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Resumo Resumo tel-00623090, version 1 - 13 Sep 2011 O syngas é mundialmente reconhecido como uma fonte de energia viável em particular para aplicações estacionárias. Neste trabalho, três composições típicas de syngas foram consideradas representativas do gás proveniente da gaseificação de biomassa florestal e estudada a possibilidade da sua utilização em motores de combustão interna. Primeiro, a velocidade de chama laminar fora determinada a partir de fotografia de schlieren a pressão constante. Em adição, o estudo dos efeitos da perturbação da chama é realizado através da obtenção dos números de Karlovitz e Markstein. Em segundo lugar, e dado existir lacunas na compreensão das características fundamentais da combustão de gás de síntese, em especial a pressões elevadas relevantes para aplicações práticas da combustão, é determinada a velocidade de chama laminar a volume constante para pressões até 20 bar. Esta informação é aplicada num código de simulação multi-zona da interacção chamaparede de modo a determinar a distância de extinção de chama. A combustão turbulenta em condições semelhantes ao motor de combustão interna (MCI) é reproduzida em máquina de compressão rápida (MCR) funcionando em modo de compressão seguido de expansão simulando o ciclo de potência de um MCI. As aplicações de produção de energia de pequena escala usam habitualmente gás natural como combustível, deste modo o metano é também incluído neste trabalho por questões de comparação de performance com as composições típicas de syngas em estudo. Testes de compressão são também realizados em MCR operando com e sem combustão de modo a identificar os diferentes parâmetros de funcionamento, nomeadamente a transferência de calor na parede. Um modelo termodinâmico de simulação do ciclo de potência de um MCI é desenvolvido. A sua validação é efectuada por comparação com dados de pressão obtidos na literatura para hidrogénio e metano. O modelo é ainda adaptado para a MCR por alteração de vários aspectos do mesmo, nomeadamente a função de volume do cilindro e o modelo de velocidade de chama. O código mostrou-se adequado para simular a evolução da pressão no interior do cilindro. O modelo validado é então aplicado a MCI a syngas de modo a determinar a sua performance. Conclui-se que as composições típicas de syngas, apesar do seu baixo poder calorífico e velocidade de chama, podem ser utilizadas em MCI a elevada velocidade de rotação. Palavras-chave: Gaseificação – Syngas – Combustão – Velocidade de chama – Máquina de compressão rápida – Modelação multi-zona. 4
Nomenclature Nomenclature Roman tel-00623090, version 1 - 13 Sep 2011 A Area of flame surface (m 2 ) a Cross section (m 2 ) B Bore (m) c p c v D E i f g p h h g H(t) I Specific heat under constant pressure (J/kg.K) Specific heat under constant volume (J/kg.K) Diameter (m) Ignition energy (J) Focal length (m) Pressure gain (bar) Convective heat transfer coefficient (W/m 2 .K) Global heat transfer coefficient (W/m 2 .K) Instantaneous height of chamber (m) Current intensity (A) k Turbulence kinetic energy (m 2 /s 2 ) Ka Karlovitz number L(t) Instantaneous combustion chamber height (m) L b L e L u m M Ma N n P Pe Markstein length of burned gases (m) Lewis number Markstein length of unburned gases (m) Mass (kg) Molar mass (mol) Markstein number Engine speed (rpm) Normal Pressure (bar) Peclet number P mot (t) Instantaneous motored cylinder pressure (bar) Q WC Q wr r R Convective heat flux (W) Radiative heat radiative flux (W) Radius of burned gases sphere (m) Radius of the spherical vessel (m) 5
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