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COMBUSTÃO DE SPRAYSLaiete Soto Messiaslaiete@ipt.brLaboratório de Energia Térmica, Motores, Combustíveis e EmissõesCENTRO DE TECNOLOGIAS AMBIENTAIS E ENERGÉTICAS (CETAE)

TÓPICOS1. Introdução2. Queimadores industriais de líquidos3. Caracterização de sprays4. Experiências do IPT na área5. Propostas para trabalhos futuros

CHAMAS INDUSTRIAIS DE COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOSTROCAS DE CALORCOLISÃO DE GOTAS(COALESCÊNCIA)COMBUSTÃO DEGOTASCOQUE(CENOSFERAS)COMBURENTECOMBUSTÍVELFORMAÇÃO DOSPRAY(NEBULIZAÇÃO)MISTURA PORTURBULÊNCIA EDIFUSÃORECIRCULAÇÕESPRODUTOS NAFASE GASOSAPRODUTOS DECOMBUSTÃOCOMBURENTEQUEIMADORVAPORIZAÇÃOREAÇÕES EMFASE GASOSAFULIGEMCÂMARA DE COMBUSTÃO• Ambientes confinados (câmaras de combustão de caldeiras, fornos, geradores de gases quentes)• Combustíveis residuais: óleos combustíveis deriv. de petróleo, alcatrões, óleos de origem animal(“sebo”)

ÓLEOS COMBUSTÍVEISNACIONAIS• Viscosidade mais elevadasTeores elevados deasfaltenos e contaminantes(N, V, N i )•Controle de emissõesatmosféricas(material particulado, SO x eNO x )

QUEIMADOR TÍPICO DE CALDEIRAS INDUSTRIAISAr terciárioLançanebulizadorade óleoArsecundárioDefletor do ar terciárioBocal nebulizadorAr primárioRegistro de ar secundárioRegistro de ar terciário"Swiler" do ar primárioBloco refratárioporca de apertobocal nebulizadorcabeçote da lançaóleovaportubo interno (óleo)

MODELO FÍSICO DE DESINTEGRAÇÃO DO LÍQUIDO EM GOTASFormação de ondas napelículaFragmentação e formaçãode ligamentosFragmentação deligamentos em gotas

Bocal câmara de misturaModelo físico de GRAZIADIORUPTURA DOS LIGAMENTOS COMFORMAÇÃO DE GOTAS GRANDESGOTAS PEQUENAS NOCENTRO DO JATOAR / VAPORGOTAS GRANDES NAPERIFERIA DO JATOLÍQUIDOIMPACTO NA PAREDE DELIGAMENTOS E GOTASGRANDESGásFilme de líquidojunto às paredesinternas do bocalAR / VAPORGOTAS MUITO PEQUENASFORMADAS NAS CRISTASDAS ONDASOrifício dedescargaDesintegração dofilme de líquidoNévoa de gotas"Spray"GOTAS MUITO PEQUENASFORMADAS NA INTERFACE GÁS-LÍQUIDORECIRCULAÇÃO EDEPOSIÇÃO DE GOTASGotas pequenasDesintegração do filmelíquido em ligamentos egrandes gotas

Características gerais de um sprayNEBULIZAÇÃO COALESCÊNCIA VAPORIZAÇÃOPelículaLigamentosGotasInstabilidadesFluxo de arArraste de arÂngulo do sprayÂngulo equivalente do sprayBocal de Nebulizaçãopor pressãoRecirculação de arFronteira dospray

CARACTERIZAÇÃO DE SPRAYS• Diâmetro médio de gota: SMD (“Sauter Mean Diameter”)SMD=N∑i=1n di3iN∑i=1n di2i• SMD : diâmetro médio de gota (µm);• n: n o de gotas; e,• d: diâmetro de gota (µm)• Distribuição de diâmetro de gota (frequência ou acumulativa)∆ =D − D( V ,0.9)D( V ,0.5)( V ,0.1)∆ = SPAN (fator de espalhamento);D (v,0.1)= Diâmetro de gota abaixo do qual se acumulam 10 % dovolume das gotas do spray;D (v,0.5)= Diâmetro de gota abaixo do qual se acumulam 50 % dovolume das gotas do spray;D (v,0.9)= Diâmetro de gota abaixo do qual se acumulam 90 % dovolume das gotas do spray;• Distribuição espacial das gotas na seção transversal do spray• Ângulo do spray

