Abstract
O objectivo deste trabalho é conduzir uma pesquisa experimental das emissões de substâncias perigosas à saída da câmara de combustão simulada. O experimento foi realizado em uma câmara de combustão simulada. A câmara de combustão incluiu um dispositivo queimador; um sistema de alimentação de combustível líquido; e um tubo de chama com duas filas de orifícios de mistura e uma fila de orifícios de refrigeração. O modo de funcionamento da câmara de combustão foi = 0,435, = 423 K, e a pressão atmosférica. A taxa de queima de combustível líquido foi de 0,77 g/s. A taxa de pressão na câmara de combustão permaneceu constante em = 3%. Dois tipos de combustível foram utilizados: querosene de aviação da marca TS-1 da Rússia e o substituto de combustível foi a mistura n-decano (C10H22) com adição de benzeno (C6H6). As adições de benzeno foram de 5% a 30% (n-decano/benzeno: 95/5, 90/10, 85/15, 80/20, 75/25, e 70/30).
1. Introdução
Uma câmara de combustão é uma das principais partes de um motor de turbina a gás definindo suas características de emissão. Atualmente, o problema das emissões de motores de turbina a gás foi resolvido principalmente por meio de cálculos semi-empíricos e do desenvolvimento experimental de protótipos. Esta abordagem é trabalhosa e dá pouca informação sobre os processos dentro da câmara o que impede a implementação das normas da ICAO.
Técnicas modernas de desenho e depuração de câmaras de combustão de motores de turbinas a gás devem usar a dinâmica dos fluidos computacional (CFD). Os cálculos de CFD devem ser baseados na solução simultânea de equações de dinâmica dos gases e cinética química detalhada. Com o nível atual de potência computacional, a solução de tais problemas nas décadas mais próximas não parece ser possível. Outra solução poderia ser o emprego de métodos híbridos. Um método híbrido deve resolver cada problema individualmente e depois combiná-los em um único algoritmo. A simulação da cinética química não é concebível sem o uso de mecanismos de reacção detalhados e reduzidos. Para desenvolver mecanismos cinéticos é necessário conhecer a composição exata do combustível inicial. O principal tipo de combustível do motor de turbina a gás é o querosene de aviação. O querosene é composto por dezenas de componentes de hidrocarbonetos separados. A sua composição pode variar em função das matérias-primas e dos fabricantes. A simulação numérica requer uma mistura constituída pelos componentes conhecidos e contendo um número limitado de constituintes químicos. Estas misturas são chamadas de substitutos. Um substituto deve reproduzir as principais características do combustível real.
Um mecanismo cinético detalhado de oxidação do substituto deve imitar as propriedades químicas essenciais do querosene. Mecanismos reduzidos são usados para calcular a dinâmica dos gases e devem descrever de forma idêntica as propriedades físicas do querosene, assim como para prever com precisão a distribuição da temperatura e a concentração do combustível recuperado na câmara de combustão.
Para desenvolver métodos híbridos de simulação CFD do desempenho ambiental da câmara de combustão, é necessário resolver dois problemas principais:(1)Adaptar o substituto do querosene de aviação. O substituto deve reproduzir corretamente as propriedades químicas ou físicas do querosene.(2)Desenvolver mecanismos detalhados e reduzidos de oxidação do substituto.
A solução destes problemas (juntos ou em combinação) poderia fornecer uma base sólida para o desenvolvimento de um método híbrido. Esta pesquisa tem se concentrado na solução do primeiro problema.
2. Querosene substituto
Todos os componentes de combustíveis complexos podem ser divididos em várias classes estruturais. Estes são alcanos (hidrocarbonetos saturados com uma estrutura linear ou ramificada), alcenos (hidrocarbonetos com ligações duplas), cicloalcanos (hidrocarbonetos saturados contendo um anel) e hidrocarbonetos aromáticos (moléculas contendo anéis de benzeno). O quadro 1 representa a composição média de alguns combustíveis para a aviação . A maior parte do combustível são alcanos: a sua quantidade total atinge 65%, e juntamente com os cicloalcanos representam 79-97%. Uma parte considerável (até 20%) é constituída por hidrocarbonetos aromáticos. Por outro lado, a concentração de alcenos no combustível é insignificante.
