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UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA FACULDADE DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO E MECÂNICA GABRIELA DE CASTRO ALMEIDA METODOLOGIA PARA AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DE CÂMARAS DE COMBUSTÃO TUBO-ANULARES DE TURBINAS A GÁS FLEX COM BASE NO PARÂMETRO DE CARREGAMENTO DO COMBUSTOR Juiz de Fora 2016
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA
FACULDADE DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO E MECÂNICA
GABRIELA DE CASTRO ALMEIDA
METODOLOGIA PARA AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DE CÂMARAS DE
COMBUSTÃO TUBO-ANULARES DE TURBINAS A GÁS FLEX COM BASE NO
PARÂMETRO DE CARREGAMENTO DO COMBUSTOR
Juiz de Fora
2016
GABRIELA DE CASTRO ALMEIDA
METODOLOGIA PARA AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DE CÂMARAS DE
COMBUSTÃO TUBO-ANULARES DE TURBINAS A GÁS FLEX COM BASE NO
PARÂMETRO DE CARREGAMENTO DO COMBUSTOR
Monografia apresentada ao curso de Engenharia
Mecânica da Universidade Federal de Juiz de
Fora, como requisito parcial para obtenção do
título de Bacharela em Engenharia Mecânica.
Orientador: Prof. Dr. Washington Orlando Irrazabal Bohorquez
Juiz de Fora
2016
GABRIELA DE CASTRO ALMEIDA
METODOLOGIA PARA AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DE CÂMARAS DE
COMBUSTÃO TUBO-ANULARES DE TURBINAS A GÁS FLEX COM BASE
NO PARÂMETRO DE CARREGAMENTO DO COMBUSTOR
Monografia apresentada ao curso de Engenharia
Mecânica da Universidade Federal de Juiz de
Fora, como requisito parcial para obtenção do
título de Bacharela em Engenharia Mecânica.
Aprovada em 02 de agosto de 2016
BANCA EXAMINADORA
_______________________________________
Prof. Dr. Washington Orlando Irrazabal Bohorquez - Orientador
Universidade Federal de Juiz de Fora
________________________________________
Prof. Dr. Raphael Fortes Marcomini
Universidade Federal de Juiz de Fora
________________________________________
Prof. Dr. Luiz Gustavo Monteiro Guimarães
Universidade Federal de Juiz de Fora
AGRADECIMENTOS
Primeiramente agradeço aos meus pais, Marcelo e Márcia, que com muita dedicação
e paciência, sempre batalharam para que eu pudesse realizar meus sonhos - não há palavras que
descreva tamanha gratidão. Ao Paulo, meu companheiro, que sonha junto e proporciona sempre
uma ótima companhia. Ao meu irmão, Rafael, por saber que posso contar com sua ajuda.
Ao meu orientador Professor Washington, pela oportunidade de participar em um
projeto científico e dar suporte ao meu trabalho.
Aos colegas feitos na faculdade de Engenharia Mecânica, pela amizade e apoio por
todos esses anos passados juntos, especialmente aos colegas Kenedy Fernandes, Cláudio Moisés
e Evandro Gaio, que deram uma ajuda extra para que eu pudesse concretizar o meu trabalho de
conclusão de curso.
A toda faculdade de Engenharia da Universidade Federal de Juiz de Fora, incluindo
professores, técnicos e terceirizados. O trabalho de cada um de vocês contribuiu para que meu
sonho se tornasse realidade, meu muito obrigado.
“E o que ninguém escutar
Te invade sem parar
Te transforma sem ninguém notar
Frases, vozes, cores
Ondas, frequências, sinais
O mundo é grande demais
Coisas transformam-se em mim
Por todo o mundo é assim
Isso nunca vai ter fim”
Trecho de “Chuva no Mar”, Marisa Monte
RESUMO
Este trabalho apresenta uma metodologia para o projeto de câmaras de combustão
tubo-anulares, desenvolvida por meio de equações empíricas utilizando-se o software Matlab®.
Visou-se obter a geometria preliminar e a quantificação do desempenho de uma câmara de
combustão que possa operar com variados tipos de combustíveis, incluindo os biocombustíveis,
onde foi explanado sobre sua importância no cenário econômico atual.
Para os dados de entrada do programa em Matlab®, foi considerado o estudo de uma
turbina que está sendo desenvolvida em um laboratório. Durante o desenvolvimento do programa,
foram analisados todos os principais parâmetros que poderiam influenciar o pré-projeto da câmara
de combustão, para que no fim, pudesse ser possível coletar os dados de eficiência, temperatura
dos gases nas zonas de combustão, temperatura das paredes, perda de pressão e os valores
estruturais da câmara e de suas partes, como o comprimento, diâmetro e largura.
Como a câmara foi projetada para operar com diversificados combustíveis, escolheu-
se o etanol, o metanol e o querosene para serem verificados seus desempenhos ao serem utilizados
nas câmaras de combustão. Foi possível perceber que os biocombustíveis apesar de apresentarem
menores temperaturas de combustão, mostraram valores satisfatórios de eficiência, equiparando-
se ao querosene, além de emitirem menos gases poluentes, como o NOx. Entretanto, verificou-se
que como o trabalho todo foi desenvolvido a partir de equações empíricas, e, que os principais
parâmetros que podem influenciar todo o comportamento da turbina encontram-se em segredo de
indústria, o que temos é um resultado de simulação numérica e que muito pode ser melhorado para
garantir que a câmara projetada possa ser efetivamente construída.
De forma a validar os resultados obtidos, foram utilizados os dados disponibilizados
pelo Engenheiro João Machado, Gerente da Usina Termelétrica de Juiz de Fora, relacionados com
a operação da turbina a gás GE modelo LM6000. O sistema de combustão dessa turbina a gás foi
modificado para poder operar com etanol e os resultados obtidos indicam índices satisfatórios ao
utilizar o biocombustível, tanto de eficiência quanto de emissão de gases, mas que por dificuldades
logísticas, a utilização de etanol não é a primeira opção para produzir eletricidade nessa usina
termelétrica.
Palavras Chave: Câmaras de combustão. Turbinas a gás. Combustíveis alternativos. Combustão.
ABSTRACT
This work presents a methodology for the design of can-annular combustion chambers,
developed through empirical equations using the Matlab® software. The aim of the current study
was to obtain the preliminary geometry and measurement the performance of a combustion
chamber that can operate with different types of fuels, including biofuels, which was explained its
importance in the current economic scenario.
For program input data in Matlab®, the study of a turbine that is being developed in a
laboratory was considered. During the development of the program, it was analyzed all the major
parameters that could influence the pre-design of the combustion chamber, so that in the end it
could be possible to collect data efficiency, the gas temperature in the combustion zones,
temperature of the walls, pressure loss and structural values of the combustor geometric and its
parts, such as length, diameter and width.
Since the combustor was designed to operate with several types of fuels, it was chosen
the ethanol, methanol and kerosene fuels to verify their performance when used in combustion
chambers. It was observed that the biofuel, despite having lower combustion temperatures, showed
satisfactory values of efficiency, in comparison with kerosene, and emits less greenhouse gases,
such as NOx. However, it was found that as the whole job has been developed from empirical
equations, and that the main parameters that can influence the entire turbine behavior are in
industry secret, what we have is a result of numerical simulation and that much can be improved
to ensure that the designed combustor can be actually built.
In order to validate the results, the data provided by Engineer João Machado were
used, manager at Thermoelectric Power Plant of Juiz de Fora, related to the operation of the gas
turbine model GE LM6000. The combustion system of the gas turbine was modified to operate
with ethanol, and the results indicate satisfactory rates using the biofuel in the efficiency of the
turbine and less rates of greenhouse gases, nevertheless, owing to logistical difficulties, the use of
ethanol is not the first option to produce electricity on the before mentioned facility.
