visto a radiação captada ser
referente, apenas, a um comprimento de
onda. É possível analisar diversos radicais, utilizando apenas
um sinal luminoso (sistemas com resolução
espectral), Figura 1.3 iii). A luz colectada é decomposta em
diversos comprimentos de onda
fundamentais, através de um espectrómetro e projectada num
sensor CCD, em que, cada pixel
corresponde a um comprimento de onda específico (Ikeda et al.,
2002; Kitagawa et al., 2003). São
notórias as vantagens deste sistema, porém o tempo de resposta
associado é bastante elevado, sendo os
resultados apresentados uma integração temporal do sinal
captado.
A utilização de técnicas, não intrusivas, no diagnóstico do
sistema de queima representam uma mais
valia, na medida em que, na generalidade dos casos, a resposta
ao sinal é bastante rápida, permitindo
monitorizar sistemas dinâmicos de uma forma mais precisa, quando
comparada a outros sistemas, como
tubos de Pitot, termopares, microfones, entre outros. Contudo,
torna-se necessário conhecer as
relações entre as intensidades das emissões de luz e as
propriedades do escoamento, tais como:
pressão, razão de equivalência, taxa de estiramento da chama,
número de Re, tipo de combustível,
chamas de pré-mistura ou difusão, laminares ou turbulentas.
1.2.3 Estudos e Aplicações da Quimiluminescência
A abordagem analítica torna-se complexa devido à não linearidade
da cinética química envolvente,
potenciando um conjunto de trabalhos experimentais com
resultados empíricos, no domínio das chamas
laminares.
Haber et al. (2000b) verificou uma importante relação entre as
emissões de OH* e a formação de HCO,
uma espécie intermédia na reacção de oxidação de
hidrocarbonetos, boa indicadora de calor libertado.
Ikeda et al. (2004) analisou, para a combustão de propano/ar, a
localização e estrutura da zona de
ancoragem da chama, para uma gama de valores de φ globais
compreendidas entre 0,9 e 1,5, baseado
nos espectros de OH* e CH*. Este, conclui que, quer a
localização quer a estrutura da frente de chama,
perto da saída do queimador, variam para diferentes valores de φ
globais, mantendo-se, porém,
semelhante a estequiometria na zona de ancoragem. Já a razão de
equivalência, nesta região, analisada a
partir da relação OH*/CH*, manteve-se entre os valores de 0,7 e
0,8 para todas as condições
experimentais. A temperatura do ponto de ancoragem foi também
estudada, tendo esta sido
determinada a partir da intensidade das emissões de OH*. Os
resultados apresentados demonstram que
a temperatura de chama, à saída dos queimadores, varia com
diferentes valores de φ globais.
A luz emitida por uma chama permite também determinar a
localização da formação e quantidade de
poluentes emitidos. Yoshida et al. (1995) registou, em chamas
turbulentas de pré-mistura, emissões de
C2* e CH*, radicais produzidos numa fase inicial da reacção, no
lado da chama relativa aos produtos de
combustão onde as temperaturas são bastante elevadas, sugerindo,
então, a emissão de hidrocarbonetos
-
8
não queimados. Foi ainda encontrada uma similaridade entre os
perfis de intensidade de emissões de
OH* e concentração de prompt NO.
Uma das principais aplicações da quimiluminescência reside na
estimativa de razões de equivalência.
Kojima et al. (2000) relacionou a razão ar/combustível de uma
chama laminar de pré-mistura de
metano/ar com as seguintes relações de intensidades de emissão:
C2*/CH*, CH*/OH* e C2*/OH*. Ikeda
et al. (2000) utilizou as mesmas razões para determinar a razão
de equivalência local em frentes de
chamas turbulentas com pré-mistura de propano/ar, verificando
que as correlações apresentadas para
chamas laminares, Figura 1.4, se aplicam, com um erro de 5 %, a
chamas turbulentas.
Até este parágrafo, apenas se tem falado da aplicação da
quimiluminescência a combustíveis gasosos. No
entanto, a aplicação desta a combustíveis líquidos tem, também,
sido alvo de estudos. Analisando a luz
emitida, em chamas pobres de combustíveis líquidos (n-heptano),
Morrell et al. (2001), concluiu que as
espécies OH* e CH* se apresentam como boas indicadoras de calor
libertado. Este determinou, ainda,
uma relação quase linear entre a razão de intensidades de
C2*/OH*, CH*/OH*, C2*/CH* e a razão de
equivalência.
Porém a aplicação da técnica, necessita de um processo de
calibração para a determinação quantitativa
da razão de equivalência, em diferentes sistemas de aquisição,
de queima e/ou diferentes condições, na
medida em que, o sinal pode sofrer alterações relacionadas com a
função de transferência do sistema
(Kojima et al., 2005), sem no entanto, invalidar as correlações
já encontradas.
Figura 1.4: Correlação entre a intensidade de quimiluminescência
e razão de equivalência, para chamas laminares de pré-mistura de
propano/ar (Ikeda et al., 2000).
-
9
Apesar, do valioso progresso que os estudos previamente
apresentados significam na compreensão da
quimiluminescência numa reacção de combustão, os resultados
obtidos podem, apenas, ser válidos para
as configurações dos queimadores do estudo em questão. Tal facto
deve-se a variações simultâneas de
razão de equivalência, taxa de estiramento, temperatura e
pressão a que as medições efectuadas estão
submetidas, impedindo de se extrapolar os resultados, ou de se
obterem condições universais que
relacionem os diversos parâmetros e o sinal luminoso. Não
obstante desta limitação, a técnica tem sido
aplicada em sistemas práticos de controlo e desenvolvimento quer
de queimadores industriais, turbinas
a gás e motores de combustão interna, onde o tipo de chama é
manifestamente turbulento, quer a
sistemas de queima domésticos, caracterizados por regimes
laminares. A Tabela 1.3 resume aplicações
como: estudos de razão de equivalência em motores de combustão
interna e turbinas a gás,
implementação de sistemas de controlo e sensores de estabilidade
do sistema.
Neste cenário de aplicações práticas em condições de baixa ou
alta pressão (Higgins et al., 2001),
existem fundamentalmente dois factores que afectam a
transposição dos resultados obtidos com chamas
laminares, em condições laboratoriais, para situações de chamas
turbulentas e/ou alta pressão. São eles
o efeito da pressão e da turbulência, este último através do
estiramento imposto.
Relativamente à primeira questão, Higgins et al. (2001),
demonstrou, utilizando chamas de metano/ar
pobres, laminares de pré-mistura, que as intensidades de
emissões de CH* e OH* são proporcionais ao
caudal de massa da mistura e se relacionam com a razão de
equivalência e pressão através de uma lei de
potência, Figura 1.5. A explicação pela qual a intensidade das
emissões de quimiluminescência diminui
com o aumento de pressão pode ser atribuída ao aumento das
colisões de quenching a altas pressões.
O estiramento desempenha um papel fundamental, com grande
relevância na validação dos resultados
obtidos, na medida em que, o regime turbulento e/ou elevadas
curvaturas influenciam a cinética química
da reacção, que por sua vez poderão afectar, entre outros, os
mecanismos de emissão de luz.
