Laboratório CVR
Reator de Volume Constante (Constant Volume Reactor – CVR)
Descrição
O reator de volume constante (CVR, do inglês constant volume reactor) tem como objetivo principal medir uma das propriedades fundamentais na combustão, chamada de velocidade de chama laminar. A velocidade de chama laminar (em inglês, the laminar flame speed) corresponde à velocidade na qual uma chama laminar plana se propaga sobre uma mistura estacionária de um combustível e um oxidante em fase gasosa. O combustível e o oxidante estão molecularmente misturados antes da chama. Então, diz-se que eles estão pré-misturados. Por mistura estacionária, entende-se que não há campo de velocidade movendo a mistura ainda não queimada. Finalmente, o combustível e o oxidante estão ambos em fase gasosa, ou seja, no caso de um combustível que seja líquido na pressão e temperatura ambiente, é necessário que este combustível seja completamente evaporado nas condições no interior do reator. A velocidade de chama laminar é uma característica importante na combustão em motores a combustão interna, turbinas a gás, incêndios e explosões.
O CVR do LabCET é um reator esférico, feito em aço inox, hermeticamente fechado, que é alimentado pela mistura de combustível e oxidante a qual se deseja medir a velocidade de chama laminar. Aguarda-se um período de tempo para que o campo de velocidade criado no enchimento do reator seja dissipado e dá-se início à combustão através de um centelha no seu centro geométrico. Após um curto período de ignição que origina um núcleo esférico de produtos de combustão quentes, forma-se uma chama esférica pré-misturada, que se propaga radialmente, transformando os gases não queimados em produtos de combustão. As medições enfocam o desenvolvimento da pressão no interior do reator, a velocidade de propagação da chama, e o aspecto da superfície de chama.
O CVR permite medições em altas temperaturas e pressões que aproximam as condições existentes nos motores a combustão interna. Ele torna possível observações da formação de instabilidades fluido-dinâmicas e termo-difusivas na superfície de chamas, da transição de chamas laminares para turbulentas em pressões elavadas e da auto-ignição da mistura não queimada como resultado do aumento da pressão e temperatura. As medições óticas permitem determinar o efeito da taxa de estiramento da chama na velocidade de propagação da chama laminar em termos do número de Markstein e do comprimento de Markstein. Estas propriedades são relevantes para a modelagem da combustão turbulenta em misturas pré-misturadas. Elas também ser determinadas através de simulações numéricas diretas (DNS) da combustão pré-misturada, desde que se conheça a cinética química da combustão do par combustível-oxidante sendo estudado. Os valores obtidos por simulação são comparados com as medições, obtendo um conhecimento mais completo dos aspectos químicos e físicos que determinam o comportamento da mistura em combustão. Esse conhecimento auxilia a análise e projeto dos equipamentos e sistemas de combustão, especialmente, quando se estuda a aplicação de novos combustíveis, ou a otimização dos combustíveis atualmente disponíveis.
Aparato Experimental
O CVR desenvolvido no LabCET consiste em dois hemisférios de aço inox formando uma esfera com 300 mm de diâmetro interno. Ele possui duas janelas de quartzo para a visualização e medição ótica da chama e dois eletrodos de ignição. A esfera ainda possui os orifícios de alimentação, um sensor de pressão dinâmica e sensores de temperatura distribuídos ao longo das paredes. O controle e aquisição de dados é feito através do software Labview da empresa National Instruments®.
O método de aquisição de imagens é conhecido como Z-type Schlieren. O sistema é composto por dois espelhos esféricos, uma fonte de luz pontual e uma câmera digital de alta velocidade aIDT® modelo Y4-S2. A taxa de aquisição varia de acordo com a resolução utilizada. A resolução de 256 x 256 pixels, por exemplo, possibilita no máximo 17.700 frames por segundo (FPS). A taxa utilizada é de 10.000 FPS, a mesma taxa de aquisição do sensor de pressão, o que facilita a relação dos dados adquiridos pelos dois sistemas. Os componentes óticos foram adquiridos da empresa EdmundOptics® e todo o sistema é montado sobre uma mesa ótica da empresa Thorlabs®.
A figura abaixo mostra um esquema do aparato experimental.
Esquema do aparato experimental.
Análise da imagem da chama
Abaixo, mostra-se uma imagem adquirida pelo método Schlieren de um certo momento da propagação da chama laminar esférica. O espaço entre os eletrodos, onde ocorre a centelha (spark), é localizado no centro do reator e, 
neste instante da foto, a chama possui um raio Rf. A mistura de gases queimados ocupa a região interna da superfície da chama, em r < Rf, que aparece em cinza claro na foto, e a mistura reagente não queimada encontra-se na região externa da superfície da chama, em r > Rf, que aparece em cinza escuro na foto. Na figura, as velocidades das misturas não queimada e queimada são uu e ub, e as velocidades da chama em relação às misturas não queimada e queimada são, Su e Sb, respectivamente.
Medições
As medições realizadas são o raio da chama e a pressão no reator como função do tempo. A figura abaixo mostra o comportamento do raio e da pressão para um determinado teste com uma mistura de gás natural (proveniente do Gasoduto Brasil-Bolívia – GASBOL) e ar.
Raio da chama e pressão no reator em função do tempo.
Na figura, observa-se que o raio da chama cresce de uma forma que lembra uma variação linear com o tempo, enquanto que a pressão apresenta um período de tempo que ela é praticamente constante, seguida de um período de forte crescimento com o tempo, finalmente atingindo um patamar constante, quando a mistura no interior do reator é totalmente queimada.
Referências
Monteiro, J.O.D., 2015. Laminar flame speed of fuel mixtures applied to spark ignition internal combustion engines. Master’s thesis, Federal University of Santa Catarina, Florianópolis, Brazil.
Miranda, J. P. F.; Vicente, J.; Oliveira, a. A. M.. Analysis of Error Propagation in the Measurement of Laminar Flame Speed Using Constant Volume Reactor. In: Encit, 2020. 18th Brazilian Congress of Thermal Sciences and Engineering, 2020.
INFORMAÇÕES ADICIONAIS
Equipe
Prof. Amir A. M. Oliveira, PhD. (Coordenador)
Jônatas Vicente, Me. Eng. (pós-graduação)
Christian Araújo, Eng. (pós-graduação)
Contato: jonatas.vicente@labcet.ufsc.br
Vídeos da propagação de chama pré-misturada esférica tomadas no CVR.
Mistura de metano e ar, na pressão inicial de 100 kPa, temperatura inicial de 300 K, razão de equivalência de 1,00. Vídeo gravado em imagem direta.
Mistura de n-heptano e ar, na pressão inicial de 100 kPa, temperatura inicial de 360 K, razão de equivalência de 0,81, mostrando a formação e propagação de uma chama com superfície lisa. Vídeo gravado em câmera de alta velocidade (10000 fps) utilizando Schilieren tipo Z.
Mistura de n-heptano e ar, na pressão inicial de 100 kPa, temperatura inicial de 360 K, razão de equivalência de 1,25, mostrando a formação e propagação de uma chama com superfície lisa. Vídeo gravado em câmera de alta velocidade (10000 fps) utilizando Schilieren tipo Z.
Mistura de iso-octano e ar, na pressão inicial de 100 kPa, temperatura inicial de 360 K, razão de equivalência de 3,45, mostrando o efeito da flutuação em uma chama com velocidade muito baixa. Vídeo gravado em câmera de alta velocidade (10000 fps) utilizando Schilieren tipo Z.