Keywords: Combustors. Gas turbines. Alternative fuels. Combustion.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Usina Termelétrica de Juiz de Fora (MG) .................................................................... 23
Figura 2 - Limites de inflamabilidade de um combustível em ar a uma pressão constante .......... 25
Figura 3 - Componentes básicos de um motor de turbina a gás .................................................... 27
Figura 4 - Estágios da evolução de um combustor de turbina a gás convencional ....................... 29
Figura 5 - Principais Componentes de uma câmara de combustão tubular .................................. 30
Figura 6 - Combustor Multitubular ............................................................................................... 31
Figura 7 - Combustor Tubo-anular ................................................................................................ 32
Figura 8 - Combustor anular de fluxo reverso .............................................................................. 33
Figura 9 - Padrão de fluxo do combustor agitado na direção circunferencial ............................... 34
Figura 10 - Combustor de dois estágios ........................................................................................ 35
Figura 11- Principais componentes de uma câmara de combustão de uma turbina a gás ............. 37
Figura 12 - Número de Mach relacionado com os parâmetros de escoamento ............................. 40
Figura 13- Relação entre o parâmetro θ e a eficiência de combustão ........................................... 43
Figura 14 - Dimensões básicas de um difusor ............................................................................... 49
Figura 15 - Influência do ângulo do difusor na perda de pressão ................................................. 50
Figura 16 - Ângulos característicos de um difusor ....................................................................... 51
Figura 17 - Representação da cúpula e da zona de recirculação ................................................... 54
Figura 18 - Geometria básica de uma fenda de resfriamento ........................................................ 57
Figura 19 - Processos de transferência de calor ............................................................................ 60
Figura 20 - Arranjo Geométrico do Furo ...................................................................................... 63
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Características e propriedades do etanol e metanol ..................................................... 22
Tabela 2 - Valores típicos aplicados em uma câmara de combustão ............................................ 42
Tabela 3 - Influência das várias razões de mistura na zona primária ............................................ 45
Tabela 4 - Dados para os cálculos de comprimento da zona de diluição ...................................... 48
Tabela 5 - Valores médios de 휀𝑤 para alguns materiais ............................................................... 61
Tabela 6 - Valores de saída do compressor ................................................................................... 67
Tabela 7 - Parâmetros fundamentais do compressor ..................................................................... 67
Tabela 8 - Parâmetros fundamentais da turbina ............................................................................ 67
Tabela 9 - Comprimentos das zonas da câmara de combustão ..................................................... 68
Tabela 10 - Parâmetros fundamentais do difusor .......................................................................... 68
Tabela 11 - Dados fundamentais do swirler .................................................................................. 69
Tabela 12 - Orifícios da distribuição do ar .................................................................................... 69
Tabela 13 - Eficiência de saída de cada zona de combustão ......................................................... 70
Tabela 14 - Temperatura de saída de cada zona de combustão para o Metanol ........................... 70
Tabela 15 - Temperatura de saída de cada zona de combustão para o Etanol .............................. 70
Tabela 16 - Temperatura de saída de cada zona de combustão para o Querosene ....................... 70
Tabela 17 - Temperatura dos gases na saída de cada zona de combustão .................................... 71
Tabela 18 - Temperatura da parede 1 na saída de cada zona de combustão ................................. 71
Tabela 19 - Temperatura da parede 2 na saída de cada zona de combustão ................................. 71
Tabela 20 - Parâmetros de massa de ar/combustível variando razão de equivalência ao operar com
Metanol ....................................................................................................................... 79
Tabela 21 - Parâmetros de massa de ar/combustível variando razão de equivalência ao operar com
Etanol .......................................................................................................................... 80
Tabela 22 - Parâmetros de massa de ar/combustível variando razão de equivalência ao operar com
Querosene ................................................................................................................... 81
Tabela 23 - Consumo de Água e Emissões de óxido de Nitrogênio da turbina da UTE Juiz de Fora
.................................................................................................................................... 93
Tabela 24 - Teste de Desempenho da turbina da UTE Juiz de Fora ............................................. 94
LISTA DE SÍMBOLOS
𝐴 Área (m2)
𝐴𝑜 Área da seção transversal do snout (m2)
𝐴3 Área de entrada da câmara (m2)
𝑎 Velocidade do som (m/s)
𝐵 Razão de passagem do orifício
𝑏 Fator de correção de temperatura
𝐶 Velocidade (m/s)
𝐶1 Fluxo de calor por convecção do gás de combustão para o liner (W.m-2)
𝐶2 Fluxo de calor por convecção do liner para o ar do invólucro (W.m-2)
𝐶𝑑 Coeficiente de descarga
𝐷 Diâmetro, comprimento ou distância (m)
𝐷∗ Constante empírica
𝐷𝑖𝑛𝑡 Diâmetro interno do combustor (m)
𝐹𝑐ú𝑝𝑢𝑙𝑎 Distância da fenda até a cúpula do injetor (m)
𝐹 Fator de atrito
𝐾12 Condução de calor
𝐾 Fator de perda de pressão dos orifícios
𝐾𝑠𝑤 Constante usada no projeto das pás do swirler
𝑘 Condutividade Térmica (W.m-1.K-1)
𝐿 Comprimento (m)
𝐿𝑥 Distância da entrada do snout até o injetor (m)
𝑙 Componente qualquer de túnel de vento
𝑙𝑏 Comprimento característico do gás ou da chama
𝑀 Número de Mach
𝑚 Razão de fluxo de massa entre o ar e o gás quente [(ρ.U) a/(ρ.U)g]
�̇� Fluxo de massa (kg.s-1)
𝑚𝑓̇ Fluxo de massa de combustível (kg.s-1)
𝑁𝑖𝑛𝑗 Número de injetores da câmara de combustão
𝑛 Ordem de reação
𝑃 Pressão total (Pa)
𝑝 Pressão estática (Pa)
𝑞 Pressão dinâmica (Pa)
𝑅 Constante dos gases (kJ.kmol-1K-1)
𝑅𝑎𝑟 Constante dos gases para o ar (J.kg-1K-1)
𝑅𝑒 Número de Reynolds
𝑅𝑒𝑥 Número de Reynolds da distância x da fenda
𝑅1 Fluxo de calor por radiação da chama para o liner (W.m-2)
𝑅2 Fluxo de calor por radiação do liner para o invólucro (W.m-2)
𝑠 Altura da fenda (m)
𝑇 Temperatura (K)
𝑡 Espessura da parede da fenda (m)
𝑡𝑤 Espessura da parede do liner (m)
𝑇𝑄 Qualidade transversal de temperatura
𝑈 Velocidade (m/s)
𝑉 Volume (m3)
𝑥 Distância axial (m)
𝑍 Parâmetro de tipo de orifício
∆𝑇 Diferença de temperatura (K)
∆𝑃 Perda de pressão (Pa)
𝛼 Ângulo de fechamento da câmara (°)
𝛼 Razão de área do orifício
𝛼𝑠𝑤 Ângulo das pás do swirler(°)
𝛽𝑠𝑤 Ângulo de mudança de direção do fluxo de ar no swirler (°)
휀 Emissividade
휂 Eficiência
휃 Ângulo de inclinação da cúpula (°)
휃 Parâmetro de eficiência de combustão
휃 Semi-ângulo de abertura do difusor do duto
𝜙 Razão de equivalência
𝜙𝑔𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙 Razão de equivalência global da câmara
𝜙𝑝𝑜𝑏𝑟𝑒 Razão de equivalência em que a combustão ocorre mais pobre
𝜙𝑟𝑖𝑐𝑜 Razão de equivalência em que a combustão ocorre mais rica
𝜙2 Ângulo de penetração do jato de ar (°)
𝜇 Viscosidade dinâmica (Pa.s)
𝜉 Razão de área B/α (kg.m3)
𝜎 Constante de Stefan-Boltzmann, 5,67 x 10-8 W.m-2.K4
𝜓 Ângulo do difusor (°)
𝜌 Densidade (kg/m-3)
𝛿 Constante para cantos dos orifícios
Subscritos
0 Indicativo de pressão total ou temperatura total
1 Ambiente
1 Superfície interna da parede do tubo da chama
2 Saída da voluta do compressor, entrada do duto
2 Superfície externa da parede do tubo de chama
3 Entrada da câmara de combustão, entrada do difusor
4 Saída da câmara
3_4 Desde a entrada até a saída da câmara de combustão
an Anular
c Curva do duto
cúpula Cúpula
d Difusor do duto
dif Difusor
fendas Fendas
ft Liner (flame tube)
g Gás quente
i Injetor
int Interno
liner Referente ao liner
o Coroa
or Orifício
r Resfriamento
ref Referência
refri Refrigeração
S Entrada de ar para o snout
SW Swirler
w Parede do liner
w1 Superfície interna do tubo da chama
w2 Superfície externa do tubo da chama
ZD Zona de diluição
ZP Zona primária
ZR Zona de recirculação
ZS Zona secundária
SUMÁRIO
1.INTRODUÇÃO ........................................................................................................................ 17
1.1. CONSIDERAÇÕES INICIAIS .......................................................................................... 17
1.2. JUSTIFICATIVAS ......................................................................................................... 17
1.3. OBJETIVOS ................................................................................................................... 18
1.3.1. Objetivo geral .......................................................................................................... 18
1.3.2. Objetivos específicos .............................................................................................. 18
1.4. ESCOPO DO TRABALHO ........................................................................................... 19
2. ESTADO DA ARTE ............................................................................................................... 20
2.1. BIOCOMBUSTÍVES EM TURBINAS A GÁS ................................................................ 20
2.1.1. Características e propriedades do etanol e do metanol ................................................ 21
2.1.2. Turbinas a gás funcionando com biocombustível ........................................................ 23
2.2. LIMITES DE INFLAMABILIDADE ................................................................................ 24
2.2.1. Importância e Definição ............................................................................................... 24
2.2.2. Parâmetro de Carregamento do Combustor ................................................................. 25
3. TURBINAS A GÁS ................................................................................................................. 27
3.1. DESENVOLVIMENTO DE TURBINAS A GÁS ............................................................ 27
3.2. REQUISITOS NA CÂMARA DE COMBUSTÃO ........................................................... 28
3.3. CONFIGURAÇÃO BÁSICA ............................................................................................. 28
3.3.1. Classificação Geométrica ............................................................................................ 30
3.3.2. Classificação pela distribuição de ar ............................................................................ 32
3.3.3. Zonas de combustão ..................................................................................................... 36
4. METODOLOGIA NO PROJETO DA CÂMARA DE COMBUSTÃO ............................. 39
4.1. DIMENSÕES PRELIMINARES DO COMBUSTOR ...................................................... 39
4.1.1. Determinação da área de referência ............................................................................. 40
4.1.2. Diâmetro de Referência e Área do Tubo da Chama .................................................... 46
4.1.3. Determinação das Seções do Combustor ..................................................................... 47
4.1.4. Projeto do Difusor ........................................................................................................ 48
4.1.5. Projeto do Swirler ........................................................................................................ 52
4.2. CÁLCULO DE TEMPERATURA DA CHAMA .......................................................... 54
4.2.1. Zona de Recirculação ................................................................................................... 54
4.2.2. Restante da Zona Primária ........................................................................................... 55
4.2.3. Zona Secundária de Temperatura ................................................................................ 55
4.2.4. Temperatura da Zona de Diluição................................................................................ 56
4.3. TRANSFERÊNCIA DE CALOR PARA AS PAREDES DO LINER ............................... 57
4.3.1. Concepção de orifícios de admissão de ar ................................................................... 62
5. RESULTADOS OBTIDOS ................................................................................................. 65
5.1. TEMPERATURA X COMPRIMENTO DA CÂMARA ................................................... 72
5.2. TEMPERATURA DE RESFRIAMENTO X COMPRIMENTO DO COMBUSTOR ..... 76
5.3. RAZÃO DE EQUIVALÊNCIA X FLUXO DE MASSA DE AR: .................................... 79
5.4. EFICIÊNCIA X COMPRIMENTO DA CÂMARA .......................................................... 85
5.5. GASES DE EXAUSTÃO ................................................................................................... 88
6.CONCLUSÃO .......................................................................................................................... 95
REFERÊNCIAS .......................................................................................................................... 96
APÊNDICE A – Mecanismos detalhados dos combustíveis .................................................... 99
APÊNDICE B - Reagentes ........................................................................................................ 100
APÊNDICE B.1. - METANOL ............................................................................................... 100
APÊNDICE B.2. - ETANOL .................................................................................................. 101
APÊNDICE B.3. - QUEROSENE ........................................................................................... 102
APÊNDICE C – Produtos ........................................................................................................ 103
APÊNDICE C.1. - METANOL ............................................................................................... 103
APÊNDICE C.2. - ETANOL .................................................................................................. 105
APÊNDICE C.3. – QUEROSENE .......................................................................................... 107
17
1.INTRODUÇÃO
1.1. CONSIDERAÇÕES INICIAIS
Segundo o Anuário Estatístico de Energia Elétrica de 2015 da EPE (Empresa de
Pesquisa Energética) associada ao Ministério de Minas e Energia, cerca de 70% da energia elétrica
produzida no mundo provém de fontes térmicas convencionais e quase 80% da energia utilizada
no globo é produzida por processo de combustão. A máquina extensivamente usada para esse
propósito é a turbina a gás. Ela pode ser usada em grandes plantas combinadas para a geração de
energia elétrica, em pequenos espaços para atender a “pequena” demanda de uma empresa ou
shopping center ou também na propulsão de navios e aviões, sendo esse último largamente
utilizado.