Figura 1.5: Emissões de CH* e OH* divididas pelo caudal mássico,
normalizadas pelo valor máximo, como função da razão de
equivalência e pressão (Higgins et al., 2001).
-
10
Autor Aplicação Inst./Config. Experimental Objectivos Condições
de Funcionamento Técnica Aleiferis et al. (2004)
Motor de explosão de carga estratificada: Honda 1,5l VTEC-E
- Estudo das variações cíclicas de combustão em regime pobre -
Determinar razão e equivalência global e local junto à vela de
ignição e sua contribuição para o crescimento de chama
- Regime de carga estratificada - Gama de A/F: 12 a 22 - Ângulo
de Cambota correspondente a 5% de fracção mássica queimada
- Óptica + 2 Espelhos + Filtros OH*, CH* e C2* (Optical
Coatings, Japan) + 3 Fotomultiplicadores - Óptica de Cassegrain +
Fibra (HAMAMATSU R269)
Hardalupas et al. (2004a)
Micro turbina Volvo (VT 40) a gás modificada
- Medir razão de equivalência em uma micro turbina a gás
queimando misturas de metano/ar e metano/água/ar.
- Pressão: atmosférica - Potência térmica máxima: 45 kW -
Temperatura de entrada de ar máxima: 372 º C - Caudal de ar máximo:
88 g/s - Razão de equivalência: 0,7 a 1,3 - Humidade relativa
máxima: 20%
- Óptica de Cassegrain + Fibra Óptica + Espelhos + Filtros OH*,
CH* e C2* + 3 Fotomultiplicadores
Docquier et al. (2002)
Controlo de razão de equivalência em câmara de combustão de
pré-mistura de turbina a gás
- Controlo em anel fechado da razão de equivalência a partir
medições espectrais de quimiluminescência, numa câmara de combustão
de turbina a gás, utilizando misturas de metano/ar.
- Pressão: 1 a 20 bar - Razão de equivalência: 0,5 a 1,2 -
Potência: 1 a 20 kW
- Lente Quartzo (f = 40 mm, d = 30 mm) + Fibra Óptica de Sílica
(abertura numérica = 0,22; diâm. núcleo = 600 µm) + Espectrómetro
(espectro = 250-850 µm; 600 linhas/mm; ranhura de entrada = 50 µm;
resolução = 0,35 µm)
Muruganandam et al. (2003)
Câmaras de pré-mistura: 1. Chama Ring-pilot 2. Chama com swirl
3. Simulador de turbina gás a alta pressão Câmaras de difusão de
combustíveis líquidos: 4. Câmara air-staged axissimétrica 5. Modelo
anelar da câmara CFM56
- Estudo de sensores capazes de detectar instabilidades na
combustão de chamas pobres, a partir da razão de equivalência.
1. Combustível: metano e gás natural; Re: 5000. Temperatura do
ar: 400 K; 2. Combustível: metano e gás natural; Nº swirl: 0,66. 3.
Combustível: gás natural; Pressão: 1.5 a 10 atm; Razão de
equivalência: perto de instabilidade até quase estequiométrica. 4.
Combustível: n-heptano; caudal de ar máximo: 15 g/s; caudal máximo
de combustível: 1 g/s. 5. Combustível: Jet-A aviation grade
petroleum;
- Fibra Óptica de Sílica (abertura numérica = 0,22) + Filtros
(c.o. = 308 nm para OH*, 430 nm para CH*) + Fotomultiplicador (PMT,
Hamamatsu H5784) - Espectrómetro de imagem (300 ranhuras/mm) +
câmara CCD (1024×256)
Tabela 1.3: Exemplos de aplicações práticas da
Quimiluminescência
-
11
1.2.4 Taxa de Estiramento
A taxa de estiramento, K, define a intensidade do estiramento ou
compressão a que uma chama se
encontra submetida como a variação de um elemento de área da
superfície da chama, A, ao longo do
tempo (Marley & Roberts, 2005) e é consequência de esforços
aerodinâmicos e curvaturas de chama
(Law & Sung, 2000). Este parâmetro é dado pela equação
(Marley & Roberts, 2005):
dtdA
AK 1= [1.9]
Aplicando a equação de superfície de chama, G function e
considerando chamas laminares axissimétricas,
onde se incluem as chamas de Bunsen, a taxa de estiramento é
obtida pela expressão, em coordenadas
cilíndricas (r,θ,z) (Law & Sung, 2000):
( ) ( )⎭⎬⎫
⎩⎨⎧
∂∂
+∂∂
−= αααα coscoscossin wz
wrrr
K [1.10]
avaliada na superfície da chama, onde α representa o ângulo
interno formado entre a frente de chama e
o eixo de axissimetria e w a velocidade axial do escoamento,
sendo ambas funções de r e z.
Considerando α constante e condições de escoamento tampão, w(r)
= V0, a Eq. [1.10] simplifica para:
fRVK
22sin0 α−= [1.11]
em que Rf representa o raio da chama em função de z. O sinal
negativo na equação de K da chama de
Bunsen indica que esta sofre compressão, e a sua intensidade
aumenta à medida que Rf diminui, quando
o escoamento se move no sentido do vértice.
Na Figura 1.6 pode ser observada a evolução da taxa de
estiramento ao longo de uma chama de Bunsen,
Eq. [1.11], com velocidade laminar de propagação de chama típica
de 0,4 m.s-1, na combustão de
misturas metano/ar (Turns, 2000). É possível constatar que a
taxa de estiramento varia ao longo de toda
-
12
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1Rf/r
1x101
1x102
1x103
1x104
1x105
|K| [
s-1 ] V0=0,5 m/s
V0=1,0 m/s
V0=2 m/s
Figura 1.6: Evolução teórica da taxa de estiramento ao longo de
uma chama de metano/ar Bunsen.
a frente de chama, tendendo para infinito quando Rf → 0 e a sua
dependência com a velocidade axial do
escoamento.
São vários os estudos que demonstram a influência do estiramento
numa reacção de combustão. Law &
Sung (2000) estudou a influência do efeito de estiramento na
velocidade laminar de propagação de
chama, calor libertado e temperatura máxima, em geometrias
planares estacionárias, esféricas e de
Bunsen, concluindo que para condições afastadas da extinção,
estas grandezas aumentam com o
aumento de K, para números de Lewis inferiores à unidade (metano
pobre e propano rico), sendo
verificado o inverso para Le > 1 (metano rico e propano
pobre). Marley & Roberts (2005) chegou a
resultados semelhantes verificando uma diminuição de SL com
aumento de taxa de estiramento para
razões de equivalência inferiores a 1,34 em chamas esféricas de
propano/ar e o oposto para valores de φ
superiores.
Figura 1.7: Razão de intensidade quimiluminescente OH*/CH* em
função de: (a) razão de equivalência; (b) taxa de estiramento
(Hardalupas & Orain, 2004).
-
13
Figura 1.8: Razão de intensidade dos sinais C2*/CH* em função
de: (a) razão de equivalência; (b) taxa de estiramento (Hardalupas
& Orain, 2004).
