Desenvolvimento de um sistema compacto de combustão sem chama visível utilizando um injetor blurry para queima de biocombustíveis

• Main Author: Claudia Gonçalves de Azevedo
• Other Authors: Fernando de Souza Costa
• Language: Portuguese
• Published: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) 2013
• Online Access: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m19/2013/10.08.13.33

As incertezas no fornecimento do petróleo e as preocupações ambientais motivam o desenvolvimento de novas tecnologias de combustão empregando biocombustíveis, capazes de operar com elevada eficiência térmica, baixo custo operacional e com reduzido impacto ambiental. A combustão sem chama visível é uma tecnologia bastante promissora que possibilita a redução das emissões de poluentes com uma alta eficiência de combustão. O presente trabalho tem como objetivo desenvolver um sistema compacto de combustão sem chama visível para a queima de biocombustíveis líquidos, utilizando-se um injetor do tipo blurry. Esse tipo de injetor permite obter um spray relativamente uniforme de gotas de tamanho reduzido, e forma um ângulo de cone estreito, favorecendo a operação do combustor sem chama visível. Inicialmente, foram caracterizados injetores blurry com diferentes geometrias de bocal usando-se água destilada, etanol hidratado e biodiesel de soja B100. Foram determinados diversos parâmetros dos injetores, incluindo coeficientes de descarga, diâmetros representativos das gotas, distribuições de diâmetros de gotas e ângulos de cone do spray. Foram obtidas também expressões para a predição do tamanho médio das gotas com os diferentes injetores testados. Em seguida foi projetado, construído e caracterizado um sistema compacto de combustão sem chama visível para a queima de etanol hidratado, 96\% em volume. A caracterização experimental do combustor foi realizada através da determinação dos perfis de temperatura na câmara de combustão, por meio de termopares e câmera termográfica, e da análise da composição dos gases de combustão (UHC, $CO_{2}$, $O_{2}$, $NO_{x}$ e CO), para diversos coeficientes de excesso de ar. Verificou-se que o sistema de combustão foi capaz de operar no regime de combustão sem chama visível para coeficientes de ar entre 1,65 e 2,45, a uma potência térmica de 2 kW, e para coeficientes de excesso de ar de 1,21 a 1,80, a uma potência térmica de 4 kW. A temperatura de entrada do ar de combustão ficou em torno de $412^{°}$C para a potência de 2 kW e $530^{°}$C para a potência de 4 kW. Os perfis de temperatura obtidos foram relativamente homogêneos no interior da câmara e as emissões produzidas foram extremamente baixas para todas as condições de operação estudadas. Para a potência de 2 kW, foram obtidas temperaturas médias da ordem de $835^{°}$C, com emissões de $NO_{x}$ entre 2,5 e 3 ppm e emissões de UHC entre 0,78 e 0,91 ppm. Para a potência de 4 kW, foram obtidas temperaturas médias da ordem de $920^{°}$C, com emissões de $NO_{x}$ entre 1,98 e 2,16 ppm e emissões de UHC entre 1,53 e 2,25 ppm. === The uncertainties in oil supply and environmental concerns motivate the development of new combustion technologies using biofuels, capable of operating with high thermal efficiency, low operational cost and reduced environmental impact. Flameless combustion is a promising technology that allows the reduction of pollutant emissions with high combustion efficiency. The present work aims to develop a compact system of flameless combustion for burning liquid biofuel, using a blurry injector. The blurry injector can generate a relatively uniform spray with small droplets and forms a narrow cone angle, favoring the operation of the flameless combustor. Initially, were characterized blurry injectors with different nozzle geometries using distilled water, hydrous ethanol and soybean biodiesel B100. Were determined several parameters of the injectors, including discharge coefficients, representative droplet diameters, distributions of droplet diameters and spray cone angles. Also were obtained expressions for the prediction of the average droplet diameters with different injectors tested. Subsequently was projected, built and characterized a compact flameless combustion system for burning hydrous ethanol, 96\% by volume. The experimental characterization of the combustor was performed by determination of temperature profile in the combustion chamber, by thermocouples and thermographic camera, and analyzing flue-gas composition (UHC, $CO_{2}$, $O_{2}$, $NO_{x}$ and CO) for several air excess coefficients. It was verified that the combustion system was capable of operating in the flameless combustion regime for excess air coefficients between 1.65 and 2.45 at a thermal power of 2 kW, and for excess air coefficient of 1.21 to 1.80 at a thermal power of 4 kW. The inlet air combustion temperature was about $412^{°}$C for the power of 2 kW and $530^{°}$C for the power of 4 kW. The temperature profiles obtained were relatively homogeneous inside the chamber and the produced emissions were extremely low for all studied operational conditions. For the power of 2 kW, were obtained average temperatures of the order of $830^{°}$C, with $NO_{x}$ emissions between 2.5 and 3 ppm and UHC emissions between 0.78 and 0.91 ppm. For the power of 4 kW, were obtained average temperatures of the order of $920^{°}$C, with $NO_{x}$ emissions between 1.98 and 2.16 ppm and UHC emissions between1.53 and 2.25 ppm.