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Os trabalhos siderais sugerem um grande número de substitutos para o Jet-A de querosene de aviação que é comumente usado nos EUA. O Jet-A é análogo ao querosene russo TC1. Os trabalhos acima apresentam mecanismos cinéticos de simulação de ignição e queima destes substitutos. Os substitutos mais simples são os combustíveis monopropulsores. Os autores de simularam a queima do Jet-A com n-decano como substituto. Cooke et al. usaram n-dodecano para o mesmo fim e demonstraram um papel importante dos radicais alquil hidroperóxidos na oxidação lenta dos hidrocarbonetos.
Como o querosene contém até 20% de hidrocarbonetos aromáticos com características específicas na cinética de oxidação, estes componentes são obrigados a ser incluídos no substituto. Os seguintes compostos aromáticos podem ser considerados como opções possíveis: benzeno, tolueno, trimetilbenzeno, n-propil benzeno, n-butil benzeno, e outros. Lindstedt e Maurice mostraram numericamente que a estrutura da chama do querosene pode ser descrita com razoável precisão por um substituto: 89% n-decano e 11% hidrocarbonetos aromáticos (benzeno, tolueno e etil benzeno).
Os trabalhos em substitutos lidam com o estudo e comparação das suas características fundamentais: velocidade da chama laminar, tempo de atraso de ignição, e assim por diante. Esta pesquisa comparou os produtos de combustão do querosene e seu substituto durante a queima em equipamentos reais. O substituto consistiu de n-decano e benzeno em várias proporções: 100% n-decano, 95/5%, 90/10%, 85/15%, 80/20%, e 75/25% n-decano/benzeno.
3. Instalação experimental
A experiência foi realizada numa câmara de combustão simulada (Figura 1), que tem um dispositivo queimador, um sistema de abastecimento de combustível líquido, e um tubo de chama com duas filas de furos de mistura e uma fila de furos de refrigeração. O modo de funcionamento da câmara de combustão foi = 0,435, = 423 K, e a pressão atmosférica. A taxa de queima de combustível líquido é de 0,77 g/s. A taxa de pressão na câmara de combustão que permaneceu constante em = 3%. é a pressão total na entrada da câmara de combustão (const); é a pressão total na saída da câmara de combustão (const).
Foram efectuados ensaios experimentais a alta temperatura com uma câmara de combustão simulada. O arranjo experimental leva um medidor de fluxo feito pela SMC, um acelerador pneumático com válvulas anti-retorno, medidores/controladores de fluxo de massa da série EL-FLOW® feitos pela Bronkhorst High-Tech, um sistema de fornecimento de combustível líquido e um aquecedor de ar de entrada. A visão geral da configuração de alta temperatura conectada à linha de combustível e às linhas de ar é apresentada na Figura 2.
Para equalizar o campo de velocidade, um dispositivo de equalização é fornecido na entrada do aquecedor. Para a alimentação de combustível principal, existe um sistema de bombeamento. Para a alimentação de combustível substituto, existe um sistema de alimentação de pressão. O sistema de alimentação de pressão consiste do seguinte: um tanque de combustível (10 litros), um sistema de pressurização e alimentação do tanque de combustível e um filtro fino para propulsores compostos.
O sistema de controle da bomba de alta pressão permite alterar a pressão de saída na faixa entre 0,4 e 1,5 MPa a uma vazão de pelo menos 250 l/h.
A composição dos produtos de combustão foi definida pela técnica de contato baseada na amostragem da sonda. Este método é atualmente o mais desenvolvido e é amplamente utilizado na prática experimental.
A linha de amostragem (Figura 6) consiste de um amostrador (1), um absorvedor Richter (2), uma bomba (3) incorporada ao analisador SICKGMS-810 (4), pipetas Seger (5) e um medidor de gás GSB-400 (6). O GSB-400 é usado para estimar o volume , M3 e a vazão , M3/c dos gases amostrados.