Por esse tipo de energia ser a grande dominante na atualidade, dificilmente nas
próximas décadas essa porcentagem conseguirá ser alterada, pois mudanças significativas na
enorme estrutura das matrizes energéticas mundiais demandariam tempo para acontecer. Logo, a
pressão internacional para a utilização de energia limpa fez com que os engenheiros não se
preocupassem apenas na eficiência energética das turbinas, mas também na forma de operá-la de
modo mais limpo, agregando sustentabilidade e tecnologia.
O uso de combustíveis renováveis tem recebido crescente atenção da indústria como
uma boa alternativa para gerar energia de forma mais limpa, já que a formação de NOx é um dos
principais problemas para garantir a eficiência sustentável das turbinas a gás. Novas tecnologias
são requeridas para que o desempenho dos combustores atenda todas as exigências pertinentes.
1.2. JUSTIFICATIVAS
Em artigo publicado pela empresa de consultoria Frost & Sullivan’s em 2014, foi
reportado que o mercado mundial de turbinas a gás e a vapor obteve receita de mais de U$S 32,5
bilhões em 2013 e um crescimento para mais de U$S 42,5 bilhões é previsto para 2020 (Bayar,
2014).
Mas o crescimento nos dois segmentos de mercado não será igual. Devido a fatores
incluindo a crescente tendência para substituir antigas usinas de carvão por modernas estações
elétricas alimentadas a gás e a necessidade de combustíveis de geração mais flexíveis devido à
18
energia renovável, turbinas a gás estão previstas para ganhar a vantagem sobre turbinas a vapor
(Bayar, 2014). Mesmo a China, (Bayar, 2014) grande consumidora de turbinas a vapor, está
promovendo uma agressiva mudança em suas plantas de energia, optando pelas turbinas a gás,
com o objetivo de reduzir a dependência de carvão e diversificando seu mix de combustível.
Segundo o Anuário da EPE (2015), a utilização de biomassa na geração de energia no
Brasil, representou 7,6% do balanço energético nacional em 2014 e juntamente com outras fontes
renováveis (hidroeletricidade, produtos da cana de açúcar, lenha), esse número passou para 70,8%,
enquanto os derivados do petróleo representaram apenas 5,4% deste cenário e o gás natural 13,7%.
Fica visível que a adequação das turbinas a gás neste novo panorama torna-se
necessário para suprir o promissor mercado de biocombustíveis. Para isso, a pesquisa e inovação
na adequação do sistema de combustão das turbinas a gás para receber esses novos tipos de
combustíveis trazem um novo desafio em seu desenvolvimento. Essa mudança impacta
diretamente sobre a câmara de combustão, pois é a parte da turbina responsável pela eficiência,
tamanho e emissão de poluentes. Desta forma, este trabalho visa o desenvolvimento de uma nova
ferramenta que auxilie na mudança de combustíveis em uma câmara de turbina a gás, mostrando
as principais variações ocorridas no conjunto após a alteração do tipo de combustível.
1.3. OBJETIVOS
1.3.1. Objetivo geral
Desenvolver uma metodologia para o projeto preliminar de câmaras de combustão tubo-
anulares de turbinas a gás a partir de equações empíricas utilizando o programa Matlab® e
avaliar seu desempenho sob diferentes condições operativas queimando diferentes
combustíveis.
1.3.2. Objetivos específicos
• Desenvolver um programa computacional que automatize a metodologia de cálculo preliminar
de uma câmara de combustão de uma turbina a gás.
• Comparar a eficiência de combustão da câmara tubo-anular utilizando, tanto combustíveis
fósseis quanto combustíveis renováveis.
• Comparar o parâmetro de carregamento de câmaras de combustão tubo-anulares queimando
diversos tipos de combustíveis.
• Mensurar as emissões do gás de exaustão dos combustores tubo-anulares.
19
1.4. ESCOPO DO TRABALHO
No capítulo 1 será explanado de uma forma geral, uma introdução ao leitor aos
principais assuntos que serão abordados ao longo do trabalho, suas justificativas, objetivos e
importância do tema.
No capítulo 2, o estado da arte das câmaras de combustão será apresentado. Este
capítulo terá como abordagem a importância do uso de biocombustíveis, suas características e
exemplos do seu uso em turbinas a gás. Também será apresentado o limite de inflamabilidade, que
é o principal fenômeno que influencia o parâmetro de carregamento do combustor.
No capítulo 3, a definição de turbinas a gás é feita. Após um pequeno histórico, é
introduzido os principais tipos de turbinas, com suas configurações básicas, até chegar à câmara
de combustão e suas principais zonas de operação.
No capítulo 4 é descrito toda a metodologia necessária para o projeto da câmara de
combustão. Além de mostrar as equações empíricas necessárias, são descritas as principais partes
da câmara de combustão, bem como as considerações que foram empregadas ao longo do
programa.
No capítulo 5 são mostrados os resultados obtidos com a criação do pré-projeto da
câmara de combustão tubo-anular em Matlab® utilizando-se metanol, etanol e querosene como
combustíveis, bem como a comparação com os dados de uma turbina real operando com etanol.
No capítulo 6 é resumido as principais conclusões obtidas, além da proposição de
futuros estudos que podem ser feitos acerca do que já foi possível ser coletado durante este
trabalho.
20
2. ESTADO DA ARTE
As necessidades energéticas do homem estão em constante evolução. Para satisfazer suas
primeiras necessidades, que eram basicamente a alimentação, uma fonte de iluminação noturna e
aquecimento, o homem apropriou-se do uso do fogo e desenvolveu a agricultura e a pecuária,
armazenando energia excedente nos animais e alimentos. A partir de então, cada vez mais, pode
dedicar-se a outras atividades para potencializar seu trabalho (Farias, Sellitto, 2011).
A evolução da humanidade está intrinsecamente ligada a essa procura na forma de
aproveitar a energia proveniente dos meios naturais da Terra e utilizá-la em benefício próprio.
Porém, até a revolução industrial, não havia grandes mudanças na forma de obtê-la e consumi-la.
Com o vertiginoso processo de industrialização, a necessidade de energia aumentou e então novas
fontes primárias, com maior densidade energética, foram introduzidas, iniciando a era dos
combustíveis fósseis com a introdução do carvão mineral.
Com o progresso econômico e o surgimento das máquinas elétricas e veículos
automotores, a sociedade desenvolveu-se em torno dos combustíveis fósseis, que apesar de
promoverem esse progresso a um ritmo galopante, provocam alterações no meio ambiente,
causando grandes impactos. Neste sentido, novas fontes de energia tiveram que ser descobertas,
dentre elas, os biocombustíveis, que vêm assumindo um papel fundamental na economia moderna.
Ao longo deste capítulo serão descritos os biocombustíveis, etanol e metanol, suas principais
características e sua aplicação em câmaras de combustão de turbinas a gás.
2.1. BIOCOMBUSTÍVES EM TURBINAS A GÁS
A câmara de combustão de turbinas a gás corresponde basicamente a um mecanismo
de fluxo contínuo, que tende a desenvolver uma chama estável durante a sua combustão. Em teoria,
estas máquinas podem operar com uma série de biocombustíveis como o etanol, metanol,
biodiesel, biomassa gaseificada, gás sintético, hidrogênio, além do gás natural convencional.
Contudo, a substituição do combustível de projeto em câmaras de combustão de turbinas a gás
deve ser avaliada, uma vez que as propriedades do combustível influenciam na eficiência do
conjunto, na taxa de emissão de poluentes e no processo de combustão (Dias, 2011);
O desenvolvimento de tecnologia nesse campo de aplicação tem aumentado
consideravelmente. Em países como o Brasil, o etanol é um candidato natural entre os
biocombustíveis. Produzido da cana-de-açúcar, surgiu basicamente por duas razões: a necessidade
21
de amenizar as sucessivas crises do setor açucareiro e a tentativa de reduzir a dependência do
petróleo importado (Leite et al.,2012). O metanol, que será outro biocombustível de estudo,
desponta nos Estados Unidos, sendo produzido anualmente cerca de 1,2 bilhões de galões ao ano
(U.S. Department of Energy, 2015).
