Descrição

Segundo o Balanço Energético Nacional de 2019 [2], 54,7% da oferta interna de energia no Brasil corresponde a fontes não renováveis, onde desse total 34,4% são de fontes oriundas de petróleo e derivados, 12,5% oriundos de gás natural e 5,8% derivados de carvão mineral. Parte dessas fontes possui grande potencial para ser utlizada para geração de energia através da combustão em fornos, queimadores industriais e de cocção.

Tradicionalmente, queimadores podem operar com chamas pré-misturadas onde o combustível e o oxidante se misturam a nível molecular antes de entrarem na zona de reação e/ou com chamas não pré-misturadas (ou chamas difusivas) em que o combustível e oxidante se encontram apenas na zona de reação. Já a chama de um bico de Bunsen opera no que é chamado de chama dupla. Esta configuração dá origem a uma chama em que um cone interno, rico em combustível, é formado pelo escoamento pré-misturado. Nas bordas da chama, um cone externo formado quando o CO e H, produtos do cone interno, encontram o ar ambiente e formam o segundo cone de chama.

Queimadores porosos

Em meados dos anos 90, uma nova tecnologia foi desenvolvida com a inserção de um meio poroso inerte na zona de reação, o que possibilitou uma melhoria do processo de combustão com a recirculação de calor da chama para os gases reagentes. Esses equipamentos são chamados de queimadores porosos. Tais queimadores conseguem obter temperaturas internas acima da temperatura adiabática de chama aumentando a eficiência de troca de calor por radiação, e ainda facilitam a quebra das partículas poluentes reduzindo as emissões de NOx, CO₂ e entre outras espécies químicas. Na Figura abaixo são mostrados exemplos de processos de obtensão desta configuração.

A inserção do meio poroso faz com que a chama sofra um processo de estiramento ao longo do queimador, aumentando a região de alta temperatura. Assim, esse método é capaz de operar com baixas razões de equivalência e potência, possibilitando equipamentos com eficiência mais alta, altas taxas de transferência de calor por radiação e baixo nível de emissões de poluentes. O queimador poroso ainda é capaz de reformular combustíveis por meio de técnicas como oxidação parcial e/ou a reforma a vapor as quais são comumente utilizadas para a reforma de hidrogênio a partir de hidrocarbonetos mais pesados.

Linhas de Pesquisa

O LabCET realiza pesquisas voltadas a fornos, queimadores industriais e de cocção. Os trabalhos são focados na análise da formação e transição de chamas até as condições que levam a sua estabilização. Assim, no laboratório são abordados tópicos relacionados a geometria e escoamento em bicos injetores a gás, além de estudos relacionados a  campos de temperatura e concentração da mistura reagente na saída do orificio de queimadores bem como a estrutura da chama. O controle e otimização destas variáveis são fundamentais para que o melhor desempenho do queimador seja atingido de acordo com a potência requerida da máquina. Além disso, são feitas análises sobre o efeito de lift-off e de retorno de chama os quais são importantes para segurança e estabilidade da combustão em fornos.

O LabCET em parceria com o laboratório de combustão da UDESC desenvolve pesquisas com queimadores porosos para medição de velocidade de chama laminar adiabática, conhecidos como queimadores McKenna, mostrado na Figura abaixo. Esta configuração de experimento possui algumas vantagens em relação a outros métodos na análise de chamas pré-misturadas, pois proporciona a estabilização de uma chama plana livre dos efeitos de estiramento e instabilidades intrínsecas presentes na combustão. O experimento opera com o controle da vazão da mistura ar-combustível até uma condição em que a chama mantenha-se plana e estável. A medição da velocidade de chama é feita por um método de extrapolação dos dados da velocidade dos gases não queimados que entram na chama e o calor perdido da chama para um sistema de resfriamento contendo água. Mais detalhes do método pode ser encontrado em [3].

Referências

[1] The Combustion institute: www.instagram.com/combustion_intl
[2] Balanço Energético Nacional 2019.
[3] Roberto Wolf Francisco and Amir Antônio Martins Oliveira. Simultaneous measurement of the adiabatic flame velocity and overall activation energy using a flat flame burner and a flame asymptotic model. Experimental Thermal and Fluid Science, 2018.

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INFORMAÇÕES ADICIONAIS

Parcerias: Atlas Eletrodomésticos,  Laboratório de Materiais Vitrocerâmicos – VITROCER

Equipe:
Prof. Amir A. M. Oliveira, PhD. (Coordenador)
Randhy Marcio Azevedo dos Santos, Eng. (pós-graduação)
Gabriel Trescher da Silva (graduação)

Contato: randhy@labcet.ufsc.br