Combustão Relatorio Final3

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Universidade de Brasília - UnB Faculdade de Tecnologia
Departamento de Engenharia Mecânica
Combustão
Professor
Carlos Alberto Gurgel
Chama Laminar Difusiva Não Pré-Misturada em Diferentes Bocais de Saída
Realizado por
Glécia Virgolino da Silva – 07/61524
Nuno Jorge Sousa Dias – 07/61559
Brasília, 27 de Junho de 2007.
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Índice
31. Combustão	�
42. Características das Chamas	�
42.1 Cor da chama	�
63. Tipos de Chamas	�
83. 1 Chamas laminares difusas	�
123.2 Chama Pré-Misturada	�
124. Queimadores	�
145. GLP	�
156. Objetivos	�
157. Procedimento Experimental	�
168. Procedimento de Cálculo	�
178.1 Secção Circular	�
17 8.1.1 Vazão baixa	�
188.2.1 Vazão Média	�
188.2 Secção Quadrada	�
198.2.1 Vazão baixa	�
208.2.2 Vazão Média	�
218.3 Secção Retangular	�
238.3.1Vazão baixa	�
238.3.2 Vazão Média	�
248.4 Vazão alta	�
259. Conclusões	�
2610. Bibliografia	�
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1. Combustão
	A combustão só foi considerada uma ciência a partir do século XX. A combustão pode ser definida como a ciência que estuda as reações químicas exotérmicas em escoamentos com transferência de calor e massa, que são regidos pelas leis da Termodinâmica, da Cinética Química e da Mecânica dos Fluidos. Devido aos avanços da computação e das técnicas experimentais a compreensão da combustão melhorou nos últimos anos (Liñán e Williams, 1993).
O que distingue a combustão das outras reações químicas é a produção de calor e a emissão de luz. Mas a característica mais significativa é a associação direta que existe entre a produção de calor e os fluxos de combustível, oxidante e produtos de combustão.
	Devido à taxa de reação química ser função da temperatura, os processos de combustão, na maioria dos sistemas reativos, se auto-aceleram (Zel’dovich et al., 1985), sendo que a transformação química e a liberação de calor a ela associada ocorrem em escalas de tempo e de comprimentos pequenas, quando comparadas com as escalas características do escoamento. Em condições normais de ambiente, o combustível e o oxidante, necessitam de algum tipo de energia de ativação, ou seja, de alguma fonte de ignição (faísca) para começar a auto-aceleração da reação.
Uma das mais importantes características na combustão é a velocidade laminar de queima. Essa velocidade é a velocidade de propagação a que a chama se propaga relativamente e um gás não queimado. É necessária esta velocidade para desenvolver motores, onde a duração da combustão é diretamente relacionada com o quanto rápido a chama percorre o cilindro. A velocidade da chama também fornece uma medida do tempo necessária para completar as reações químicas, sendo assim muito útil para uma variedade de problemas tais como a taxa de queima em queimadores industriais ou em turbinas de gás. Finalmente, na propagação das chamas estão envolvidos incêndios e explosões acidentais e aqui é importante ter uma boa compreensão dos fenômenos físicos envolvidos.
	A complexidade do estudo da combustão aumenta quando esta é turbulenta, abrindo assim novos caminhos de investigação (Liñán e Williams, 1993). A turbulência é provocada pela aceleração do processo de combustão e da troca de calor, o que aumenta em muito a taxa de difusão de um escoamento (Silveira Neto, 2002). Do ponto de aplicações da engenharia, esta é talvez, a característica mais importante da turbulência. O que distingue um escoamento turbulento de um laminar é a rápida mistura dos elementos de fluido que é provocado pelo aumento da velocidade, caracterizado também pelo aumento da transferência de quantidade de movimento e de massa, na direção transversal do escoamento. As chamas laminares caracterizam-se por ter números de Reynolds inferiores a 2000 e estão presentes em queimadores muito pequenos. Como Reynolds mostrou a transição laminar - turbulento é caracterizada pelo número de Reynolds que depende também das condições de entrada e da rugosidade do tubo por onde passa o escoamento, bem como dos ruídos ou vibrações do ambiente as quais o tubo está sujeito.
 2. Características das Chamas
A chama é o produto de uma reação extremamente exotérmica. Em outras palavras, é a parte luminosa visível do fogo. A cor e a temperatura da chama dependem do tipo do combustível envolvido na combustão, como por exemplo, em uma vela. O calor da vela provoca a vaporização das moléculas de combustível, que neste caso é a cera, de forma a que elas reajam rapidamente com o oxigênio contido no ar, que retira suficiente calor da reação exotérmica para vaporizar mais combustível, alimentando desta forma à chama.
As altas temperaturas da chama, as moléculas do combustível vaporizadas formam vários produtos incompletos da combustão e radicais livres. Estes produtos reagem então com o oxidante que envolve a reação. Existe energia suficiente na chama para excitar os elétrons dos produtos que já sofreram a combustão, resultando assim na emissão de luz visível.
Outros oxidantes, além do oxigênio, podem ser usados para produzir uma chama. A queima do hidrogênio em clorine produz uma chama que emite ácido clorídrico (HCl) como produto da combustão. Outra de muitas combinações possíveis é a hidrazina e o tetróxido de nitrogênio, que é hypergolic, que geralmente é usado em motores de foguetes.
A menor parte das chamas é considerada parcialmente plasmas ou parcialmente gás ionizado, mas em termos gerais uma chama é uma região de reação química exotérmica com temperatura suficientemente alta para emitir luz visível.
Existem diferentes métodos de distribuição dos componentes necessários para haver a combustão de uma chama. Na chama de difusão, oxigênio e combustível difundem-se um no outro, de forma que a chama surge onde os dois componentes se encontram. Nas chamas pré-misturadas, o oxigênio e o combustível são misturados antes, resultando em um tipo diferente de chama. As chamas das velas (chamas difusas) operam através da evaporação do combustível, em regime laminar, misturando-se então com o oxigênio vizinho entrando assim em combustão.