2.1.1. Características e propriedades do etanol e do metanol
O etanol (𝐶2𝐻5𝑂𝐻) resulta da fermentação anaeróbica de açúcares naturais (uva,
beterraba sacarina, milho, cana de açúcar, entre outros), seguido da destilação. Também pode ser
produzido por reação catalítica entre etano e água. No Brasil, é obtido a partir da cana-de- açúcar,
sendo comumente chamado de bioetanol (Herrera, 2015).
O metanol (𝐶𝐻3𝑂𝐻), também conhecido como álcool metílico, é produzido a partir da
gaseificação do gás natural ou também de produtos da biomassa, com o eucalipto. Por meio de
duas fases do processo termoquímico, primeiro a biomassa é gaseificada para produzir hidrogênio
e monóxido de carbono. Estes gases são utilizados para reagir e formar o biocombustível, que pode
ser usado na sua forma pura ou como matéria prima para o aditivo da gasolina. Algumas das
características e propriedades do metanol e etanol estão dados na Tabela 1.
O etanol contém cerca de 35% de oxigênio em peso, entra em ebulição a uma
temperatura de 78°C e tem um elevado calor de vaporização, devido à sua ligação de hidrogênio.
Estes parâmetros são muito importantes para a atomização do combustível e a vaporização na
câmara de combustão. Propriedades físicas e químicas do etanol podem ser exploradas nas câmaras
de combustão das turbinas a gás, enquanto outras dificuldades técnicas devem ser superadas, como
por exemplo, a logística do transporte e operação.
O metanol líquido é venenoso e altamente inflamável, queimando com uma chama
invisível (Gupta, et al., 2010). É um excelente combustível para motores ou mesmo quando usado
como combustível. Ele pode ser usado em motores a diesel, turbinas a gás e células a combustível.
É um combustível renovável com muitos usos, principalmente em turbinas a gás, porém, para usá-
lo, as turbinas deveriam ser redesenhadas para aproveitar melhor suas propriedades (Almeida, et
al., 2015), já que possui uma curva de inflamabilidade mais estreita, com problemas de operação
transiente.
Como os pontos de fulgor do etanol e do metanol são 12,8 e 11,8°C respectivamente,
eles se encontram dentro da faixa normal da temperatura ambiente, o que significa que qualquer
22
tanque contendo tais combustíveis possui uma atmosfera inflamável dentro dele, o que significa
um perigo na mistura explosiva dentro do tanque do combustível (Gupta, et al., 2010).
Tabela 1 - Características e propriedades do etanol e metanol
Fonte: Adaptado de Almeida et al., 2015
Propriedades Etanol Metanol Unit
Fórmula C2H5OH CH3OH –
Entalpia de Vaporização 38.56 37.40 kJ/mol
Ponto de Ebulição 351.2 337.7 K
Ponto de Fusão 159 175.4 K
Ponto de Fulgor 286 285 K
Menor Poder Calorífico 27.2 22.7 MJ/kg
Temperatura Crítica 514 513 K
Temperatura de
Autoignição 695 658 K
Pressão Crítica 6.3 8.07 MPa
Peso Molecular 46.07 32.04 g/mol
Índice de Refração 1.36 1.33 –
Estequiometria
Ar/Combustível 8.95 6.45 –
Peso Específico (15 ºC) 0.794 0.787 –
Densidade de Energia 21.6 15.6 MJ/l
23
2.1.2. Turbinas a gás funcionando com biocombustível
Em 1976, o professor João Roberto Barbosa e sua equipe desenvolveram, fabricaram
e homologaram, no Centro Tecnológico Aeroespacial (CTA), uma pequena turbina a gás,
concebida para ser utilizada como unidade aerotransportável para partida (em solo) da aeronave
AT-26 Xavante da Embraer. Experimentalmente, essa turbina operou com etanol com sucesso,
entretanto, por sua baixa densidade energética, o etanol como substituto para o querosene de
aviação possui limitadas perspectivas (Centro de Gestão e Estudos Estratégicos, 2010).
Em 2008, a GE Energy, fez testes experimentais utilizando bioetanol em uma turbina
a gás 6B Frame equipado com câmaras de combustão padrão e funcionando em ciclo simples, na
Usina de Goa, Índia. A combustão foi caracterizada com uma ampla gama de misturas de
nafta/etanol (até 95% de etanol). Como principais resultados foram identificados a necessidade de
um incremento na vazão do biocombustível, troca do bico do combustível para maior vazão e
emissões de CO e UHC (hidrocarbonetos não queimados) desprezíveis. Além disso, fornecendo
100% de etanol, os NOx foram reduzidos à metade quando se compara com os 100% de
combustível de nafta, principal combustível utilizado na Índia (Herrera, 2015).
A General Eletric Co. anunciou em outubro de 2010 que foi contratada pela Petrobras
para converter a segunda de duas unidades da usina de Juiz de Fora para queimar etanol. A usina
de Juiz de Fora é uma planta de 87 megawatts, de ciclo simples, que utiliza a queima de gás natural
e atende cerca de 300 mil casas. Duas turbinas a gás modelo LM6000 são usadas para alimentar a
planta.
Figura 1 - Usina Termelétrica de Juiz de Fora (MG)
Fonte: MACHADO, 2016
24
Reconhecida como a primeira termelétrica do mundo a operar com etanol, a UTE de
Juiz de Fora contou com toda uma nova infraestrutura para o recebimento e armazenamento do
etanol, desde válvulas, tubulações, instrumentação, cabeamento, motores e bombas e sistema de
proteção contra incêndio. A turbina contou com um novo sistema de resfriamento dos
queimadores, instalação da nova câmara de combustão para operar com etanol e substituição de
dois bicos de injeção e dos elementos de vedação. O sistema de supervisão foi alterado para a
inserção dos equipamentos de alimentação do combustível etanol e para a instrumentação das
variáveis de controle.
Os ensaios realizados na turbina contaram com a variação da geração com consumo
de etanol e gás natural, variação de injeção de água com cargas diferentes consumindo etanol e
gás natural, transferência de combustível de gás natural para etanol e etanol para gás natural com
carga de 15 e 25 MW, parada e partida da turbina operando diretamente com etanol e realização
de medidas para cálculo de eficiência com os dois combustíveis.
Assim, foi registrada uma eficiência de 43,0% para a câmara adaptada e 41,2% com a
turbina original operando com gás natural. Do ponto de vista ambiental, houve uma redução das
emissões de NOx de cerca de 35% ao substituir o gás natural pelo etanol. O desgaste dos
componentes foi compatível com o esperado para combustíveis líquidos, não acarretando redução
da vida útil. Foi comprovada a possibilidade de se iniciar e terminar a operação da UTE
diretamente com o etanol, porém, a maior dificuldade encontrada foi na logística de entrega deste
combustível, que consumiria cerca de 2,5 caminhões tanque por hora.
2.2. LIMITES DE INFLAMABILIDADE
2.2.1. Importância e Definição
Uma mistura gás-vapor é considerada dentro dos limites de inflamabilidade quando,
depois de fornecida a energia por uma fonte externa de ignição, a chama se propaga. Saber seus
limites inferiores e superiores são ferramentas fundamentais para previsão do fogo e de concepção
de sistemas de segurança. Então, a fronteira na qual a mistura torna-se incapaz de propagação da
chama é conhecida como os limites de inflamabilidade. Essa fronteira não é bem delineada, em
alguns experimentos pode-se observar que a transição é estreita e em outros que a transição é
ampla. Segundo Cartagena (2013), isso dificulta uma definição clara e única dos limites de
inflamabilidade. Esta dificuldade ao construir uma definição suficientemente universal sobre os
25
limites de inflamabilidade deve-se às poucas pesquisas sobre este fenômeno perto do limite, assim
como os mecanismos da formação e extinção da chama.
Sendo assim, uma mistura inflamável pode ser queimada em um intervalo de
composição de mistura combustível/ar. Abaixo de um limite da composição, a mistura é pobre, e
acima dela, é rica. As concentrações constituem a faixa de inflamabilidade (Herrera, 2015).
Figura 2 - Limites de inflamabilidade de um combustível em ar a uma pressão constante
Fonte: QUINTERO, 2013
Os limites de inflamabilidade podem ser modificados devido a diversos fatores:
temperatura, pressão, turbulência, concentração de oxigênio, energia de ignição, direção de
propagação da chama e razão de equivalência. Este último fator será objeto de estudo nesta
monografia.
2.2.2. Parâmetro de Carregamento do Combustor
Para fazer a análise do processo de combustão e para descrever a eficiência de combustão,
duas abordagens são mais amplamente utilizadas: o modelo de velocidade de queima e o modelo
de reator agitado. O modelo de velocidade de queima é vulgarmente utilizado para descrever os
fenômenos de combustão num combustor de turbina a gás. Este modelo deriva uma expressão para
26
a eficiência de combustão, tal como uma função de um parâmetro de carregamento de combustão
conhecido como teta. Este parâmetro correlaciona-se à eficiência de combustão para as condições
de funcionamento (pressão, temperatura e razão de equivalência) e os parâmetros geométricos do
combustor, sendo melhor descrito no capítulo 4.1.1.2. Considerações de combustão.
27
3. TURBINAS A GÁS
3.1. DESENVOLVIMENTO DE TURBINAS A GÁS
Nos últimos 50 anos, o projeto de combustores de turbinas a gás desenvolveu-se de
forma contínua (Conrado, 2002). O começo desta tecnologia foi reconhecido como um conceito
tecnológico com grande potencial, mas limitado pelo seu estado da arte associado às tecnologias
e materiais disponíveis na época. Segundo Hunt (2011), os experimentos com turbinas a gás
tomaram várias formas desde o começo dos anos 1900, mas os desapontamentos iniciais pela pobre
eficiência mostram o pouco incentivo para essa ideia ser levada para mais longe. Somente em
1939, foi construída a primeira turbina a gás de geração de energia com 4.000 kW pela Brown
Boveri Company em Baden, Suíça.