Relativamente à radiação emitida, Hardalupas & Orain (2004),
recorrendo a um sistema de queimadores
de escoamento contra-corrente alimentado a gás natural e
utilizando uma óptica de Cassegrain,
demonstrou que a relação OH*/CH* varia de forma monótona com a
razão de equivalência e é
independente da taxa de estiramento, ao passo que, a razão de
intensidades dos sinais C2*/CH*
apresenta uma dependência não monótona da razão de equivalência
e uma forte dependência na taxa de
estiramento para chamas de mistura rica, como é possível
verificar nas Figura 1.7 e Figura 1.8.
1.3 Objectivos
Pretende-se, com este trabalho determinar experimentalmente a
influência da taxa de estiramento nas
emissões de CH* e C2* por efeito de quimiluminescência em chamas
Bunsen laminares de propano/ar
de pré-mistura.
O presente trabalho encontra-se dividido em quatro capítulos.
Sendo o primeiro capítulo a introdução,
no segundo são descritos a configuração e respectivos
procedimentos experimentais, sistemas e
técnicas usados, bem como, erros a estes associados. Em seguida,
no capítulo 3, são apresentados e
discutidos os resultados obtidos. Por fim, no quarto capítulo
são apresentadas conclusões relevantes
relativas ao trabalho realizado.
-
15
2 Configuração Experimental
2.1 Procedimento Experimental
Na transposição da técnica aplicada a casos elementares para
chamas de aplicação prática, quer
laminares quer turbulentas, surge a necessidade de se estudar a
emissão de quimiluminescência ao longo
de uma geometria sujeita a compressão e em que taxa de
estiramento varie. Neste sentido, foram
efectuados, recorrendo a um sistema óptico de resolução espacial
2D, registos fotográficos, nos
comprimentos de onda de CH* (431,5 nm) e C2* (516,5 nm), a
chamas Bunsen laminares de pré-
mistura de propano/ar, com número de Reynolds de 1200 e uma gama
de razões de equivalência de 0,9
a 1,1 e posteriormente aplicada tomografia axial
computorizada.
As medições foram realizadas à pressão atmosférica e temperatura
ambiente, Tamb ≈ 20º C.
2.2 Sistema de Queima
O sistema de queima utilizado encontra-se representado na Figura
2.1. Este, é composto por um
queimador convergente e dois caudalímetros electrónicos.
O queimador convergente, projectado por Leandro (2006), tem como
função estabilizar chamas
laminares de pré-mistura de propano/ar, com potências
compreendidas entre 0,9 e 3 kW. A saída
apresenta um diâmetro de 18 mm, com uma razão de contracção de
áreas de 6,53, sendo esta da
mesma ordem de grandeza das razões usadas por Hardalupas &
Orain (2004) e Schuller (2003), com
8,60 e 8,73 respectivamente. Ainda, com o objectivo de
uniformização do escoamento e assim assegurar
um escoamento do tipo tampão à saída, o queimador é acoplado a
uma unidade composta por três dis-
Figura 2.1: Sistema de queima usado para estabilizar chamas de
Bunsen.
-
16
cos de esferas de vidro compactadas, com 5 mm de espessura cada,
espaçados igualmente entre si,
através dos quais a mistura é injectada.
Os caudais, medidos em volume a condições PTN (p = 105 Pa e T =
298,15 K) são controlados
electronicamente por dois caudalímetros, da marca Alicat
Scientific série 16, com erro de leitura de ±
(0,008V& + 0,002 maxV& ) l/min e caudais máximos de 5
l/min para propano e 20 l/min para ar.
2.3 Sistema de Aquisição de Imagem
Neste trabalho a aquisição de imagem foi realizada a partir de
uma câmara fotográfica equipada com um
sensor CCD e um filtro de interferência, esquematizados na
Figura 2.1.
Para a selecção da gama espectral recorreu-se à utilização de
dois filtros ópticos Melles Griot,
permitindo desta forma adquirir os sinais de emissão de CH*
(431,5 nm) e C2* (516,5 nm), com uma
largura de banda de 11,02 e 9,14 nm e transmissividades de 44,31
% e 55,47 %, respectivamente.
A visualização de toda a área de reacção foi efectuada com
auxílio de uma lente fotográfica
Cosmicar/Pentax, com uma distância focal máxima de 12,0 mm e
abertura relativa de 1:1.2. Por sua vez,
a imagem converge num sensor CCD de uma câmara de marca uEye,
convertendo-a num sinal eléctrico,
possibilitando a reprodução de fotografias em formato digital,
segundo o modelo de cores RGB, onde
um pixel corresponde a um quadrado de 48,3×10-3 mm de lado de
imagem colectada. Parâmetros como
pixel clock, tempo de exposição, ganho regulador, ganho
individual de vermelho, verde e azul e nivelar a
escala de cores são configurados a partir do software comercial
IDS e encontram-se registados nas
Tabela 2.1 e Tabela 2.2.
Razão de Equivalência Configurações
0,6-0,7 0,8 0,9-1,2
Distância focal [m] 0,2 0,2 0,2 Abertura Relativa 1,2 1,2
1,2
Tempo de Exposição [ms] 12,649 12,649 12,649
Pixel Clock [MHz] 30 30 30 Nível de Cinzento de Fundo 3 2 1
Ganho Regulador 57 34 0 Ganho de Vermelho 81 81 81 Ganho de Verde 0
0 0 Ganho de Azul 20 20 20
Tabela 2.1: Configurações do equipamento fotográfico utilizadas
na reportagem da Figura 3.2.
-
17
Espécies Configurações
C2* CH*
Distância focal [m] 0,2 0,2 Abertura Relativa 1,2 1,2
Tempo de Exposição [ms] 12,649 12,649
Pixel Clock [MHz] 30 30 Nível de Cinzento de Fundo 1 0 Ganho
Regulador 15 15 Ganho de Vermelho 0 0 Ganho de Verde 100 0 Ganho de
Azul 0 100
Tabela 2.2: Configurações do equipamento fotográfico utilizadas
na aquisição de imagem das emissões de C2* e CH*, Figura 3.3.
2.4 Técnica de Diagnóstico – Tomografia
Para a realização deste estudo, recorreu-se ao método de
tomografia axial computorizada (TAC), para
um estudo detalhado das emissões quimiluminescentes na zona de
reacção.
Dado o perfil de velocidades do escoamento à saída do queimador
de Bunsen, (Leandro, 2006), ser do
tipo tampão, gerando chamas de geometria cónica axissimétrica, é
possível aplicar a técnica de TAC
com apenas uma câmara fotográfica, técnica essa seguidamente
descrita.
2.4.1 Algoritmos de Tomografia
Esta técnica, de resolução espacial, baseia-se na conversão
matemática de séries de medições laterais de
radiação espectral, adquiridas quer por meios fotográficos, quer
por sondas ópticas pontuais, em perfis
radiais de radiação.
Assumindo que uma chama axissimétrica pode ser modelada como um
conjunto de anéis, como é o
caso em estudo, dentro dos quais todas as propriedades escalares
(coeficiente de emissão radial Iλ neste
estudo), se mantêm constantes, o sinal integrado Jλ é
implicitamente uma função radial dada pela
expressão:
( ) ( )( )∫ −
=fR
x xr
drrrIxJ
222 λλ [2.1]
Recorrendo à inversão integral de Abel (Tourin, 1966) é possível
conhecer os valores de Iλ:
-
18
( ) ( )( )
dxrxx
xJrI
fR
x∫ −∂∂
−=22
11 λλ π
[2.2]
Esta equação apresenta, desta forma, o coeficiente de emissão
radial em função da geometria e da
distribuição de medições laterais de radiação.