Chamas difusivas tipo jato, visualmente são similares às chamas pré-misturadas, contudo, chamas de hidrocarbonetos sem pré-mistura geralmente são mais luminosas que as pré-misturadas, e usualmente apresentam um pouco de fuligem dentro da chama. A luminosidade na base da chama é bastante fraca, geralmente azul, caracterizando uma região livre de fuligem. Em altos níveis na chama, existem quantidades consideráveis de fuligem e a chama assume uma aparência amarela brilhante. Para combustíveis pouco propensos à fuligem, como por exemplo, o metano, o comprimento da região azul da chama é muito mais longo que o da parte luminosa da região que contém fuligem. (Turns, 1996).
2.1 Cor da chama
	A cor da chama depende de vários fatores. Nas chamas mais comuns, as de hidrocarbonetos, o fator mais importante que determina a cor é o oxigênio fornecido e a extensão da pré-mistura combustível-oxigênio, que determina a taxa de combustão, fazendo com que a chama obtenha diferentes temperaturas e caminhos de reação, produzindo diferentes cores.
	Em laboratório sob condições de gravidade normal e com a válvula de oxigênio fechada, um queimador de Bunsen queima com chama amarela, chamada de chama de segurança, que atinge cerca de 1000 ºC. Isto é devido à incandescência da cortina muito fina de fuligem que é produzida na chama. Com o aumento do fornecimento de oxigênio, a produção da radiação da fuligem do corpo negro é menor devido a uma maior combustão completa e a reação gera energia suficiente para excitar e ionizar as moléculas de gás da chama, fornecendo uma aparência azul. O espectro da chama de butano pré-misturado à direita, mostra-nos uma cor azul devido especificamente à emissão das moléculas dos radicais excitados na chama que emitem majoritariamente a sua luz abaixo ~565 nanômetros da região azul e verde do espectro visível. Diferentes tipos de queimadores de Bunsen dependem do fornecimento de oxigênio,como se pode ver na figura 2.1. 
À esquerda uma mistura rica de combustível com oxigênio não pré-misturado, produz uma chama difusa de fuligem amarela e na direita um chama pré-misturada rica em oxigênio não produz fuligem e a cor da chama é produzida por moléculas radicais de emissão de banda.
As temperaturas das chamas variam com a composição química. Para as chamas mais comuns, a chama de uma vela tem uma temperatura de cerca de 1400ºC e a chama de oxiacetileno tem uma temperatura de 3000ºC 
Geralmente a parte menos quente de uma chama difusa pode ser vermelha, com transição para laranja, amarela e branca a temperatura aumenta como é evidenciado pelas mudanças no espectro de radiação do corpo negro. Para uma dada região da chama, quanto mais perto da região branca nesta escala, mais quente será a sessão da chama. Uma chama com cor azulada aparece somente quando a quantidade de fuligem diminui e as emissões azuis das moléculas dos radicais excitados se tornam dominantes
Em gravidade zero a convecção não transporta os produtos quentes da combustão para longe da fonte de combustível, resultando uma frente de chama cônica como se pode ver na figura 2.2.
Recentes descobertas da NASA dizem que a gravidade tem influência indireta na formação e composição da chama. A distribuição mais comum de uma chama em condições de gravidade normal depende da convecção, de como a fuligem chega ao topo da chama fazendo com que a chama seja amarela. Em micro-gravidade ou gravidade zero, a convecção não ocorre e a chama começa a ser esférica, com a tendência de ficar mais azul e mais eficiente. Existem várias explicações possíveis para esta diferença. A explicação mais aceita é a hipótese que a temperatura é suficientemente bem distribuída de forma a que não se forme fuligem e que ocorra a combustão completa. Experimentos feitos pela NASA em micro-gravidade revelam que as chamas difusas em micro-gravidade permitem mais fuligem para serem completamente oxidadas depois de serem produzidas do que as chamas difusas na Terra. 
Uma das mais importantes características na combustão é a velocidade laminar de queima. Essa velocidade é a velocidade de propagação a que a chama se propaga relativamente e um gás não queimado. È necessário esta velocidade para desenvolver motores, onde a duração da combustão é diretamente relacionada com o quanto rápido a chama percorre o cilindro. A velocidade da chama também fornece uma medida do tempo necessária para completar as reações químicas, sendo assim muito útil para uma variedade de problemas tais como a taxa de queima em queimadores industriais ou em turbinas de gás. Finalmente, as propagações das chamas estão envolvidas em incêndios e explosões acidentais e aqui é importante ter uma boa compreensão dos fenômenos físicos envolvidos.
3. Tipos de Chamas
As chamas podem ser divididas em 4 grupos principais:
		- laminar, pré-misturada
		- laminar difusiva
		- turbulenta pré-misturada
		- turbulenta difusiva
Muitas aplicações em combustão envolvem o fornecimento de combustível e ar em correntes separadas. Embora a combustão ocorra somente onde o combustível e o ar se encontrem, o fornecimento das duas espécies separadamente é conveniente e seguro. As chamas onde o combustível e o oxidante estão inicialmente separados são chamadas de chamas não pré-misturadas e são largamente utilizadas na prática. Motores a diesel, turbinas a gás, a maioria dos queimadores industriais, e combustão de carvão são alguns dos exemplos. 
Um exemplo de uma chama laminar pré-misturada é conseguido pelo queimador de Bunsen. Laminar significa que a linha de corrente da chama é regular e não tem flutuações significativas. Pre-misturada significa que o combustível e o oxidante são misturados antes da zona da combustão. A maioria das chamas pré-misturadas é proveniente de sistemas de combustão de engenharia: caldeiras, fornalhas, etc. Em tais sistemas, o ar e o combustível são pré-misturados num queimador.
Uma chama laminar difusa laminar é conseguida através de uma vela. Neste tipo de chamas o efeito dominante é o da flutuação. O combustível vem do vapor da cera, enquanto o oxidante é o ar. As duas espécies não se misturam antes de serem introduzidas (por difusão) na zona da chama. O pico de temperatura que se pode encontrar em uma vela é cerca de 1673 K.
 Podemos ver se a chama é laminar se através de duas fotos consecutivas a chama apresentar uma imagem idêntica. Pode-se verificar que a chama é turbulenta se através de duas fotos consecutivas se verificarem uma grande diferença na configuração da chama. Neste tipo de chamas o efeito dominante é o convectivo. Se não existir nenhum dispositivo de mistura de combustível e de ar, então as chamas são difusas.
 