Figura 3 - Componentes básicos de um motor de turbina a gás
Fonte: AIRPLANE FLYING HANDBOOK
De acordo com Giampaolo (2009), o que permitiu o desenvolvimento das turbinas a
gás ao longo dos recentes anos deve-se basicamente a três fatores:
Avanços na metalurgia, o que permitiu o emprego de altas temperaturas no combustor e
nos componentes das turbinas;
Acumulativo conhecimento de aerodinâmica e termodinâmica;
Utilização da tecnologia computacional no projeto e simulação da câmara de combustão,
bem como no desenvolvimento de resfriamento das pás das turbinas.
28
Sendo assim, os avanços na produção das turbinas a gás resumem-se na obtenção dos
resultados que sejam mais satisfatórios de acordo com as necessidades do projeto, o que leva a um
balanceamento dos diferentes requisitos e o modelamento de complexos arranjos.
3.2. REQUISITOS NA CÂMARA DE COMBUSTÃO
O combustor de uma turbina a gás é um dispositivo para incrementar a temperatura do
ar entrante pela adição e combustão de combustível. Com esse propósito, a câmara de combustão
deverá satisfazer muitos diferentes requisitos (Bohorquez, Barbosa, 2012).
Apesar da variância encontrada nos requerimentos da câmara de combustor de acordo
com o tipo de motor utilizado, Lefebvre (1983), destaca os pré-requisitos que um combustor básico
deve atender independente do seu uso:
1. Estabilidade de chama máxima em todas as condições operacionais;
2. Alta eficiência de combustão em todas as condições operacionais;
3. Baixas emissões;
4. Perda mínima e pressão compatível com as condições de operação e desempenho;
5. Facilidade na ignição;
6. Distribuição de temperatura de saída satisfatória;
7. Ausência de sólidos nos gases de escape;
8. Mínimo custo de fabrico, tamanho e peso;
9. Durabilidade;
10. Fácil Manutenção;
11. Capacidade de operar com diversos combustíveis.
A prioridade dada a cada requisito dependerá da aplicação desejada.
3.3. CONFIGURAÇÃO BÁSICA
O modelo mais simples de uma câmara de combustão está exemplificado na Figura 4-
a, que é composta por um duto cilíndrico conectando o compressor à turbina. Entretanto, essa
configuração torna-se impraticável, pois a perda de pressão pode ser excessiva. A perda
fundamental de pressão por conta da combustão é proporcional ao quadrado da velocidade do ar,
e se a saída do compressor estiver na ordem de 170 m/s, essa perda poderia chegar a um quarto do
aumento de pressão alcançado no compressor. Para reduzir tal perda, seria necessária a inserção
29
de obstáculos, como um difusor para desacelerar o escoamento em cinco vezes, como mostrado
na Figura 4-b (Lefebvre, 1983).
Figura 4 - Estágios da evolução de um combustor de turbina a gás convencional
Fonte: LEFEBVRE, 1983
Após colocar o difusor, é preciso colocar uma zona de recirculação a jusante do injetor
de combustível para estabilizar a chama. Na Figura 4-c é mostrado esse obstáculo mecânico que
serve para abrigar a chama e mantê-la. Entretanto, a combustão ainda não é possível. Isso se deve
ao fato de que para aumentar a temperatura, a razão total de ar/combustível na câmara deve ficar
por volta de 30-40, o que está fora dos limites de inflamabilidade de misturas de ar-
hidrocarbonetos. Idealmente, a razão ar/combustível na primeira zona de combustão deve ficar por
volta de 18, entretanto, altos valores (por volta de 24) são preferíveis se é desejado baixas emissões
de NOx. Para resolver esse problema, a solução é que o obstáculo mecânico seja substituído por
um liner com orifícios, ilustrado na Figura 4-d (Lefebvre, 1983).
A função do liner é recircular a chama para o injetor de combustível, devido à criação
de uma região de baixa pressão na câmara de combustão do eixo (Kiameh, 2002).
Após a definição da configuração usada nas câmaras de combustão, para classificá-
las, é necessário especificar as três principais características de design:
30
3.3.1. Classificação Geométrica
Os combustores possuem dois tipos de configuração básica: tubular e anular. Podem-
se ter os intermediários entre esses dois extremos, chamados tubo-anular e o multitubular.
3.3.1.1. Tubular
É o mais comum na indústria ou em pequenos motores. Simples de fabricar e manter,
geralmente conta com um sistema de combustível de baixo custo. Entretanto, o fluxo necessário
para conduzir os gases quentes para a turbina possui um complicado trajeto, o que pode dificultar
o controle da distribuição de ar, especialmente se um sistema de baixa perda de pressão for
necessário. No caso de motores muito pequenos, um arranjo linear exigiria pequenas dimensões
tais que o desempenho da câmara seria prejudicado devido à proximidade das paredes da câmara
de combustão (Sawyer, 1985).
Figura 5 - Principais Componentes de uma câmara de combustão tubular
Fonte: ROLLS ROYCE LIMITED®
3.3.1.2. Multitubular
São os combustores mais usados na aviação. Eles requerem uma área frontal menor que a
tubular (Kiameh, 2002). Além disso, apresentam a geometria da câmara de combustão
correspondente à geometria da injeção de combustível e caso haja danos a uma única câmara de
31
combustão, não é necessária a substituição de todo o sistema. Uma vantagem adicional é que o
trabalho realizado por esse combustor pode ser feito em uma única câmara de combustão, exigindo
menos do fluxo de ar total, o que reduz os custos de desenvolvimento.
Figura 6 - Combustor Multitubular
Fonte: ODGERS, J AND KRETSCHMER
3.3.1.3. Anular
O combustor anular aparentemente possui diversas vantagens. Eles fazem uso de todo
espaço de combustão disponível, a descarga dos compressores axiais já é feita de forma anular e
não há necessidade de transição antes de entregar à turbina. Estes combustores requerem menor ar
de refrigeração comparativamente ao tubular, tendo uma grande popularidade em aplicações à
altas temperaturas. Entretanto, a manutenção destes combustores é relativamente mais difícil, bem
como sua temperatura e perfil de escoamento tornam a ação mais complicada (Sawyer,1985).
Figura 7 - Combustor Anular
Fonte: ROLLS-ROYCE LIMITED®
32
3.3.1.4. Tubo-anular
Segundo Conrado (2002), este combustor possui o compromisso entre as vantagens
das câmaras tubulares e com o tamanho compacto da câmara anular. Possui comprimento e peso
menor que a tubular, perda de pressão intermediária e o ganho de espaço que dispensa peças de
transição antes e depois da câmara. Possui as vantagens de fabricação e manutenção das câmaras
tubulares, porém com problemas de uniformidade e a razão entre a seção útil e a disponível.
Uma grande vantagem é que um maior uso da chama pode ser feito com uma modesta
adição de ar, utilizando-se um pequeno segmento da chama total contendo uma ou mais liners
(Lefebvre, Ballal, 2003). Sua maior desvantagem é atingir um fluxo de ar satisfatório e consistente,
e seu projeto do difusor pode apresentar certa dificuldade (Lefebvre, 1983).
Figura 7 - Combustor Tubo-anular
Fonte: AEROMODELBASIC®
3.3.2. Classificação pela distribuição de ar
3.3.2.1 Combustor Direto
Pode ser definido como o combustor típico, com a distribuição de ar em linha reta a
partir do compressor através da câmara de combustão até a turbina, o que gera menores problemas
de rendimentos. Depois da difusão, o ar segue em apenas uma direção e com uma velocidade quase
uniforme (Sawyer,1985).
33
3.3.2.2. Combustor com fluxo reverso
Este combustor apresenta o compressor, a câmara de combustão e a turbina dispostos
de forma que a câmara esteja dobrada sobre a turbina ou sobre o compressor. Sua principal
vantagem é o encurtamento do comprimento do eixo entre o compressor e a turbina, apresenta
utilização eficiente do volume disponível para a combustão e é de mais fácil manutenção devido
à acessibilidade dos injetores de combustíveis (Sawyer, 1985).
A distribuição de ar precisa um projeto cuidadoso, pois ele é menos sensível do que
um combustor direto nas variações do perfil de velocidade (Sawyer,1985). Uma desvantagem é a
alta razão de superfície/volume do liner, o que dificulta seu resfriamento (Conrado, 2002).
Figura 8 - Combustor anular de fluxo reverso
Fonte: LEFEBVRE, 1983
3.3.2.3. Combustor Regenerador
Nesse tipo de combustor os gases quentes da exaustão trocam calor com os gases que
entram no compressor. Isso facilita o processo de combustão, mas raramente é possível alimentar
os gases de entrada de ar de forma linearmente. Normalmente, o fluxo acontece de três formas
diferentes: parte diretor, parte reversa e parte cruzada. Muitas vezes a distribuição de ar é tão baixa
que os dutos e o liner devem ser bem localizados para melhorá-la. Isso aumenta as dificuldades de
arrefecimento da parede. No entanto, para obter um padrão de abordagem tolerável, os
regeneradores rotativos são combinados com combustores tubulares (Sawyer,1985).
34
3.3.2.4. Combustor de vórtice único
Segundo Sawyer (1985), este tipo de combustor caracteriza-se por ser mais simples e
barato, que utiliza apenas a metade do número de injetores de combustível em comparação ao
combustor direto. Em vez de duas regiões de recirculação do ar, ele possui apenas um vórtice
induzido dentro da zona primária. Os gases circulam em torno de um caminho circunferencial,
forçando cada extremidade do vórtice a girar no sentido axial, originando dois vórtices secundários
que completam a combustão antes de serem dissipados pelos jatos de misturas na zona de diluição
convencional.