REPRESENTAÇÃO TÍPICA DE DISTRIBUIÇÃO DE DIÂMETRODE GOTASFunção distribuição F(D)NúmeroVolumeDiâmetro médio de gota (médiaaritmética) = 76,61 µmSMD = 109,2 µmDistribuição acumulada em volume e número [%]Diâmetro de gota [µm]

ESTAÇÃO DE AVALIAÇÃO DE SPRAYS DO IPT

ESTAÇÃO DE AVALIAÇÃO DE SPRAYS DO IPTDistribuição de líquido na seção transversal do spray (Partenador)0,5BOCAL NEBULIZADOR COM FLUIDO AUXILIARVazão de óleo: 75 kg/h; visc. 20 cStFração em volume0,40,30,20,1Ar neb. / Óleo = 0,3Ar neb. / Óleo = 0,5Ar neb. / Óleo = 0,75Ar neb. / Óleo = 1,0Ar neb. / Óleo = 1,20-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100Distância do eixo do bocal [mm]

1211Vazão de óleo=720 kg/hVazão de óleo=480 kg/hVazão de óleo=240 kg/hBOCAL "Y JET" 29 x 70 oViscosidade 100 SSU (21cSt)10D(3,2)=30 micronD(3,2)=40 micronD(3,2)=50 micron9D(3,2)=60 micronD(3,2)=80 micronCURVACARACTERÍSTICADE UM BOCALNEBULIZADORPressão do óleo (bar)8765Dif. pressão=+1,5 barDif. Pressão =+1,5 bar432100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12Pressão do fluido de nebulização (bar)

MODELOS EMPÍRICOS PARA PREVISÃO DE DIÂMETRODE GOTASExpressão genérica proposta por Lefebvre para bocais com fluido auxiliarSMDDBα[ ] ⎡ ⎤+β 1AW BZ 1 + ⎥ ⎦=−eB⎢⎣RALNúmero de Weber calculado no bocal:We BV=2r,aDσBρ a , vlSMD = diâmetro de gotaD B= diâmetro do orifício de descarga do bocal;A,B, α e β = parâmetros dependentes à geometria do bocal;RAL = razão mássica ar(vapor)/líquido;V r,a= velocidade relativa ar(vapor)-líq no ponto de mistura;ρ a,v= peso específico do ar(vapor);ρ l= peso específico do ar(vapor);σ l=tensão superficial do líquido;Número de Ohnersorge calculado no bocal:ZB=lµ 2Lσ DBρL

COMPARAÇÃO “Y-JET” X Câmara de mistura"Y-Jet " X CÂMARA DE MISTURAm c =1800 kg/hD(V ,0.9)− D∆ =D( V ,0.5)( V ,0.1)D(v,0.9)m [micron]500450400350300250200150Y-JetCÂMARA DE MISTURA1005000,00 0,05 0,10 0,15 0,20RAL [kg ar/kg óleo]

COMPARAÇÃO “Y-JET” X Câmara de mistura4"Y-Jet " X CÂMARA DE MISTURA3Y-JetCÂMARA DE MISTURA∆ =D − D( V ,0.9)D( V ,0.5)( V ,0.1)Fator de espalhamento2100 20 40 60 80 100 120 140 160SMD m [micron]

COMPARAÇÃO “Y-JET” X Câmara de misturaBOCAL "Y-Jet"viscosidade do óleo: 39 cStBOCAL CÂMARA DE MISTURAviscosidade do óleo: 39 cSt2525mc = 600 kg/hPressão do óleo (Pc) [bar]201510mc = 600 kg/hmc = 1200 kg/hmc = 1800 kg/hSMDm = 30 micronSMDm = 40 micronSMDm = 60 micronSMDm = 80 micronSMDm = 100 micronPa-Pc = 1,0 barPa-Pc = 2,0 barDCBPressão do óleo (Pc) [bar]201510Fmc = 1200 kg/hmc = 1800 kg/hSMDm = 20 micronSMDm = 30 micronSMDm = 40 micronSMDm = 60 micronSMDm = 80 micronSMDm = 100 micronPa-Pc = 1,0 barPa-Pc = 2,0 barEDCBLA50EFKJG H I0 5 10 15 20 2550KJIHG0 5 10 15 20 25Pressão do ar (P a ) [bar]Pressão do ar (P a ) [bar]