3. 1 Chamas laminares difusas
Na combustão uma chama difusa� é uma chama em que o oxidante se combina com o combustível por difusão. Como resultado, a velocidade da chama é limitada pela taxa de difusão. Nestas chamas os reagentes misturam-se pelo processo físico de difusão molecular. A frente de chama localiza-se onde a mistura é aproximadamente estequiométrica embora a zona de maior luminosidade (que é o que se costuma a considerar chama) esteja localizada em uma zona ligeiramente rica em relação a da frente de chama.
A análise de chamas sem pré-mistura inicia-se com os de trabalhos Burke e Schumann (1928) que consideraram a reação com sendo de passo único, irreversível e infinitamente rápida indicando que o combustível e o oxidante não poderiam coexistir a menos de uma, matematicamente definida, camada de chama fina.
As chamas difusas queimam lentamente e produzem mais fuligem do que as chamas pré-misturadas porque não existe oxidante suficiente para haver reação completa. A fuligem tipicamente produzida numa chama difusa começa a ser incandescente a partir do calor da chama fazendo com que esta fique com uma cor alaranjada ou amarelada. Nas chamas difusas a frente da chama é mais difícil de ser localizada.. Exemplos de chamas de difusão são: “flares” de poços de petróleo, velas, queima de gotas e sprays, queima de vapores de combustível, camadas cisalhantes reativas, interações entre vórtices de chamas, chamas de contrafluxo e outras (Costa, 2004). Na chama de uma vela é a cor amarela é devida à grande quantidade de partículas de fuligem incandescentes na reação incompleta da combustão da chama.
As chamas de difusão são também estudadas em queimadores de contra-fluxo. O seu interesse é devido à sua aplicabilidade no modelo de chama turbulento. Adicionalmente estas chamas fornecem um caminho conveniente para estudar strain flames e edge flames, caracterizadas pela extinção local no seu eixo devido a elevadas taxas de tensão na vizinhança do ponto de estagnação.
	As chamas de difusão laminares ocorrem quando para além do ar e do combustível se encontrarem separadamente, o numero de Reynolds do fluxo for suficientemente baixo para não permitir o aparecimento de turbulência. Os exemplos de tais chamas incluem fugas de gás de muito pequeno diâmetro, chamas ao redor de gotas, a chama de uma vela e queimadores de (mecha) chama. Na maioria dos casos, a combustão é controlada pelo misturador por difusão dos reagentes, que podem ser decifrados através do campo de fração de mistura. As reações químicas são muito rápidas quando comparadas com a velocidade de mistura de modo que a mistura esteja em estado de reação completa. Esta forma conceitual de descrever o processo de combustão em termos da mistura (medido pela fração e mistura) e do estado de reação (em alguns casos incompleto) é um conceito muito útil para compreender a combustão não pré-misturada, seja ela laminar ou turbulenta. Dado que em muitos casos é a mistura que controla o processo, a informação obtida sobre a mistura, ainda em fluxos não reativos, é muito útil para o estudo da combustão. O caso mais comum destas chamasé a chama de gás de frente redonda em ar a muito baixa velocidade. Se o caudal de ar que arredonda a chama é suficiente para a combustão, forma-se uma chama fina tipo pincel de artista. Se o caudal e ar não é suficiente, (chama subventilada em um duto) a forma da chama é em tulipa.
Burke e Schumann estabeleceram em 1928 um modelo de chama sem pré-mistura baseado na suposição de que o tempo característico químico para a reação é muito menor que o tempo necessário para reagir e provocar o aparecimento da chama (tempo de mistura), o que implica uma cinética muito rápida e uma espessura de chama muito fina. 
Diferente das chamas pré-misturadas, as chamas difusivas não possuem uma velocidade de queima. O interesse está na sua estrutura interna, nas suas taxas de energia liberada, nas taxas de transporte de combustível e do oxidante na região cisalhante (taxa de queima) e nas condições necessárias para sua existência e extinção (Liñán e Williams, 1993). As taxas de transporte de combustível-oxidante acontecem de modo que os reagentes se difundem das regiões de alta concentração para a região da chama, onde desaparecem devido às reações, diminuindo assim suas concentrações, enquanto que os produtos difundem-se para fora e para dentro da chama onde possuem baixa concentração.
A queima em chamas sem pré-mistura é um fenômeno de combustão controlado por difusão, escoamento e outros processos físicos da mistura. Gradientes de espécies e de temperatura aparecem na distribuição espacial causando condução de calor e difusão de espécies para regiões de temperatura e concentrações mais baixas. (Liñán e Williams, 1993)
Uma chama de difusão de um jacto de gás, é similar a um queimador de Bunsen, onde um combustível gasoso (exemplo, propano) escoa desde um bocal em um recipiente que contem ar. A diferença é que o queimador de Bunsen permite parcialmente uma pré-mistura do combustível e do ar, enquanto em um jacto de gás, a chama difusa não é pré-misturada, sendo o ar ambiente por difusão o oxidante da chama. Os jactos de gás de chama de difusão são também usados em estudos de combustão porque eles incluem mecanismos de operação em incêndios e em sistemas de combustão.
O gráfico mostra que a altura da chama observada, para chamas em gravidade normal e micro-gravidade. É uma função do numero de Reynolds da injeção do combustível (que é relacionado com a taxa de escoamento em um bocal com dado tamanho). Quando o numero de Reynolds é menor que 2000, a chama tem características laminares e o comprimento aumenta com o aumento do numero de Reynolds. Devido a não existência de flutuação de convecção, que aumenta a combustão na gravidade normal, as chamas em micro-gravidade são maiores. 
Com o numero de Reynolds entre 2000 e 3000, as chamas estão em regime transiente. Em gravidade normal, este processo é caracterizado pela diminuição da altura da chama e pelo aparecimento da instabilidade (distúrbios da chama) que é constatada primeiramente na ponta da chama, e como conseqüência do aumento do número de Reynolds, a instabilidade aparecerá mais em abaixo. Em micro-gravidade, o comprimento da chama continua a aumentar, mas a uma taxa mais baixa do que em regime laminar. Em contraste com a gravidade normal, as perturbações da chama em micro-gravidade são primeiramente observadas perto da base da chama, ao contrario da gravidade normal que é na ponta da chama. É de notar que a instabilidade da chama aumenta primeiramente em localizações com grandes gradientes de velocidade. 