A vantagem de se assumir geometria axissimétrica, prende-se com
o facto de que uma única projecção
da zona de reacção fornece toda a informação necessária para a
sua reconstrução, tendo como
consequências uma significativa economia de tempo de computação,
assim como uma redução em
material experimental, visto apenas ser utilizada uma câmara. O
princípio físico de aplicação de
tomografia a configurações axissimétricas encontra-se ilustrado
na Figura 2.2.
No entanto, para aplicação da Eq. [2.2] a casos práticos,
torna-se necessário a sua discretização,
recorrendo desta forma, a métodos numéricos discutidos em
(Tourin, 1966).
A reconstrução algébrica pode, em alternativa à inversão
integral de Abel, ser usada como algoritmo
tomográfico. Nesta formulação os valores integrados de
intensidade detectados em cada zona, Jki, são
calculados a partir do somatório das intensidades de cada anel,
Ij, multiplicadas pela área, Aij, resultante
da intercepção da zona de visualização da sonda com o anel de
propriedades constantes. (Correia,
2001). O uso do método resulta da discretização da projecção em
uma malha de 2n×l, em que, quanto
maior o número de elementos de imagem melhor será qualidade dos
resultados. A Figura 2.3
esquematiza este método aplicado a uma chama genérica de Bunsen,
onde a) representa a malha e b) o
processo tomográfico aplicado à linha de elementos k = 1.
Neste processo existem n zonas de visualização e n anéis de
propriedades constantes, onde o valor de
Jki representa o sinal integrado, detectado pela sonda, ao longo
da zona i. O método é matematicamen-
Figura 2.2: Diagrama esquemático da aplicação da transformada de
Abel a tomografia de geometrias axissimétricas (Tourin, 1966).
-
19
Figura 2.3: Esquema do método tomográfico de reconstrução
algébrica aplicado a uma chama de Bunsen: a)
discretização da projecção em elementos de imagem; b) Cálculo
dos coeficientes de radiação radial.
te expresso pela Eq. [2.3], que depois de desenvolvida resulta
na Eq. [2.4].
Sendo conhecidos os valores de Jki e Aij, a resolução do sistema
de equações, determina os valores de
Ij, permitindo, desta forma, a reconstrução da chama
original.
nilkIAJ ji
jijki ≤≤∀=∑
=
,,1
[2.3]
nnnnnnln IAIAIAIAJ
IAIAIAJIAIAJ
IAJ
++++=
++=+=
=
L
M
332211
33322311313
22211212
11111
[2.4]
2.4.2 Processamento Tomográfico
O programa de tomografia, “Tomograf_6c”, código presente no
Anexo B, utilizado para caracterizar a
emissão de luz em chamas axissimétricas, é adaptado do programa
“Tomograf_5”.
Este programa utiliza o algoritmo de reconstrução algébrica,
descrito no capítulo 2.4.1, onde cada pixel
corresponde a um elemento. As imagens recolhidas são convertidas
em escala de cinzentos, em que o
nível de cinza de cada pixel é função da intensidade de radiação
monocromática colectada.
-
20
Visto tratarem-se de configurações axissimétricas, quer em
geometria, quer em propriedades, o
algoritmo determina o centro da chama através de um método
análogo ao da determinação do centro
de massa de um corpo. As áreas Aij são calculadas a partir da
imagem, usando como unidades de medida
o número de pixeis. Por fim, o sistema de equações, Eq. [2.3], é
resolvido e efectuada a reconstrução da
zona de reacção sob a forma de um perfil de luz.
Desta forma é possível identificar, não só, a frente de chama em
configurações axissimétricas, assim
como, avaliar localmente a intensidade de quimiluminescência de
uma espécie, ao longo da zona de
reacção. A Figura 2.4 apresenta um exemplo de reconstrução
tomográfica onde são apresentados a
imagem de uma chama Bunsen, colectada pelo sistema óptico na
ausência de qualquer filtro de
interferência e respectiva reconstrução.
A partir da reconstrução tomográfica, Figura 2.4 b), é possível
observar que a frente de chama forma, à
parte do vértice, a geratriz de um cone, reforçando uma vez mais
a ideia de geometria axissimétrica das
chamas.
Figura 2.4: Chama Bunsen de pré-mistura de propano/ar, φ =1,0 Re
= 1500, e respectiva reconstrução tomográfica: a) Imagem colectada
pela câmara CCD; b) Perfil de intensidade de luz vs imagem original
em escala de cinzentos.
2.5 Cálculo da Taxa de Estiramento
Conhecendo as intensidades dos sinais de CH* e C2* surge a
necessidade de se avaliar o estiramento a
que as chamas se encontram sujeitas.
Visto não ser possível determinar o valor analítico de K, para
chamas práticas de Bunsen, foi
desenvolvido um programa, presente no Anexo C, para o cálculo
numérico deste valor. O método
consiste em partindo da reconstrução tomográfica localizarem-se,
num referencial centrado com o eixo
de axissimetria da chama, os pontos de maior intensidade de C2*
por cada linha de pixéis da imagem,
Figura 2.5. Assim, através de cada ponto e seus oito vizinhos é
traçada uma recta de regressão linear,
cujo declive determina o ângulo α local.
Devido à axissimetria, formas cónicas e perfis tampão das
chamas, tomando como aproximação a veloci-
-
21
Figura 2.5: Localização dos pixeis onde ocorreram as emissões de
intensidade máxima de C2*, lado direito, comparados com a
tomografia da chama, lado esquerdo.
dade axial do escoamento constante e aplicando o método numérico
de diferenças centrais à Eq. [1.10]
é possível estimar-se o valor da taxa de estiramento local em
chamas de Bunsen reais Eq. [2.5].
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−−
+−=−+
−+
11
11 coscossincosii
ii
i
iii zzr
wKααα
α [2.5]
2.6 Análise de Erros e Incertezas
Com o intuito de se precisar e validar os resultados obtidos é
em seguida efectuada uma análise de
erros e incertezas associados quer ao equipamento, quer às
técnicas utilizadas.
Na aquisição de imagens foi efectuada a calibração da escala de
cores, através do software de
configuração da câmara, no qual se define qual o valor de
preto.
Posteriormente, a intensidade do ruído, gerado electronicamente
pelo sistema de aquisição, foi medida
isolando a lente colectora de toda a radiação ambiente.
Verificou-se que as interferências impostas pelo
equipamento apresentam um valor médio e RMS de zero para todas
as configurações experimentais.
O erro imposto pelo ruído ambiente foi determinado pela
diferença entre o valor médio de uma área,
supostamente, negra e o seu valor teórico, zero, sendo o erro
máximo registado inferior a 0,8 % da
escala de cinzentos, não afectando, assim, os resultados
obtidos. O cálculo deste encontra-se
esquematizado na Figura 2.6.
-
22
Figura 2.6: Cálculo do erro imposto pelo ruído ambiente. Os
valores na escala de cinzentos do interior do quadrado em teoria
seriam zero, porém devido à presença de ruído ambiente apresenta os
valores à esquerda.