Figura 9 - Padrão de fluxo do combustor agitado na direção circunferencial
Fonte: AVCO LYCOMING
3.3.2.5. Combustor de dois estágios
Esse combustor apresenta duas ou mais zonas de queima separadas e controladas de
forma independente. Inicialmente o conceito de criação era reduzir o comprimento da chama e
assim originar um motor mais curto e mais leve. Atualmente o objetivo mudou, sendo agora o de
35
reduzir a poluição em todas as condições operacionais, o que pode ser conseguido de várias
maneiras.
Uma forma é ter uma zona piloto que queima de maneira rica (duas vezes
estequiometricamente), não havendo formação de NOx. Esses gases passam para a segunda zona,
onde ocorre a adição de mais e de forma pobre, para que ocorra uma combustão enxuta.
Diminuindo-se o tempo para a queima na segunda zona, acontece então, uma menor formação de
NOx do que se a mesma quantidade tivesse sido queimada em uma única fase.
Outra forma é controlar a poluição nas duas fases. Nesse caso, a combustão é
estequiométrica em idle na zona piloto. Isto minimiza a produção do monóxido de carbono e
hidrocarbonetos e ainda emite menos NOx devido às baixas temperaturas e pressões devido ao
funcionamento do idle. Em cargas altas, ambas zonas piloto e principal são projetadas para operar
em condições de misturas pobres, com ϕ=0,7 (Sawyer,1985). Isso objetiva controlar a emissão de
poluentes e controlar a emissão de NOx. Uma dessas variações está mostrada na Figura 10.
Figura 10 - Combustor de dois estágios
Fonte: LEFEBVRE, 1983
3.3.2.6. Combustor de geometria variável
Uma alternativa para combustão em estágios é ter dentro do combustor um
componente de geometria variável. Isso pode servir para garantir que as quantidades de ar e
combustível que entram na zona primária estejam sempre próximas às proporções ideais. Um
método usado para esse fim é tornar a entrada do combustor cônica e usar um defletor como
estabilizador. Movendo o defletor para dentro da zona cônica, o ar que entra na zona primaria pode
ser controlado para atingir as condições de operação. Nesse caminho, é possível manter uma
mistura pobre de combustão em todas as condições de operação, e ainda reduzir os poluentes.
36
Deve-se tomar cuidado para que a combustão não seja interrompida e o motor falhe caso o
movimento da geometria variável não funcione (Sawyer,1985).
3.3.2.7. Combustor com pré-mistura completa
O ponto ótimo de uma combustão é atingido pela pré-vaporização do combustível e
misturando-se com o ar antes da combustão. Esse combustor, além de ser adepto de tal sistema,
apresenta câmara de combustão com geometria variável. Desta forma, a combustão sempre ocorre
em condições ótimas ao mesmo tempo em que as restrições de perda de pressão são consideradas,
levando a uma redução do calor transmitido pela radiação da chama e a maior uniformidade da
temperatura dos gases da queima (Sawyer,1985).
3.3.2.8. Combustor Catalítico
Esse tipo de combustor, segundo Sawyer (1985), vem apresentando diversas vantagens
na aplicação de turbinas a gás. Além de fazer a pré-mistura de combustível, ele usa um reator
catalítico e podem funcionar com uma pós-queima. Sua principal função é reduzir os poluentes
emitidos na exaustão e possibilitar ao sistema queimar com misturas pobres.
3.3.3. Zonas de combustão
A câmara de combustão pode ser dividida em três principais zonas:
3.3.3.1 . Zona Primária
A função principal da zona primária de combustão é estabilizar a chama, dando o
suficiente tempo, temperatura e turbulência para atingir a combustão essencial na mistura de ar
combustível (Lefebvre, Ballal, 2002). Percebe-se então a importância desta zona, já que definirá
toda a base de funcionamento da câmara de combustão, delimitando todas as performances de
execução.
Muitos tipos diferentes de padrão de escoamento são utilizados, mas a criação de uma
zona de recirculação está presente em todos os combustores. Isso permite que os gases sejam
reutilizados para que a mistura com o combustível seja igualmente ignitada e estabilizada.
37
Alguns combustores utilizavam os swirlers para criar as zonas toroidais, enquanto
outras que não tinham esse dispositivo injetavam ar através de furos na parede do liner. Ambos os
métodos são capazes de gerar a recirculação na zona primária (Lefebvre, Ballal, 2002).
Figura 11- Principais componentes de uma câmara de combustão de uma turbina a gás
Fonte: LEFEBVRE, 1983
3.3.3.2. Zona Secundária
Essa zona, juntamente com a zona primária, compõe a zona de combustão. Nela, os
gases quentes de combustão provenientes da zona primária recirculam e misturam-se com mais ar
para maximizar a combustão no menor comprimento possível, antes da zona de diluição (Conrado,
2002).
Além disso, a importância dessa zona está no fato de que caso a temperatura da zona
primária se exceda a mais de 2000K, ela é responsável por abaixar a temperatura dos gases pela
adição de pequenas quantidades de ar, o que impossibilita a concentração de monóxido de carbono
(CO) e hidrogênio (H2) nos gases de fluxo.
Se esses gases passassem diretamente para a zona de diluição, poderia resultar no
congelamento da mistura de gás, e o CO, que é tanto poluente quanto indicador de ineficiência da
combustão, seria descarregado sem queimar (Lefebvre, Ballal, 2002).
38
3.3.3.3. Zona de Diluição
Na zona de diluição, a combustão está propriamente completa, sendo necessário
apenas resfriar os gases queimados até uma temperatura aceitável para a entrada na turbina. Além
disso, a temperatura deve satisfazer critérios de homogeneidade e um perfil radial (Conrado, 2002).
Sendo seu principal papel atingido através da admissão de ar não utilizado na combustão e
atendendo aos requerimentos de resfriamento da parede.
A quantidade de ar disponível para a diluição é normalmente entre 20 e 40% do total
de fluxo de ar. O ar de diluição é introduzido entre um ou mais furos através da parede do liner. O
tamanho e forma dos furos dependerá da otimização da penetração dos jatos de ar e sua mistura
com os gases (Lefebvre, Ballal, 2002).
Em teoria, qualquer fator de qualidade transversal pode ser realizado com uma zona
de diluição longa ou um fator de perda de pressão no liner maior. Na prática, entretanto, verifica-
se que inicialmente a qualidade da mistura aumenta muito com o aumento no comprimento da
mistura, subsequentemente, a uma velocidade progressivamente mais lenta. É por isso que a
relação comprimento/diâmetro das zonas de diluição todos tendem a manter em uma faixa estreita
entre 1,5 e 1,8 (Lefebvre, Ballal, 2002).
39
4. METODOLOGIA NO PROJETO DA CÂMARA DE COMBUSTÃO
Para a realização de um projeto básico de uma câmara de combustão, inúmeros
componentes e arranjos devem ser levados em conta, o que leva a processo complexo e de difícil
realização, pois de acordo com cada exigência ou solicitação, o projeto deve se adequar
corretamente.
4.1. DIMENSÕES PRELIMINARES DO COMBUSTOR
Embora as primeiras câmaras de combustão desenvolvidas se utilizaram de técnicas
empíricas, é possível demonstrar toda a razão fundamental por detrás de seu desenvolvimento.
Para iniciar o projeto, é necessário calcular algumas grandezas de referência, de acordo
com as exigências de massa de ar, temperatura e de área de referência empregada (Dias,2011).
Essas grandezas estão correlacionadas com variados arranjos de câmaras de combustão, estando
associada às características de escoamento, velocidade, número de Mach, pressão dinâmica, entre
outras. Sendo assim, temos como principais grandezas:
Velocidade de Referência:
1
Número de Mach de referência:
Pressão Dinâmica de Referência:
ref
refA
mU
5,0
3)( RT
UM
ref
ref
2
qU
qref
ref2
2 3
40
Figura 12 - Número de Mach relacionado com os parâmetros de escoamento
Fonte: LEFEBVRE, BALLAL, 2002
4.1.1. Determinação da área de referência
A área de referência, 𝐴𝑟𝑒𝑓, é selecionada ao se considerar as limitações das reações
químicas ou aerodinâmicas, além da perda de pressão máxima permitida na câmara de combustão.
Este parâmetro é um dos mais importantes no projeto, pois influencia em diversas outras
dimensões.
41
4.1.1.1. Considerações Aerodinâmicas
Geralmente, se a combustão for dimensionada para atender a uma perda de pressão
específica, ela deverá ser suficientemente grande para acomodar as reações químicas. No entanto,
é necessário considerar todos os possíveis fatores antes de tomar uma decisão final sobre o
tamanho. Os diâmetros do sistema de combustão e da carcaça são estimados usando as equações
que seguem.
A constante k tem o valor de 143,5 em unidades SI. A perda de pressão total na câmara
de combustão é representada por ∆P3−4 e é dado pela simulação do ciclo termodinâmico, sendo de
grande importância, já que 1% na redução deste valor implica em 1% de redução no consumo
específico de combustível (Lefebvre,1998).
O parâmetro ∆P3−4/qref representa a resistência que o fluxo recebe desde a saída do
compressor até a entrada da turbina. Sendo um dos mais importantes no projeto da câmara de
combustão, leva em conta a soma de duas parcelas de perda de pressão: a do difusor e no tubo da
chama.
A perda de carga no difusor deve ser a mínima possível. Uma estimativa inicial muito
utilizada está próxima de 1% da pressão de entrada na câmara (Lefebvre, 1998).
Para um projeto de câmara tubo-anular, as perdas de pressão estão em torno de 5,4%
da pressão de entrada (Sawyer,1985). Sendo assim, considerando como aproximação inicial que a
perda de pressão ao longo de toda a câmara seja também 5,4%, dividiu-se o tubo da chama em três
regiões, que é do final do difusor até o início da zona primária, depois entre a zona primária e
secundária, e finalizando com a zona de diluição.