Com o número de Reynolds� maior do que 3000, as condições de turbulência prevalecem. Na gravidade normal, no regime turbulento, a altura da chama permanece constante com o numero de Reynolds perto da expansão (blowoff) da chama. Esta característica é explicada através do balanço entre os processos de transporte turbulento e o momentum do jacto. Entretanto, em micro-gravidade, a altura da chama continua a aumentar com o numero de Reynolds, indicando que neste caso o momentum do jacto domina o transporte turbulento. Contudo, as chamas turbulentas na combustão turbulenta, que promovem a mistura combustivel-ar, ainda não estão bem compreendidas porque a sua natureza aleatória e transiente complica a sua analise. Estudos da turbulência em gravidade normal das chamas de difusão de jactos de gás podem ser impedidos pela instabilidade da flutuação, o que leva aos estudos das mesmas em micro-gravidade.
3.2 Chama Pré-Misturada
Uma chama pré-misturada é uma chama em que o oxidante foi misturado no combustível antes do combustível chegar à frente de chama. Se a mistura é rica, a difusão da chama será geralmente ascendente. Este procedimento cria uma frente de chama fina, onde os reagentes são facilmente encontrados. 
	Se o escoamento da mistura combustivel-oxidante for laminar, a velocidade da chama pré-misturada é dominada pela química. Se a taxa de escoamento está abaixo da velocidade da chama, a chama se moverá em corrente ascendente até que o combustível seja consumido. Se a taxa de escoamento é igual à velocidade da chama, é de se esperar uma frente de chama estacionaria plana normal à direção do escoamento. Se a taxa de escoamento é superior à velocidade da chama, a frente de chama terá forma cônica tal que o componente normal do vetor da velocidade da frente de chama seja igual à velocidade da chama. Como resultado, hoje em dia, a maioria da frente de chama pre-misturada são grosseiramente cônicas. 
4. Queimadores
A função do queimador é de fazer com que o combustível e o oxidante fiquem em contato tempo suficiente e à temperatura necessária para ocorrer e completar a reação de combustão. 
Uma vez que a maioria das reações de combustão acontece na fase gasosa, o contato eficiente depende do tempo, da temperatura e da turbulência. Em geral os queimadores não podem ser considerados isolados do forno, pois a vizinhança vai ter um efeito sobre a quantidade de calor perdida pela chama, e como conseqüência sobre a sua temperatura, sobre o tempo em que os gases da chama são mantidos na zona de combustão e, sobre a recirculação do gás. 
Um exemplo da perda de calor é quando o forno é ligado a frio, estando às paredes da sua câmara de combustão frias. Assim sendo, a chama irá perder rapidamente calor, reduzindo a sua temperatura de tal forma que a queima possa terminar antes que se complete. Outro resultado de uma câmara de combustão fria é o provável alongamento da chama por causa das reações químicas mais lentas em temperatura reduzida. 
Do mesmo modo, paredes refratárias quentes vão irradiar o calor de volta para a chama, aumentando sua temperatura e a intensidade de combustão, dando uma chama menor e mais intensa. De maneira semelhante, se o calor é irradiado para a base da chama ele vai reduzir a zona de pré-aquecimento, novamente aumentando a intensidade da combustão.
Quanto à turbulência, no inicio esta pode ser gerada pelo queimador, e o seu desenvolvimento pode ser alterado pela proximidade das paredes da câmara. A turbulência para além de fazer uma boa mistura do combustível e do oxidante ela tem o efeito de fazer com que os gases quentes e os intermediários da combustão retornem para a zona de ignição, com a conseqüente redução no tempo de ignição.
 A forma com que o ar secundário é introduzido também pode afetar a forma, intensidade e a estabilidade da chama. Se o ar secundário é adicionado com alta turbulência, isto aumentará a turbulência dando uma chama menor e mais intensa e ignição mais estável. Se o ar secundário é adicionado rápido demais a uma chama que queima devagar, ele pode ter um efeito de esfriamento brusco, e para precaver tal ocorrência o ar secundário é normalmente adicionado em etapas. Se ar secundário for adicionado em excesso pode ter um efeito de esfriamento em qualquer chama e da mesma forma, pode-se reduzir este efeito se for usado ar secundário quente. 
Os gases utilizados nos queimadores podem ser classificadosem termos de velocidade da chama e do índice de Wobbe� para propósitos de projeto do queimador. O índice de Wobbe é uma medida de energia do gás que passa através de um determinado orifício com uma determinada queda de pressão. Os gases combustíveis são frequentemente divididos em três grupos: 
 Tabela 4.1 - Grupos de índice de Wobbe
	Grupo Índice de Wobbe (MJ/m3)
	Velocidade de chama A/C (vol.)
	Exemplo
	24,4 - 28,8
	alta
	Gás de Rua
	48,2 - 53,2
	baixa
	Gás Natural
	72,6 - 87,6
	baixa
	GLP
Num queimador de chama de difusão o gás sai do bico para a zona de combustão com velocidade suficiente para arrastar dos arredores seu ar de combustão para obter uma chama com intensidade pretendida. 
Quando os gases do grupo 2 ou 3 são utilizados num queimador de difusão, a tendência é a chama se apagar na saída antes que ela possa arrastar uma quantidade útil de ar. Neste caso, utilizam-se então estabilizadores de chama na forma de jatos piloto que fornecem calor e espécies ativas para a base da chama, ou na forma de promotores de recirculação que fornecem calor e intermediários de cadeia para a base da chama principal, o que permite que a estabilidade da chama seja mantida com valores úteis de fluxo de gás.
As chamas difusoras são usadas em queimadores pequenos porque elas são estáveis, silenciosas, tem boa faixa de controle e não requerem um ajuste de entrada de ar e de gás. 
5. GLP
O combustível utilizado na experiência foi o GLP. As siglas GLP significam Gás de Petróleo Liquefeito e é obtido a partir da destilação do petróleo. O petróleo é constituído, basicamente, por hidrocarbonetos, que são compostos químicos formados por átomos de carbono e hidrogênio. O GLP é uma mistura de dois hidrocarbonetos específicos, o propano e o butano. Com a destilação do petróleo obtêm-se os óleos combustíveis, a gasolina, o querosene, o diesel, a nafta e, finalmente, o gás liquefeito de petróleo. Como se pode ver pelo esquema seguinte o GLP é o último dos produtos que se obtém da refinação do petróleo. 
 