Para se avaliar o erro associado ao algoritmo tomográfico,
Correia et al. (1997) procedeu à
reconstrução de formas geométricas, geradas por funções
matemáticas, concluindo que as diferenças
registadas são maioritariamente devidas à discretização da
projecção, com erros associados inferiores a
5 %, para as presentes condições experimentais. É importante
referir que este processo apenas é válido
na ausência de auto-absorção de radiação (Correia et al., 1997),
onde caso contrário outras
considerações físicas e matemáticas teriam de ser tomadas
(Tourin, 1966). No entanto, em medições
baseadas nos radicais C2* e CH*, Gaydon & Wolfhard (1952) e
Porter et al. (1966), mostraram que os
espectros emitidos nestes comprimentos de onda não são afectados
pela auto-absorção em chamas não
luminosas.
No cálculo da taxa de estiramento em chamas de Bunsen foram
utilizadas rectas de regressão linear
traçadas através de nove pontos relativos às emissões de
intensidade máxima de C2*, Figura 2.5,
existindo um refinamento progressivo à medida que se caminha
quer para a base quer para o vértice da
chama. A escolha do número de pontos trata-se de um compromisso
entre a menor diferença relativa,
entre os valores médio e RMS de α local, Tabela 2.3, e a
resolução de imagem do vértice (20×20 pixeis),
evitando desta maneira a insensibilidade à variação de ângulo
que ocorre nesta região.
Número de pontos experimentais da frente de chama
usados na regressão linear 3 5 7 9
Diferença relativa 77,25 % 44,56 % 33,34 % 22,00 %
Tabela 2.3: Diferença relativa entre os valores médios e RMS de
α no cálculo da taxa de estiramento de chamas de Bunsen.
-
23
3 Resultados e Discussão
Como se pode verificar na Eq. [1.10] as chamas de Bunsen
encontram-se sujeitas a compressão e com
um valor de K que varia com a geometria da chama. Neste capítulo
são apresentados estudos do efeito
de compressão nas emissões de quimiluminescência.
3.1 Diagrama de Estabilidade
Na Figura 3.1 é apresentado o diagrama de estabilidade do
sistema de queima, que expressa os limites
de retorno (Flash Back) e descolagem (Blowoff) da chama, em
função da razão de equivalência e número
de Reynolds, permitindo desta forma avaliar os modos típicos de
chamas de Bunsen reportados na
Figura 3.2. A região estável, marcada a sombreado, vai de
encontra o esperado e descrito em Turns
(2000).
A partir da Figura 3.2 é possível observar as diferenças de cor
e intensidade de luz emitida para os
diferentes valores de razão de equivalência. Esta regista-se de
forma mais intensa e esverdeada para
chamas de mistura rica e mais ténue e azulada para regimes de
queima pobre.
Verifica-se também, que para um mesmo número de Reynolds, a
altura de chama decresce com a razão
de equivalência até próximo da estequiometria voltando a
aumentar com o enriquecimento da mistura.
Tal facto deve-se a variações de velocidade laminar de
propagação de chama, estando o seu valor
máximo situado em φ = 1,1 (Marley & Roberts, 2005).
0.6 0.8 1 1.2φ
400
800
1200
1600
Re
Flash BackBlow Off
Stable Region
Figura 3.1: Diagrama de estabilidade do sistema de queima de
Bunsen.
-
24
Figura 3.2: Modos típicos de chamas de Bunsen observados para
diferentes condições de razão de equivalência e número de Re.
(Configurações do equipamento de aquisição de imagem presentes na
Tabela 2.1).
-
25
3.2 Análise de Resultados
De forma a obterem-se as intensidades de quimiluminescência de
C2* e CH*, para chamas cujo número
de Reynolds do escoamento é 1200 e razões de equivalência
compreendidas entre 0,9 e 1,1, foram
efectuados registos fotográficos com filtros ópticos de
interferência e em seguida executadas
reconstruções tomográficas. A Figura 3.3 a) apresenta as
imagens, espacialmente integradas, de chamas
de Bunsen, nos comprimentos de onda de emissão de C2* e CH*. Na
Figura 3.3 b) são apresentados os
respectivos resultados de TAC em que cada imagem é composta pela
reconstrução tomográfica da
chama à esquerda e a imagem original, reproduzida em escala de
cinzentos do lado direito.
O cálculo do estiramento de chamas de Bunsen é apresentado na
Figura 3.4, onde os círculos
representam os resultados experimentais baseados na aplicação
numérica da Eq. [1.10]; os quadrados
correspondem aos valores médios de K em intervalos de Rf /r =
0,02; e a linha contínua mostra o
resultado teórico dado pela Eq. [1.11]. Da observação destes
gráficos é possível verificar que a solução
teórica adequa-se bem aos resultados experimentais.
Nos três casos apresentados, as chamas encontram-se sujeitas a
compressão (estiramento negativo),
apresentando valores baixos de |K|, 40 a 200 s-1, em regiões
onde o declive da frente de chama é
aproximadamente constante (0,2 < Rf /r < 1,0). Avançando
para o vértice da chama, a compressão
aumenta abruptamente, tendendo para infinito quando Rf /r =
0.
Figura 3.3: Emissões de quimiluminescência de C2* e CH* em
chamas de Bunsen: a) Imagem espacialmente integrada; b)
Reconstruções tomográficas vs. Chama original em escala de
cinzentos. (Configurações do equipamento de aquisição de imagem
presentes na Tabela 2.2).
-
26
É também importante mencionar que o estiramento varia com a
razão de equivalência para um mesmo
número de Reynolds. Como discutido anteriormente, a velocidade
laminar de propagação de chama é
função de φ, estando o seu valor máximo localizado para valores
de razão de equivalência de 1,1,
resultando em chamas mais baixas para φ = 1,0 e 1,1 e ângulo α
mais aberto. No entanto, estas são
pequenas diferenças, que não são possíveis de observar
directamente na Figura 3.4. A Figura 3.5
apresenta estas diferenças para valores de Rf /r compreendidos
entre 0,2 e 1,0.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1Rf / r
-15000
-10000
-5000
0
5000
K [s
-1]
c)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1Rf / r
-15000
-10000
-5000
0
5000
K [s
-1]
b)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1Rf / r
-15000
-10000
-5000
0
5000
K [s
-1]
ExperimentalMeanTheoretical
a)
Taxa de Estiramento
Figura 3.4:Taxa de Estiramento experimental e teórica em chamas
Bunsen: a) φ = 0,9; b) φ = 1,0; c) φ = 1,1.
-
27
0.2 0.4 0.6 0.8 1Rf/r
-220
-200
-180
-160
-140
-120
-100
-80
-60
-40
K [s
-1]
φ=1,1
φ=1,0
φ=0,9
Figura 3.5: Taxa de estiramento teórica de chamas de Bunsen com
razões de equivalência de 0,9 1,0 e 1,1 e número de Re = 1200.
As Figura 3.6 e Figura 3.7 apresentam os perfis espaciais de
intensidades máximas de C2* e CH*,
respectivamente, para as mesmas três razões de equivalência. Os
círculos representam, novamente, os
valores medidos experimentalmente, e os quadrados os valores
médios para intervalos de Rf /r = 0,02
para 0,02 < Rf /r < 0,20 e intervalos de Rf /r = 0,05 para
a restante chama. Os valores compreendidos
entre 0,00 < Rf /r < 0,02 foram ignorados, devido às
incertezas resultantes da oscilação de alta-
frequência verificada no vértice da chama.