PROJETO E REDIMENSINAMENTO DE BOCAISNEBULIZADORESCaso real: Caldeira Aquatubular 27 t/hConfigurações dos bocais originais e protótipos utilizados: a -vapor; b - óleo: A – lança nebulizadora; B – porca de fixação;C – bocal original; D – bocal modificado

REDIMENSIONAMENTO DE BOCAL TIPO “Y-JET”120Diâmetro médio de gota - D (3,2)110100908070605040302010Bocal originalBocal IPT Y9-4000,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16kg vapor/kg óleo

INFLUÊNCIA DA QUALIDADE DE NEBULIZAÇÃONA EFICIÊNCIA DE CALDEIRATESTES DE CAMPO: MEDIÇÃO DE EMISSÕES ATMOSFÉRICAS100Concentração de CO [ppm]9080706050403020Bocal originalBocal IPT Y9-40; condição 1Bocal IPT Y9-40; condição 21000 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5Concentração de O 2 [% base seca]

INFLUÊNCIA DA QUALIDADE DE NEBULIZAÇÃONA EFICIÊNCIA DE CALDEIRATESTES DE CAMPO: MEDIÇÃO DE EMISSÕES ATMOSFÉRICAS600500Concentração de NO X [ppm]400300200100Bocal originalBocal IPT Y9-40; condição 1Bocal IPT Y9-40; condição 200 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5Concentração de O 2 [% base seca]

INFLUÊNCIA DA QUALIDADE DE NEBULIZAÇÃONAS EMISSÕES ATMOSFÉRICASTESTES DE CAMPO: MEDIÇÃO DE EMISSÕES ATMOSFÉRICAS300Bocal original Bocal novo; condição 2 Bocal novo; condição 1Conce ntração de mate rialparticulado [mg/Nm 3 ]25020015010050268251269241166180170142 14517600 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11Núm ero da Coleta

INFLUÊNCIA DO FLUIDO DE NEBULIZAÇÃONA EFICIÊNCIA E NAS EMISSÕESTeor de CO e NO x [ppm]400350300250200150100Bocal Y- Jet 29 X 70 om o =220 kg/h; visc.=100 SSU; P ar -P óleo =1,5 barCO; neb. a arNOx; neb. a arCO; neb. a vaporNOx; neb. a vapor5000 2 4 6 8 10 12Teor de O 2 [%]

PROJETO E REDIMENSINAMENTO DE BOCAISNEBULIZADORESQUEIMADOR DEFORNO DECALCINAÇÃOBOCALSWIRLER10000010000sem swirlercom swirlerCO (ppm; 0% O2)10001001010 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12Vazão de óleo (l/min)

Propostas para o desenvolvimento detrabalhos na área de spraysNEBULIZAÇÃOInvestigação de expressões genéricas para previsão de diâmetro de gotasaplicáveis aos bocais nebulizadores para óleos combustíveis. Tratamentodos adimensionais para estudos em escala (“scale-up”).Aprimoramento e validação de modelos de desintegração de películas, coma determinação da fração de gotas formadas a partir desse mecanismo deformação;Desenvolvimento de bocais nebulizadores para utilização de gáscombustível como fluido de nebulização.

Propostas para o desenvolvimento detrabalhos na área de spraysEVAPORAÇÃO E COMBUSTÃO DE GOTASInvestigar alternativas para a redução de emissões de NO x, resolvendo aconcorrência normalmente existente entre MP e CO com o NO xInfluência do ângulo entre os orifícios de descarga e o eixo do bocal(PDPA, técnicas de visualização “laser sheet”);Influência da geometria do “swiler” na qualidade de nebulização (PDPA;PLIF, outros ?);Utilização de gás combustível como fluido de nebulização.Investigação dos mecanismos de evaporação e combustão de gotasconsiderando a formação de cenosferas quando se utiliza líquidosultraviscosos.

Propostas para o desenvolvimento detrabalhos na área de spraysAR DE COMBUSTÃOAR SECUNDÁRIOAR PRIMÁRIOÓLEOÓLEOSWILER

OBRIGADO PELA ATENÇÃOLaiete Soto Messiaslaiete@ipt.br