 
Dos produtos obtidos no processo de refinação do petróleo o GLP é o que apresenta a menor massa volumétrica kg/m3. O GLP apresenta um elevado poder calorífico superior que em média é de 28.000 kcal/m³ (base unidade de volume) ou 11.920 kcal/kg (base unidade de massa). 
O GLP em condições normais de temperatura e pressão está em estado gasoso, mas torna-se líquido quando submetido a pressões relativamente baixas ou quando resfriado. Quando o gás está contido num recipiente ele encontra-se em duas fases, em liquido e em vapor. Do volume total do recipiente, 85% - no máximo - é de gás em fase líquida, e 15% - no mínimo - em fase de vapor. Isso constitui um espaço de segurança que evita uma pressão elevada dentro do recipiente. 
Como combustível para motores de combustão interna, é utilizado no estado gasoso permitindo assim uma excelente homogeneização com o comburente (oxigênio) e, consequentemente, uma melhor combustão, sem grande agressão para o meio ambiente, pois esta liberta para a atmosfera dióxido de carbono (C02), água (H20) e uma pequena percentagem de monóxido de carbono (CO).
6. Objetivos
O objetivo deste trabalho consiste através de experimentação, medir a altura da chama laminar difusa para seção de bocal de saída circular, quadrada e retangular. O procedimento posterior calcular a vazão de saída através das expressões de correlação de Roper para cada bocal de saída. Em conseqüência verificar a velocidade da chama e fazer uma comparação entre as várias seções.
7. Procedimento Experimental
Uma mangueira é ligada à saída de uma botija de combustível. O combustível utilizado neste trabalho foi o GLP que é constituído pela mistura de butano e propano. Essa mangueira é introduzida na seção em estudo até próximo da saída da seção. Através da faísca de um isqueiro tem-se a energia de ativação necessária para se obter uma chama. A regulação do caudal de saída do combustível permite obter chama laminar e turbulenta que depende da menor ou a maior abertura da válvula de saída do combustível.
	Para medir o comprimento da chama, uma escala é efetuada nos perfis. Por meio de fotos, é efetuada a comparação entre a escala previamente marcada e a altura da chama, que é calculada por meio do número de pixeis correspondentes às duas medidas.
8. Procedimento de Cálculo
	O procedimento de cálculo é baseado na aplicação das correlações de Roper� com o intuito de se calcular a vazão volumétrica para cada secção de saída do bocal. Através do caudal volumétrica determina-se o caudal mássico com o conhecimento da massa volumétrica do combustível em determinadas condições de pressão e de temperatura e a velocidade de saída do combustível com o conhecimento da área de saída. Com os valores calculados o intuito é fazer uma análise que permita relacionar o caudal de saída com a velocidade de saída do combustível e com o comprimento da chama. 
Tabela 8.1 Valores recolhidos na Experiência
	