A variação das emissões de C2* com φ estão de acordo com os
resultados obtidos com chamas de
metano/ar por Kojima et al. (2005), onde para a gama de razões
de equivalência experimentada, a
intensidade de sinal aumenta com o aumento de φ. Já, nas mesmas
condições, as emissões de CH*
apresentam-se menos sensíveis a variações de razão de
equivalência.
Os perfis de emissões quimiluminescentes de C2* apresentam três
zonas distintas, para as três razões
de equivalência: uma primeira zona, A, (0,80 < Rf /r <
1,00), onde o sinal de C2* diminui; uma segunda
zona, B, (0,20 < Rf /r < 0,80), onde se regista um valor
aproximadamente constante, excepção feita para
a φ = 1,0; e uma terceira zona, C, (0,02 < Rf /r < 0,20),
em que a intensidade de luz diminui novamente.
Estas três zonas são também verificadas, na espécie CH*, com
diferenças na segunda região, na qual,
para as três razões de equivalência ensaiadas existe um
acentuado aumento de intensidade do sinal.
Os perfis registados na zona A são não só devidos a perdas de
calor para o anel do queimador,
arrefecendo a chama à medida que se aproxima do ponto de
ancoragem, mas também, devido à razão
de equivalência local diferir do resto da reacção, dado que,
nesta zona, existe mistura de ar com
ar/combustível resultante da difusão de quantidade de momento e
massa do escoamento,
empobrecendo localmente a mistura (Ikeda et al., 2004).
No centro da chama, onde os mencionados mecanismos de
transferência de calor e massa têm menos
expressão nas emissões de quimiluminescência, a intensidade de
CH* diminui no sentido do vértice, não
-
28
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1Rf/r
0
50
100
150
200
250
C2*
Inte
nsity
[arb
itrar
y un
s.]
-Inf -391 -195-130 -98 -78 -65 -56 -49 -43 -39K [s-1]
ExperimentalMean
a)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1Rf/r
0
50
100
150
200
250
C2*
Inte
nsity
[arb
itrar
y un
s.]
-Inf -417 -209-139-104 -83 -70 -60 -52 -46 -42K [s-1]
b)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1Rf/r
0
50
100
150
200
250
C2*
Inte
nsity
[arb
itrar
y un
s.]
-Inf -413 -206-138-103 -83 -69 -59 -52 -46 -41
K [s-1]
c)
C B A
C B A
C B A
Figura 3.6: Emissões de intensidade máxima de C2*: a) φ = 0,9;
b) φ = 1,0; c) φ = 1,1.
-
29
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1Rf/r
0
50
100
150
200
250
CH
* In
tens
ity [a
rbitr
ary
uns.
]
-Inf -391 -195-130 -98 -78 -65 -56 -49 -43 -39K [s-1]
ExperimentalMean
a)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1Rf/r
0
50
100
150
200
250
CH
* In
tens
ity [a
rbitr
ary
uns.
]
-Inf -417 -209-139-104 -83 -70 -60 -52 -46 -42K [s-1]
b)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1Rf/r
0
50
100
150
200
250
CH
* In
tens
ity [a
rbitr
ary
uns.
]
-Inf -413 -206-138-103 -83 -69 -59 -52 -46 -41
K [s-1]
c)
C B A
C B A
C B A
Figura 3.7: Emissões de intensidade máxima de CH*: a) φ = 0,9;
b) φ = 1,0; c) φ = 1,1.
-
30
apresentando, no entanto, variação significativa no
comportamento do radical C2*, ao longo da frente de
chama. O decaimento de intensidade de sinal de CH* pode ser
associado ao aumento de compressão a
que a chama se encontra a ser gradualmente submetida. Da
observação dos gráficos das Figura 3.8 e
Figura 3.9, traçados usando os valores absolutos de taxa de
estiramento teórica e valores médios de
intensidade de quimiluminescência por secção das Figura 3.6 e
Figura 3.7, verifica-se que para valores de
|K| compreendidos entre 50 e 200 s-1, valores que correspondem
aproximadamente à zona B, o sinal de
C2* apresenta um comportamento aproximadamente constante, quando
comparado com a evolução
homologa de CH*, que apresenta uma evolução marcadamente
monotónica decrescente.
100 1000|K| [s-1]
0
50
100
150
200
250
C2*
Inte
nsity
[arb
itrar
y un
s.]
φ=0,9
φ=1,0φ=1,1
A B C
Figura 3.8: Intensidade de C2* em função do valor absoluto da
taxa de estiramento, em chamas de Bunsen.
100 1000|K| [s-1]
0
50
100
150
200
250
CH
* In
tens
ity [a
rbitr
ary
uns.
]
φ=0,9
φ=1,0φ=1,1
A B C
Figura 3.9: Intensidade de CH* em função do valor absoluto da
taxa de estiramento, em chamas de Bunsen.
-
31
A tendência observada na zona C pode ser explicada pela
geometria côncava do vértice que gera a
concentração de grandes quantidades de calor e espécies (Law
& Sung, 2000), sobrepondo-se ao efeito
da compressão, fazendo diminuir as intensidades de C2* e
CH*.
Excluídas as zonas de ancoragem e vértice das chamas, onde os
mecanismos de transferência têm
predominância relativamente ao efeito de compressão na emissão
de quimiluminescência conclui-se que
a taxa de estiramento, tem maior influência nos mecanismos de
emissão de CH* do que em C2*.
O quociente das intensidades destas espécies quimiluminescentes,
bastante utilizado para estimar a
razão de equivalência em chamas de pré-mistura (Kojima et al.,
2000; Ikeda et al., 2000; Hardalupas &
Orain, 2004), é subentendido como sendo constante ao longo do
corpo de uma chama. Com base nos
resultados obtidos neste trabalho é apresentado na Figura 3.10 o
perfil da razão de sinais de C2*/CH*
onde é visível a razão de intensidades a variar ao longo das
três zonas previamente definidas. Na zona B,
onde correlações empíricas têm vindo a ser desenvolvidas, para
avaliar razões de equivalência quer
globais (Ikeda et al., 2000) quer locais (Ikeda et al., 2004), o
valor local de C2*/CH* diminui com o
aumento do raio. O presente estudo não pretende invalidar os
trabalhos anteriores que mostram
valores constantes de C2*/CH* nesta região, dado que as
geometrias de chamas, sistemas de colecção
de luz e técnicas usados, visualizam diferentes volumes da
chama, influenciando fortemente os
resultados obtidos. No entanto, a aplicação dessas correlações a
emissões locais podem levar a
estimativas incorrectas de razões de equivalência.
Na Figura 3.11 é possível observar a relação entre a razão de
sinais e a taxa de estiramento, na qual
C2*/CH* aumenta com o aumento de |K|, na zona B. A relação entre
C2*/CH* e ln (|K|), nesta zona,
pode ser expressa como uma função linear, na qual o declive da
recta aumenta com a razão de
equivalência. É também possível ver que na zona do vértice, C,
esta relação parece tender para um valor
constante quando comparada com a zona B.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1Rf/r
0.4
0.8
1.2
1.6
2
C2*
/CH
*
φ=0,9φ=1,0
φ=1,1
C B A
Figura 3.10: Razão de intensidades de sinal de C2*/CH* na frente
de uma chama Bunsen.