Para o projeto preliminar, a obtenção dos valores iniciais das principais grandezas será
iniciada com alguns valores típicos de perdas de pressão em chamas em câmaras de combustão
que são resultados de diversos experimentos sugeridos na Tabela 2.
5,0
34_3
4_3
2
3
33
/
/
PP
qP
P
TmkA
ref
ref
4
ref
ft
ref
diff
ref q
P
q
P
q
P
4_35
42
Tabela 2 - Valores típicos aplicados em uma câmara de combustão
Tipo de Câmara ∆𝐏𝟑−𝟒
𝐏𝟑
∆𝐏𝟑−𝟒
𝐪𝐫𝐞𝐟
�̇�𝟑√𝐓𝟑
𝐏𝟑𝐀𝐫𝐞𝐟
Tubular 0,07 37 0,0036
Tubo-anular 0,06 28 0,0039
Anular 0,06 20 0,0046
Fonte: LEFEBVRE,1983
De acordo com a Tabela 2, a perda de pressão na câmara, ∆P3−4/P3, é um parâmetro
pré-determinado, enquanto a perda de pressão ∆P3−4/qref é influenciada por diversos fatores:
emissão de poluentes, velocidade de saída do compressor e o tipo de difusor empregado (Lefebvre,
1983). Enquanto�̇�3√T3
P3Arefestá ligada apenas à área de referência escolhida, sendo calculado durante
o programa e seu valor obtido comparado àquele presente na Tabela 2.
As considerações aerodinâmicas foram colocadas a título de curiosidade caso a turbina
a gás fosse utilizada com esse propósito, porém, no presente trabalho todas as áreas e dimensões
de referência dar-se-ão a partir das considerações de combustão, descrita a seguir.
4.1.1.2. Considerações de combustão
Por qualquer razão combustível/ar dado, a eficiência da combustão, η, é dada como
uma função do parâmetro de correlação, θ, através da Equação 6 (Sawyer, 1985):
Como mostra a Figura 13, a relação entre o parâmetro θ e a eficiência da combustão é
estabelecida, demonstrando a variação que ocorre de acordo com o tipo de câmara empregado.
Inicialmente é considerado que a eficiência de combustão perto de 98% e o valor de 휃 = 73𝑥106é
estabelecido. Os valores do fator de correção de temperatura, b, para razão ar/combustível global
constante foram definidos pelas Equações 7 e 8.
3
75,075,1
3
3
m
eDAP b
T
refref
6
43
Figura 13- Relação entre o parâmetro θ e a eficiência de combustão
Fonte: LEFEBVRE, 1983
O valor de ϕzp(razão de equivalência da zona primária), dificilmente é encontrado na
literatura, já que fornece muitas informações sobre o projeto da câmara, permanecendo em sigilo
com os fabricantes.
A razão entre a quantidade de ar e de combustível que entram na zona primária indica
a característica da mistura, controla o processo de combustão e as características da câmara de
combustão. Assim, a diferenciação entre os valores de razão de equivalência acarreta
consequências operacionais.
As misturas na zona primária podem ocorrer de três formas diferentes:
estequiométrica, rica em combustível ou pobre em combustível. A quantidade estequiométrica de
0,1ln6,0)ln39,1(245 zpzpb 7
4,1ln0,1)ln0,2(170 zpzpb 8
44
oxidante (no caso, o ar) é a quantidade necessária para queimar completamente certa quantidade
de combustível. Se uma quantidade de oxidante maior do que a estequiométrica é fornecida, diz-
se que a mistura é pobre. Fornecer uma quantidade de oxidante menor que a estequiométrica
resulta em uma mistura rica. A razão estequiométrica oxidante-combustível é determinada por um
simples balanço atômico, supondo que o combustível reage para formar um conjunto ideal de
produtos. Para um combustível hidrocarboneto dado pela fórmula química genérica, CxHy, a
relação estequiométrica pode ser expressa como (Turns,2013):
9
Onde
10
Por simplicidade, é assumido que o ar é composto de 21% de 𝑂2 e 79% de 𝑁2, portanto
para cada mol de 𝑂2 existem 3,76 mols de 𝑁2. Na Tabela 3 é listado as principais vantagens e
desvantagens causadas pela influência das várias razões de mistura da zona primária de
combustão:
22222 76,3)2/(76,3 aNOHyxCONOaHC yx
4/yxa
45
Tabela 3 - Influência das várias razões de mistura na zona primária
Tipo de mistura na zona
primária
Vantagens Desvantagens
Estequiométrica
1. Máxima taxa de liberação
de energia
2. Chama com menos
luminosidade
3. Baixa emissão de fuligem
4. Ausência de depósitos de
carbono
1. Alta taxa de
transferência para as
paredes do liner.
2. Necessidade da Zona
Intermediária
3. Grande emissão de óxido
de nitrogênio
Rica em combustível 1. Baixa velocidade de
recirculação promove
bom ponto de extinção
pobre e fácil ignição
2. Alta eficiência de
combustão em condições
de baixa potência
1. Baixa taxa de liberação
volumétrica de calor
2. Chama com alta
luminosidade
3. Emissão de fuligem
4. Depósito de carbono nas
paredes
5. Temperatura das paredes
do liner varia com o tipo
de combustível
6. Exigência de longa Zona
Intermediária
Pobre em combustível 1. Chama azulada
2. Sem emissão de fuligem
3. Sem depósito de carbono
4. Temperatura menor nas
paredes do liner
5. Sem necessidade de Zona
Intermediária
6. Boa distribuição de
temperatura na saída
1. Alta velocidade de
recirculação afeta de
forma adversa a
estabilidade e a ignição
Fonte: LEFEBVRE, 1983
Para limitar os valores de 𝜙, Moraes (2011) destaca que para o querosene é possível
utilizar a Equação 11:
11
Entretanto, é possível obter o valor de 𝜙𝑧𝑝determinando-se alguns limites de razão
de equivalência possíveis. Segundo Lefebvre (1998), devemos basear que a zona primária é
3000467,0 Tpobre
30006,082,1 Trico
46
projetada para usar entre 25% do total do ar fornecido pelo compressor e que para minimizar a
quantidade de poluentes gerada e combustível não queimado, seu valor não pode ultrapassar 1,5.
Desde que não seja previsto alguma forma de injeção de pulverização de
combustível, essa quantidade de ar destinado a zona primária deve ser suficiente para realizar a
combustão completa do combustível, manter a chama ancorada, resfriar as paredes próximas ao
injetor e principalmente determinar a temperatura de chama (Lefebvre,1998).
A razão de equivalência da zona primária relaciona-se com a porcentagem de ar que
entra na zona primária através da relação:
Utilizando o valor de b determinado desta maneira, e, fazendo uso do fato de que
Aref = (πD2 )/4, é agora possível resolver a Equação 6 para obter Aref de acordo com cada
condição de operação e utilizar o maior valor para a área de referência que pode ser obtido,
assumindo uma razão de equivalência razoavelmente pobre.
4.1.2. Diâmetro de Referência e Área do Tubo da Chama
Como este parâmetro pode ser definido por duas formas diferentes e este trabalho
consiste na determinação da câmara do combustor por meio do parâmetro de combustão, foi
utilizado o valor da variável segundo essa diretriz. O diâmetro de referência pode ser obtido
segundo a seguinte expressão:
Segundo Lefebvre(1998), experimentos indicam que a área do tubo de chama está
entre 55% e 75% da área de referência, desta forma a área do tubo de chama é calculada como:
Esta equação é bastante satisfatória para combustores tubulares, multi-tubulares e
anulares, mas para combustores tubo-anulares, um valor de cerca de 0,65-0,67 é mais apropriado,
uma vez que se torna necessário "desenhar" as câmaras de combustão.
3m
mzp
global
zp
12
4
2
ref
ref
DA
13
refft AA 7,014
47
4.1.3. Determinação das Seções do Combustor
Segundo Sawyer (1985), a quantidade de filme de ar de arrefecimento pode ser
estimada a partir de:
Onde, T3 é a condição do ponto de ponto de projeto, isto é, pode ser considerado como
sendo o ponto de máxima potência. Esta é uma quantidade considerável de ar disponível, mas deve
ser lembrado que nem tudo é parasitário, algumas frações da mesma serão utilizadas nas diversas
zonas da câmara de combustão (Sawyer, 1985).
A zona de fluxo de ar primário foi estimada em 25%, segundo relações empíricas de
acordo com Sawyer (1985). O comprimento desta zona deve estar entre 2/3 a 3/4 do diâmetro do
combustor. O último valor foi selecionado, já que é o que permite a mais alta eficiência de
combustão. Logo:
O ar da zona secundária é determinado considerando a condição de operação mais rica
possível, não ultrapassando o valor de 𝜙𝑔𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙 = 0,8 (Sawyer,1985).
Lefebvre (1983) e Sawyer (1985) garantem que o comprimento da zona secundária é
tomado como a metade do diâmetro do combustor, já que essa região da câmara de combustão
estabelece um compromisso entre o aumento da chama e a redução da eficiência da combustão.
Sendo assim:
No que diz respeito à zona de diluição, o seu diâmetro deve ficar entre 1,5 a 1,8 de 𝐷𝑓𝑡
pois, está intimamente ligado a largura do liner, sendo que comprimentos mais curtos promovem
uma mistura inadequada e um mais longo não auxilia na temperatura da saída da câmara, já que o
ar disponível para resfriar a parede da câmara reduziria o ar disponível para a zona de diluição
(Lefebvre, 1983).