	
	Secção
	
	
	Circular
	Quadrada
	Retangular
	
	Dimensões
	D=7,5mm
	L=22,5 mm
	h= 47mm ; b=22,5 mm
	
[cm]
	Vazão Baixa
	3,33
	2,14
	2,13
	
	Vazão Média
	6,93
	5,29
	7,07
Constantes 
 
8.1 Secção Circular
 Correlação de Roper 
(4)
- comprimento da chama [m]
- vazão volumica [m3]
 - temperatura ambiente [K]
- temperatura do combustível [K]
- temperatura do combustível [K]
- fração molar estequiométrica oxidante-combustivel
GLP – 50% Butano + 50% Propano
0,5 C4H10 + 0,5 C3H8 + a (O2 + 3,76 N2) → .......
 8.1.1 Vazão baixa 
Aplicando (4) calculamos o caudal de combustível 
Aplicando (1) obtemos 
	Calculando a área da secção reta do perfil circular, podemos obter a velocidade de saída do combustível aplicando (2)
	
	
	Re= 25,6 → Laminar
8.2.1 Vazão Média
Aplicando (4) calculamos o caudal de combustível
 
Aplicando (1) obtemos 
 Calculando a área da secção reta do perfil circular, podemos obter a velocidade de saída do combustível aplicando (2)
	
	
	Re= 53,3 → Laminar
8.2 Secção Quadrada 
 Correlação de Roper 
(5)
- comprimento da chama [m]
- vazão volumica [m3]
 - temperatura ambiente [K]
- temperatura do combustível [K]
- fração molar estequiométrica oxidante-combustivel
- função inversa do erro
	
8.2.1 Vazão baixa
	Conforme calculado anteriormente:
		
	Através da tabela 9.4 da referência bibliográfica [4] obtém-se:
	
	Para calcular 
 foi necessário ajustar aos pontos da tabela 9.4 da referencia bibliográfica [4] um polinômio do 3º grau, como mostra o gráfico seguinte.
	Aplicando a equação do polinômio obteve-se 
 		