-
32
100 1000|K| [s-1]
0.4
0.8
1.2
1.6
2C
2*/C
H*
φ=0,9
100 1000|K| [s-1]
0.4
0.8
1.2
1.6
2
C2*
/CH
*
φ=1,0
100 1000|K| [s-1]
0.4
0.8
1.2
1.6
2
C2*
/CH
*
φ=1,1
C2*/CH*=0.185 ln(|K|)-0.282
C2*/CH*=0.202 ln(|K|)-0.166 C2*/CH*=0.245 ln(|K|)-0.010
A B C A B C A B C
Figura 3.11: Razão de intensidades de sinal de C2*/CH* em função
da taxa de estiramento em chamas de Bunsen.
Assim se conclui que com base em sinais quimiluminescentes de
colecção de luz, a determinação de φ
que assente na razão C2*/CH* depende do local de medição. A
própria forma de calibração, que de um
modo geral é obtida com base em sinais globais, deve ser usada
com precaução, quer em regimes
turbulentos quer laminares, sob o efeito de compressão, visto a
razão de sinais variar, entre outros
parâmetros, com a taxa de estiramento, ao longo da frente de
chama.
-
33
4 Conclusões
Foram efectuadas em chamas Bunsen de pré-mistura laminares de
propano/ar medições de emissões de
quimiluminescência, com resolução espacial e espectral, em
condições ambiente para uma gama de
razões de equivalência entre 0,9 e 1,1 e com um número de
Reynolds do escoamento de 1200. As
medições locais das espécies C2* e CH* foram efectuadas, com
sucesso, na frente de chama para as
diferentes razões de equivalência, recorrendo a um sistema de
câmara CCD e um algoritmo de
tomografia axial computorizada. O estiramento da chama foi
avaliado usando a localização dos valores
máximos de intensidade de C2* sendo a taxa de estiramento em
geometrias do tipo Bunsen negativo.
Tal facto indica que a chama sofre compressão, estando os
valores de K compreendidos entre -40 s-1 e -
200 s-1, em zonas onde a curvatura do vértice não tem influência
e entre -200 s-1 e infinito no limite
quando Rf /r tende para zero.
Três zonas distintas de emissões de quimiluminescência foram
definidas em chamas de Bunsen, nas quais
os perfis dos sinais diferem devido aos diferentes mecanismos
que nelas actuam. Uma primeira zona,
junto do anel da saída do queimador, influenciada pelas perdas
de calor para o metal frio e por uma
razão de equivalência local mais pobre que o resto da reacção;
uma segunda zona na qual emissões de
CH* são maioritariamente afectadas pela compressão da chama; e
uma terceira zona, perto do vértice,
onde a reacção é aquecida e encontra uma grande concentração de
espécies devido à concavidade do
vértice.
A relação de emissão de C2* com a taxa de estiramento, não
apresenta uma evolução monotónica.
Porém a compressão de chama tem influência nos mecanismos de
quimiluminescência de CH*, fazendo
diminuir monotonicamente a sua intensidade com o aumento de
|K|.
A razão de intensidades de sinal local de C2*/CH* apresenta,
também, um aumento ao longo da segunda
zona, com o aumento de compressão, carecendo a sua utilização de
algum cuidado, na determinação de
razões de equivalência de chamas sujeitas a compressão.
Como continuação deste trabalho sugere-se a medição do perfil de
velocidades do escoamento,
possibilitando desta forma um cálculo mais rigoroso da taxa de
estiramento experimental, bem como a
utilização de uma técnica de medição de quimiluminescência
diferente, permitindo desta forma validar os
resultados obtidos para a espécie CH* e obter resultados
conclusivos quanto ao comportamento de
C2* quando submetido à compressão. Por estudar ficaram as
emissões de OH* e a sua razão com as
outras espécies apresentadas, bem como uma gama de razões de
equivalência maior.
Também a influência de uma taxa de estiramento positiva,
conseguida a partir de um queimador de
escoamento contra-corrente, poderá completar este estudo, na
medida em que, ao perceber-se a
influência do estiramento nas emissões de quimiluminescência
permitir-se-á estimativas mais apuradas de
parâmetros em chamas turbulentas, sujeitas quer a efeitos de
compressão quer de estiramento.
-
34
Com o conhecimento e aperfeiçoamento da técnica caminha-se assim
para a concretização quer de
sistemas de controlo, cada vez mais eficientes, capazes de
monitorizar e caracterizar a combustão em
tempo real e de forma não intrusiva, quer de uma técnica de
diagnóstico fiável, permitindo, desta forma,
regimes de funcionamento de queima pobre, emitindo menos
poluentes e reduzindo consumos de
combustível.
-
35
Referências
Aleiferis, P.G., Hardalupas, Y., Taylor, A.M.K.P., Ishii, K.,
& Urata, Y. (2004). Flame
chemiluminescence studies of cyclic combustion variation and
air-to-fuel ratio of the reacting
mixture in a lean-burn stratified-charge spark-ignition engine.
Combust. Flame, 136, 72-90.
Amantini, G., Frank, J.H., Smooke, M.D., & Gomez, A. (2006).
Computational and experimental
study of standing methane edge flames in the two-dimensional
axisymmetric counterflow
geometry. Combust. Flame, 147, 133-149.
Beyler, C.L., & Gouldin, F.C. (1981). Flame Structure in a
Swirl Stabilized Combustor Inferred
by Radiant Emission Measurements. 8th Symp. (Intl.) on
Combustion, The Combustion
Institute, 1011-1019
Correia, D.P., Pires, A. C., Ferrão, P., & Heitor, M.V.
(1997). A Temperature Tomographic
Sensor for Combustion Analysis, 17th ICIASF, Asilomar Conference
Center, Pacific Grove, CA,
September 28- October 2
Correia, D.P. (2001). Development and Implementation of
Tomographic Reconstruction
Techniques for the Diagnostic of Combustion Flows. Dissertação
para obtenção do Grau de
Doutor em Engenharia Mecânica, Universidade Técnica de Lisboa
Instituto Superior Técnico.
Docquier, L., Lacas, F., & Candel, S. (2002). Closed-loop
equivalence ratio control of premixed
combustors using spectrally resolved chemiluminescence
measurements. Proceedings of the
Combustion Institute, 29, 139-145.
Fernandes, E.C., & Heitor, M.V. (1996). Unsteady Flames and
the Rayleigh Criterion. In Culick,
F., Heitor, M.V., & Whitelaw, J.H. – “Unsteady Combustion”.
NATO ASI Series, Series E:
Applied Sciences - Vol. 306, Kluwer Academic Publishers.
Gaydon, A.G. (1974). “The Spectroscopy of Flames”. Chapmann and
Hall, London.
Gaydon, A.G. and Wolfhard, H.G. (1952), “Mechanism of Formation
of CH, C2, OH and HCO
Radicals in Flames”, 4th Symposium (Intl.) on Combustion, The
Combustion Institute, 211-218.