A amostra – do ponto de amostragem até as pipetas Seger – foi bombeada com uma bomba embutida no analisador SICKGMS-810. Esta configuração da linha de amostragem permitiu o bombeamento simultâneo de amostras através das pipetas Seger e sua desidratação e análise.
Durante a amostragem, os produtos de combustão foram bombeados através das pipetas Seger na vazão de M3/c com o volume igual a 20 volumes de pipetas. As amostras de gás obtidas foram analisadas por cromatografia de gás. A amostragem foi realizada na saída da câmara de combustão simulada. A Tabela 2 mostra as condições iniciais para cada caso experimental.
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| Para cada experiência foram realizadas 8 amostragens. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
4. Resultados
A pesquisa experimental resultou na obtenção da relação entre a fração mássica de CO2, CO, hidrocarbonetos não queimados (CnHm), O2, H2, H20, N2, e a porcentagem de benzeno no substituto (Figuras 3-12). Estas figuras também mostram os resultados da análise das amostras de querosene queimado.
Os números apresentados mostram que os produtos de combustão do querosene não corresponderam a nenhum dos casos da mistura em combustão. A temperatura média na saída da câmara de combustão foi a mesma para todos os casos da mistura. Mas a eficiência da combustão aumentou com o aumento do teor de benzeno na mistura. A eficiência de combustão foi calculada como a razão entre a entalpia da mistura inicial e a entalpia dos produtos de combustão incompleta. é a entalpia da mistura (benzeno/n-decano/ar); é a entalpia dos produtos de combustão.
Mistura constituída por benzeno e n-decano tem uma temperatura de evaporação mais baixa do que o querosene. O aumento do benzeno na mistura reduz a temperatura de evaporação. Portanto, o uso da mistura melhora as características de pulverização e evaporação do combustível. Isto levou a uma combustão mais eficiente e melhorou a eficiência da combustão e não alterou a temperatura média na saída e na câmara de combustão. A Figura 11 mostra que o eixo da temperatura da câmara de combustão não difere em mais de 15°. A temperatura difere em mais de 170° perto da parede. Este fato também mostra a estrutura dinâmica do fluxo de gás dentro da câmara de combustão. A dinâmica do gás para querosene e substituto é diferente. Para uma previsão mais precisa dos produtos de combustão, o substituto deve ser adicionado com um componente ou um grupo de componentes. A mistura obtida deve reproduzir as propriedades físicas do querosene: viscosidade e tensão superficial de queda.
5. Conclusões
Este trabalho estudou o efeito da adição de benzeno na mistura de substituto. O estudo experimental foi realizado em uma câmara de combustão simulada. A câmara de combustão simulada incorpora todos os principais processos em curso nas câmaras de combustão comerciais. Foi feita uma comparação para produtos de combustão de querosene de aviação TS-1 e a mistura de substituto. O estudo revelou que o uso de uma mistura de benzeno (20-30%) e n-decano como combustível dá valores semelhantes em comparação com o querosene pela distribuição da temperatura. A eficiência de combustão também é aumentada em 4%. A emissão de poluentes é muito diferente. A emissão de poluentes é muito diferente porque é muito diferente a dinâmica do gás pela queima de querosene e misturas. Os resultados são a base de dados para a verificação dos modelos CFD.
Nomenclatura
| CC: | Câmara de combustão |
| CFD: | Dinâmica de fluidos computacional |
| ICAO: | Organização da Aviação Civil Internacional |
| : | Razão equivalente |
| : | > Temperatura inicial |
| : | Pressão inicial |
| : | >Pressão da massa de ar |
| : | Pressão da massa de combustível. |
Conflitos de interesse
Os autores declaram não ter conflitos de interesse em relação à publicação deste trabalho.
Acredcimentos
Este trabalho foi apoiado pelo Ministério da Educação e Ciência da Federação Russa no âmbito da implementação do Programa “Pesquisa e Desenvolvimento sobre Direções Prioritárias do Complexo Técnico-Científico da Rússia para 2014-2020” (RFMEFI58716X0033). O equipamento do centro de uso comum da tecnologia CAM (RFMEFI59314X0003) foi utilizado nestes estudos.