	Aplicando a equação (5), calcula-se a vazão de combustível
		
 Aplicando (1) obtemos 
	Calculando a área da secção reta do perfil quadrado, podemos obter a velocidade de saída do combustível aplicando (2)
		
		
	Para calcular o numero de Reynolds para a secção quadrada é necessário calcular o diâmetro hidráulico:
		
 
		A[m2] - área
		P[m] - perímetro
	Assim sendo 
 o que implica que o número de Reynolds é:
		Re= 4,3 → Laminar
8.2.2 Vazão Média
Aplicando a equação (5), calcula-se a vazão de combustível:
	
 Aplicando (1) obtemos 
	Calculando a área da secção reta do perfil quadrado, podemos obter a velocidade de saída do combustível aplicando (2)
	
	
	Como o diâmetro hidráulico já foi calculado podemos calcular o número de Reynolds através de (3): Re= 10,14 → Laminar
8.3 Secção Retangular
 
Correlação de Roper 
	 (6)
- comprimento da chama [m]
- vazão volumica [m3]
 - temperatura ambiente [ºC] ou [K]
- temperatura do combustível[ºC] ou [K]
- temperatura do combustível [ºC] ou [K]
- fração molar estequiométrica oxidante-combustivel
- largura da secção retangular
- altura da secção retangular
- razão do momentum do escoamento inicial atual a parir da saída até ao escoamento uniforme (será 1 se o escoamento é uniforme, ou, 1,5 se o escoamento é completamente desenvolvido e com perfil de velocidade de saída hiperbólico)
 
 
	Para calcular 
 foi necessário ajustar aos pontos da tabela 9.4 da referencia bibliográfica [4] um polinômio do 3º grau da mesma forma que se fez para a secção quadrada. Assim através da equação do polinômio obteve-se:
	 
Procedimento do calculo de 
Para fins de calculo envolvendo balanços entre reagentes e produtos, pode-se considerar o ar como tendo 21% em volume de oxigênio e 79% de nitrogênio. Assim, as frações molares do oxigênio e do nitrogênio no ar são XO2,Ar= 0,21 e XN2=0,79. Assim sendo, o ar tem 79/21=3,76 moleculas de nitrogênio em cada molécula de oxigênio.
Calculamos de seguida a fração mássica do ar com o intuito de calcular o peso molecular do ar.
	
	
	
O calculo do peso molecular do GLP é feito seguindo os mesmos conceitos.
		
		
		
	
Com os pesos moleculares calculados calculamos a razão ar-combustivel estequiométrica:
	
 , que corresponde a 
=0,0606.
8.3.1Vazão baixa
Através da equação (6) calculamos
Aplicando (1) obtemos 
 Calculando a área da secção reta do perfil retangular, podemos obter a velocidade de saída do combustível aplicando (2)
		
		
	Para calcular o número de Reynolds para a secção retangular é necessário calcular o diâmetro hidráulico:
		
 
		A[m2] - área
		P[m] - perímetro
	Assim sendo 
 o que implica que o número de Reynolds é 0,04 que indica que o regime é laminar.
8.3.2 Vazão Média
Através da equação (6) calculamos
Aplicando (1) obtemos 
 Calculando a área da secção reta do perfil retangular, podemos obter a velocidade de saída do combustível aplicando (2)
	Com o diâmetro hidráulico calculado anteriormente obtém-se um Reynolds de 0,14 confirmando que o escoamento é laminar.
8.4 Vazão alta 
Durante o experimento verificou-se que com o aumento da vazão de combustível as chamas passavam do regime laminar para o regime turbulento como se pode verificar pelas figuras seguintes.
9. Conclusões
	De acordo com a tabela 9.1 observa-se que comprimento aumenta com a velocidade do jacto passando de uma chama pequena e grossa para uma chama esbelta, tipo pincel5, tal como se pode ver nas figuras do capitulo 8 . O aumento da velocidade proporciona um aumento do numero de Reynolds, o que vai traduzir num aumento de vazão. Nesta analogia, pode-se dizer que com o aumento da velocidade a chama passa de regime laminar para o turbulento. 	
Tabela 9.1: Resumo dos resultados 
	
	Secção Circular
	Secção Quadrada
	Secção Retangular
	Chama
	Baixa
	Media
	Baixa
	Media
	Baixa
	Media
	
[cm]
	3,33
	6,93
	2,14
	5,29
	2,13
	7,07
	QF [cm3/s]
	0,898
	1,870
	0,578
	1,428
	
	
	
[kg/s]
	
	
	
	
	