Haber, L.C. (2000a). An investigation into the origin,
measurement and application of
chemiluminescent light emissions from premixed flames. Thesis
submitted to the Faculty of the
Virginia Polytechnic Institute and State University in partial
fulfillment of the requirements for
the degree of Master of Science in Mechanical Engineering.
Haber, L.C., Vandsburger, U., Saunders, W.R., & Khanna, V.K.
(2000b). An examination of the
relationship between chemiluminescent light emissions and heat
release rate under non-
adiabatic conditions. Proceedings of IGTI: International Gas
Turbine Institute, 2000-GT-0121.
Hardalupas, Y., Orain, M., Panoutsos, C.S., Taylor, A.M.K.P.,
Olofsson, J., Seyfried, H., Richter,
M., Hult, J., Alden, M., Hermann, F., & Klingmann, J.
(2004a). Chemiluminescence sensor for
-
36
local equivalence ratio of reacting mixtures of fuel and air
(FLAMESEEK). Applied Thermal
Engineering, 24, 1619-1632.
Hardalupas, Y., & Orain, M. (2004b). Local measurements of
the time-dependent heat release
rate and equivalence ratio using chemiluminescent emission from
a flame. Combust. Flame, 139,
188-207.
Higgins, B., McQuay, M.Q., Lacas, F., & Candel, S. (2001).
An experimental study on the effect
of pressure and strain rate on CH chemiluminescence of premixed
fuel-lean methane/air flames.
Fuel, 80, 1583-1591.
Ikeda, Y., Kojima, J., & Nakajima, T. (2000). Fast Response
Local Equivalence Ratio
Measurement in Premixed Turbulent Flame. Relatório
confidencial.
Ikeda, Y., Kojima, J., Hashimoto, H., & Nakajima, T. (2002).
Detailed Local Spectra
Measurement in High-Pressure Premixed Laminar Flame. AIAA, 0191,
1-7.
Ikeda, Y., Kurahashi, T., Kawahara, N., & Tomita, E. (2004).
Temperature measurements of
laminar propane/air premixed flame using detailed OH* spectra
intensity ratio. 12th
International Symposium on Applications of Laser Techniques to
Fluid Mechanics, 12-15 July.
Lisboa, Portugal.
Kendrick, D.W., Zsack, T.W., & Zukosky, E.E. (1996). An
Experimental and Numerical
Investigation of Premixed Combustion in a Vortex in a Laboratory
Dump Combustor. In
Culick, F., Heitor, M.V., & Whitelaw, J.H. – “Unsteady
Combustion”. Kluwer Academic
Publishers.
Kitagawa, K., Konishi, N., Arai, N., & Gupta, A.K. (2003).
Temporally Resolved Two-
Dimensional Spectroscopic Study on the Effect of Highly
Preheated and Low Oxygen
Concentration Air on Combustion. Journal of Engineering for Gas
Turbines and Power, 125, 326-
331.
Kojima, J., Ikeda, I., & Nakajima, T. (2000). Detailed
distributions of OH*, CH* and C2*
chemiluminescence in the reaction zone of laminar premixed
methane/air flames. AIAA, 3394, 1-
5.
Kojima, J., Ikeda, Y., & Nakajima, & T. (2005). Basic
aspects of OH(A), CH(A), and C2(d)
chemiluminescence in the reaction zone of laminar methane-air
premixed flames. Combust.
Flame, 140, 34-45.
Law, C.K., & Sung, C.J. (2000). Structure, aerodynamics, and
geometry of premixed flamelets.
Progress in Energy and Combustion Science, 26, 459-505.
Lawn, C.J. (2000). Distribution of Instantaneous Heat Release by
the Cross-Correlation of
Chemiluminescent Emissions. Combust. Flame, 123, 227-240.
-
37
Leandro, R.E. (2006). Modelling and Experimental Validation of
Unsteady Impinging Flames.
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia
Mecânica, Universidade Técnica
de Lisboa, Instituto Superior Técnico.
Marley, S.K., & Roberts, W.L. (2005). Measurements of
laminar burning velocity and Markstein
number using high-speed chemiluminescence imaging. Combust.
Flame, 141, 473-477.
Morrell, M.R., Seitzman, J.M., Wilensky, M., Lubarsky, E., Lee,
J., & Zinn, B. (2001).
Interpretation of Optical Emissions for Sensors in Liquid
Fuelled Combustors. AIAA, 0787, 1-12.
Muruganandam, T.M., Kim, B., Olsen, R., Patel, M., Romig, B.,
& Seitzman, J.M. (2003).
Chemiluminescence Based Sensors for Turbine Engines. AIAA, 4490,
1-9.
Porter, R.P., Clark, A.H., Kaskan, W.E. and Browne, W.E. (1966),
“A Study of Hydrocarbons
Flames”, 11th Symposium (Intl.) on Combustion, The Combustion
Institute, 907-917.
Sankar, S.K., Hedge, U.G., Jagoda, J.I. & Zinn, B.T. (1988).
Driving of Axial Acoustic Waves by
Side-Wall Stabilized Premixed Flames. 22nd Symp. (Intl.) on
Combustion, The Combustion
Institute, 1371-1380.
Schuller, T. (2003). Mécanismes de Couplage dans les
Interactions Acoustique-Combustion.
These pour l’obtention du Grade de Docteur, Ecole Centrale
Paris.
Shivashankara, B.N., Strahle, W.C., & Handley, J.C. (1974).
Decomposition of Combustion
Noise Scaling Rules by Direct Flame Photography. Acta
Astronómica, 1, 985-992.
Tourin, R.H. (1966). “Spectroscopic Gas Temperature
Measurement”. Elsevier Publishing
Company.
Turns, S.R. (2000). “An Introduction to Combustion: Concepts and
Applications”. McGraw-Hill.
ISBN 0-07-230096-5, 559-567.
Yanta, W.J., & Smith, R.A. (1978). Measurements of
Turbulence -Transport Properties with a
Laser Doppler Velocimeter. AIAA, 11th Aerospace Science Meeting,
Washington, 73-169.
Yoshida, A., Narisawa, M., Tsuji, H., & H., T. (1995).
Chemiluminescence Emission of C2, CH
and OH Radicals from Opposed Jet Burner Flames. JSME
International Journal, 38, 222-229.
-
39
Anexos
Anexo A
Cálculo de Razão de Equivalência para Chamas de Propano/Ar
A definição de razão de equivalência em base molar é dada
por:
stAFAF
=φ [0.1]
Da equação dos Gases perfeitos é sabido que o volume que um gás
ocupa é proporcional ao seu
número de mol, logo a fracção molar da mistura pode ser
substituída pelo quociente entre o caudal
volúmico de propano e o caudal volúmico de ar. Da reacção
estequiométrica é também conhecido que
o valor de F/Ast = 0,042. A Eq. [0.1] pode ser apresentada da
seguinte maneira:
042,083 arHC
VV &&=φ [0.2]
O erro absoluto, da razão de equivalência, associado à medição
de caudais é calculado a partir da
equação de propagação de erro:
∑=
∆∂∂
=∆n
ii
i
xxfy
1
[0.3]
O erro absoluto associado à razão de equivalência é assim,
expresso pela seguinte equação:
2042,0042,0 arcombar
ar
comb
VVV
VV
&
&&
&
& ∆−
∆=∆φ [0.4]
-
40