	
	A [mm2]
	44,2
	506,3
	1057,5
	v [cm/s]
	2,03
	4,23
	0,144
	0,282
	
	
	Re
	25,6
	53,3
	4,3
	10,6
	0,04
	0,14
Durante a experiência verificou-se que quanto maior foi a secção de saída, maior foi a dificuldade de se obter uma chama laminar devido ao maior contacto imediato com o ar (oxidante), o que provocando um aumento na velocidade da reação, isto é, um aumento no processo de combustão. Com base da explicação dada, e com os resultados obtidos, pode-se dizer que quanto maior for a área de saída, menor será o comprimento da chama.
	Através das correlações de Roper pode-se verificar que para uma mesma vazão o comprimento da chama depende da estequiometria e não do fluxo (não levando em consideração os efeitos da temperatura e da flutuação)5.
�
10. Bibliografia
Fig. 8.4.2- Chama Turbulenta no bocal circular
�
 Fig. 3.1- Representaçao da chamas laminares e turbulentas em funçao da altura e da velocidade
Fig. 2.2- Frente de chama cônica em micro-gravidade
�
 Fig. 2.1 - Chamas - Diferentes tipos de chama dependendo da disponibilidade de oxidante. Da esquerda para direita de sem pré-mistura até pré-misturada.
 Chamas - Diferentes tipos de chama dependendo da disponibilidade de oxidante. Da esquerda para direita de sem pré-mistura até pré-misturada.
� HYPERLINK "http://www.answers.com/main/Record2?a=NR&url=http%3A%2F%2Fcommons.wikimedia.org%2Fwiki%2FImage%3ACandlespace.jpg" \t "GuruWnd" �� INCLUDEPICTURE "http://content.answers.com/main/content/wp/en-commons/thumb/e/ee/180px-Candlespace.jpg" \* MERGEFORMATINET ����
� INCLUDEPICTURE "http://www.grc.nasa.gov/WWW/RT1995/images/6711s.gif" \* MERGEFORMATINET ���Fig. 3.1.3- Esquerda: Esquema da estrutura de uma chama de difusão de um jacto de gás. Direita: Medida da altura da chama como uma função do numero de Reynolds para chamas propano-ar em microgravidade e gravidade normal.
Fig. 3.1.2- Vela:Chama Difusa 
� HYPERLINK "http://www.answers.com/topic/gas-stove-blue-flame-jpg" \t "_top" �� INCLUDEPICTURE "http://content.answers.com/main/content/wp/en/thumb/9/93/350px-Gas_stove_blue_flame.jpg" \* MERGEFORMATINET ����
Fig. 3.2.1- Chamas de formato cônico pré-misturas de um fogão a gás
� INCLUDEPICTURE "http://content.answers.com/main/content/wp/en/thumb/0/0a/180px-Candleburning.jpg" \* MERGEFORMATINET ���
� 
 Fig. 3.1.1- Localização da região de estequiometria de uma chama
�
Formulário
(1)� EMBED Equation.3 ��� 
(2)� EMBED Equation.3 ���
(3)� EMBED Equation.3 ��� 
� INCLUDEPICTURE "http://www.minasgas.com.br/img/f_glp_oque.jpg" \* MERGEFORMATINET ���
Fig. 5.1- Derivados da destilação do petróleo
� INCLUDEPICTURE "http://www.supergasbras.com.br/img/formula.jpg" \* MERGEFORMATINET ������ INCLUDEPICTURE "http://www.supergasbras.com.br/img/formula2.jpg" \* MERGEFORMATINET ���
 Fig. 5.2 -Composição Química do Propano e Butano
�
Fig. 8.4.1- Chama Turbulenta no bocal circular
�
Fig. 8.4.3- Chama Turbulenta no bocal circular
Fig. 8.1.1.1 – Chama com vazão baixa com bocal circular
Fig. 8.2.1.1 – Chama com vazão baixa com bocal quadrado
Fig. 8.1.2.1 – Chama com vazão média com bocal circular
Fig. 8.1.2.1 – Chama com vazão média com bocal quadrado
Fig. 8.3.2.1 – Chama com vazão média com bocal quadrado
Fig. 8.3.1.1 – Chama com vazão média com bocal retangular
Fig. 7.1 – Colocação da escala no perfil retangular
�Fig. 7.2 - Equipamentos do experimento
� 
 Fig. 3.1.3 – Forma das chamas de difusão
�
Fig. 8.2.1.2 – Ajuste dos pontos da Tab 9.4 da referencia bibliográfica [4]
� MARTINS, Cristiane. Chamas sem pré-mistura. ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica, 2007. <www.redenacionaldecombustao.org/arquivos/mesa_modelagem/CristianeMartins.pdf>. Acesso em 18 de junho de 2007.
� KRULL, R. P. Efeitos do Número de Reynolds E da Razão de Equivalência Na Emissão de Nox Em Chama Difusa Turbulenta. Ministério de Ciência e Tecnologia/MCT-Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais. INPE-14408-TDI/1128. Dissertação de Mestrado. São José dos Campos, 2006.
� BIZZO, Waldir A. Geração, Distribuição e Utilização de Vapor, cap. 3 – QUEIMADORES. Pág. 41-65. Universidade Estadual de Campinas. Disponível em <www.fem.unicamp.br/~em672/GERVAP3.. > Acesso em 18 de junho de 2007.
� TURNS, S. R. An Introduction to Combustion. 2ª edição. McGraw Hill International Editions, 2000.
5 BRIZUELA, ROMANO, La Combustión1ª Parte, Departamento de Ingeniería Mecánica y NavalFacultad de Ingeniería, UBA, Año 2003
_1244548759.unknown
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