Portanto, o comprimento da zona de diluição é dependente de dois parâmetros
fundamentais, segundo Lefebvre (1983):
301,0 3 TntoarrefecimedeardefilmedePercentual 15
ftzp DL4
3 16
ftzd DL2
1 17
48
Qualidade Transversal da Temperatura, 𝑇𝑄 =𝑇𝑚𝑎𝑥−𝑇4
𝑇4−𝑇3, onde 𝑇𝑚𝑎𝑥 é a altura máxima da
saída da câmara de combustão. Para turbinas de uso industrial 𝑇𝑄 assume valores entre 0,05
e 0,30. Sendo um valor de 𝑇𝑄 = 0,1 um valor razoável a ser adotado;
Fator de perda de pressão para câmara tubo-anular: ∆𝑃3_4
𝑞𝑟𝑒𝑓= 28;
A Tabela 4 é utilizada para ser definida a relação de 𝐿𝑧𝑑/𝐷𝑓𝑡:
Tabela 4 - Dados para os cálculos de comprimento da zona de diluição
∆𝐏𝟑−𝟒
𝐪𝐫𝐞𝐟
𝐋𝒁𝑫
𝐃𝒇𝒕
15 3,78-6TQ
20 3,83-11,83TQ+13,4TQ²
30 2,96-9,86TQ+13,3TQ²
50 2,718-12,64TQ+28,51TQ²
Fonte: LEFEBVRE, 1983
4.1.4. Projeto do Difusor
Segundo Lefebvre (1983), na sua forma mais simples, um difusor é meramente uma
passagem divergente em que o fluxo é desacelerado e a redução na velocidade de cabeça é
convertido a um aumento da pressão estática.
Apesar dessa explicação simplista, é importante ressaltar que a eficiência deste
processo de conversão é bastante considerável, pois quaisquer perdas que possam ocorrer resultam
em uma queda de pressão no difusor, o que não é indicado.
O projeto do difusor é geralmente limitado pelas restrições de espaço do motor.
Baseando-se também neste fator, o objetivo é criá-lo da forma mais eficaz dentro desse espaço, de
acordo com um mínimo de perda de pressão. Assim, o design final irá representar um compromisso
entre as restrições de espaço disponível, a perda de pressão e uniformidade do fluxo de saída
(Sawyer,1985).
Segundo Saravanamutto (2009), usualmente a velocidade de saída dos compressores
está na região de 90 m/s, enquanto Lefebvre (1983) afirma que as velocidades do ar na saída de
49
compressores de turbina a gás aeronáuticas apresentam valores da ordem de 150 m/s, tornando
quase impossível uma queima estável onde a velocidade de chama turbulenta está na ordem de 10
m/s.
Diante da necessidade de se reduzir a velocidade de saída do compressor para um valor
onde as perdas de pressão na câmara sejam baixas, o uso de difusores é normalmente empregado.
Além desta finalidade, o difusor deve, juntamente com a redução da velocidade, recuperar o
máximo da pressão estática e garantir um escoamento estável e suave, sem descolamento da
camada limite (Lefebvre, 1983).
As técnicas analíticas para a concepção de difusores que pode descrever
adequadamente o fluxo turbulento não uniforme que emitem a partir do compressor ainda não
estão disponíveis. Por isso, é necessária uma abordagem empírica baseada em dados
experimentais.
Uma representação esquemática do difusor, mostrando os elementos essenciais, é dada
na Figura 14. Nesta fase do desenho, o perfil do compressor é geralmente desconhecido e é
geralmente assumido como sendo uniforme.
Figura 14 - Dimensões básicas de um difusor
Fonte: SAWYER, 1985
Ao limitar o comprimento do difusor, o ângulo de divergência deve ser aumentado
sem deixar de considerar as perdas de pressão envolvidas. A variação da perda de pressão com o
ângulo de divergência pode ser observada na Figura 15.
50
Figura 15 - Influência do ângulo do difusor na perda de pressão
Fonte: LEFEBVRE, 1983
As perdas ocorrem devido ao atrito com as paredes e a separação da camada limite.
Um difusor longo e com baixo ângulo de divergência possui altas perdas devido ao atrito com as
paredes. Enquanto um difusor mais curto e com maior ângulo de divergência possui perdas de
pressão causadas pela separação do escoamento da camada limite. Para a saída e a entrada do
difusor, há um ângulo de divergência ótimo, normalmente entre 6º e 12º (Lefebvre, Ballal, 2009).
Tratando-se de um projeto convencional, metade da porcentagem de ar que é destinado
à zona primária seria admitida pelo swirler e o resfriamento da cúpula. A outra metade desse ar
escoa com o resto do ar pela seção de área 𝐴𝑎𝑛(Conrado, 2002).
Segundo Sawyer (1985), a velocidade do fluxo de ar total que passa por 𝐴0deve ser
igual a velocidade𝐴𝑎𝑛. Portanto,
ZPs mm 5,0 18
ftrefan AAA 19
san mmm 3
20
anan m
m
A
A 30 21
51
Sabendo que os ângulos característicos de um difusor seguem a Figura 16:
Figura 16 - Ângulos característicos de um difusor
Fonte: SAWYER, 1985
A perda de pressão do difusor pode ser calculada como:
23
onde, 1,75𝑅𝑎𝑟 = 502,4 𝐽/𝑘𝑔𝐾, a partir da fórmula citada em (Sawyer, 1985) e ∆𝑃𝑑𝑖𝑓
𝑃3= 0,1 (valor
típico) de acordo com Moraes (2011).
A perda de pressão total no difusor, ∆𝑃𝑑𝑖𝑓, possibilita o cálculo do valor do ângulo de
abertura do difusor, . Sendo assim, o comprimento do difusor é calculado como:
30 m
m
A
A ss 22
2
0
3
2
3
22,12
3
33
3
175,1
A
A
A
tg
P
TmR
P
Pa
dif
tg
DDLdif
2
30 24
52
4.1.5. Projeto do Swirler
O swirler consiste num anel tubular com um número de pás fixadas em escalonamento
em torno do injetor de combustível. O seu emprego permite estabilizar o comportamento e a
distribuição do escoamento de ar da zona primária intensificando a mistura combustível/ar, já que
a zona de recirculação criada pelo swirler é em função do grau dos vórtices, da perda de pressão
criada e o ângulo de divergência da parede.
Na câmara de combustão típica, induzida por recirculação do vórtice, o fluxo de ar
através dos orifícios no interior da zona primária é aumentado. A quantidade de ar recirculado foi
estimado entre 30 e 70% do ar total admitido através dos furos na zona primária. A estimativa de
trabalho útil é de 50%. Se a zona primária for projetada com duas séries de orifícios, dois terços
de ar devem entrar no primeiro conjunto de um dos orifícios e um terço restante deve entrar nos
orifícios da segunda coluna. A posição dos orifícios tem influência no comprimento da zona de
recirculação (Sawyer, 1985).
Knight and Walker (1957) dão a seguinte relação para cálculo da área frontal do
swirler𝐴𝑠𝑤:
Onde o fator de forma das palhetas, 𝐾𝑠𝑤, pode ser:
𝐾𝑠𝑤 = 1.30 (aletas finas retas)
𝐾𝑠𝑤 = 1.15 (aletas finas curvas)
O ângulo de escoamento de ar (ângulo de pás do swirler), 𝛽𝑠𝑤,possui valores entre 45º
e 70º e a vazão mássica de ar através do swirler𝑚𝑠𝑤 atende a relação:
O fator de perda de pressão total no swirler ∆Psw/𝑞𝑟𝑒𝑓 pode ser obtido através da
seguinte equação:
2
3
2
2
2
sec
m
m
A
A
A
AK
q
Psw
ft
ref
sw
sw
ref
sw
ref
dif 25
12,03,03
m
msw
ref
diff
refrefref
ftsw
ref
sw
q
P
q
P
q
P
q
PP
q
P
34_328
26
27
53
Onde ∆P𝑠/𝑞𝑟𝑒𝑓 é o fator perda total de pressão no snout dentro da entrada do ar
primário e possui valor típico de cerca de 25% (Sawyer, 1985).
A área do coroa do swirler (área frontal) 𝐴𝑠𝑤, logo, seu diâmetro 𝐷𝑜,𝑠𝑤 pode ser obtido
utilizando-se também o valor do diâmetro do injetor 𝐷𝑖,𝑠𝑤, sendo que:
De acordo com Moraes (2011), sabendo o valor do injetor 𝐷𝑜,𝑠𝑤, é possível calcular o
valor do ângulo da cúpula, 휃𝑐𝑢𝑝, o comprimento , 𝐿𝑐𝑢𝑝 e a distância da entrada do snout até o
injetor, 𝐿𝑥:
3
4_3
4_3
3
1
P
Pq
P
P
P
q
P
ref
dif
ref
dif
29
2
0
A
A
q
P
q
P ref
s
s
ref
s
2
,,
4swiswswo DAD
31
30
22
,,
2
2
,
2
,,
168442
168422cos
zrzrftswoswoftft
zrzrftswoftftswoftswoftft
cupLLDDDDD
LLDDDDDDDDDa
cup
swoft
cupula
DDL
tan2
,
tan2
,sworeft
x
DDL
32
33
34
54
Figura 17 - Representação da cúpula e da zona de recirculação
Fonte: CONRADO, 2002
4.2. CÁLCULO DE TEMPERATURA DA CHAMA
Para este fim, o combustor é dividido em quatro zonas: zona de recirculação, zona
primária, zona secundária e zona de diluição. Para cada zona, a não ser que indicado em contrário,
a temperatura da chama local será assumida que variam linearmente entre 𝑇𝑖𝑛 e
𝑇𝑜𝑢𝑡 (Sawyer,1985).
4.2.1. Zona de Recirculação
Tanto a eficiência, η, quanto a taxa de temperatura ideal, ΔT, referem-se ao volume
entre a entrada e a zona apropriada. As temperaturas são estimas segundo as seguintes equações:
55
A temperatura mais alta na zona é dada pela Equação 36 e a eficiência da combustão
é dada pela Equação 37. A variação de temperatura ∆𝑇𝜙=1pode ser estimada como (Moraes,2011):
Como esta zona é apenas parcialmente agitada, esta temperatura pode existir apenas
localmente, sendo assim, a temperatura média de saída pode ser estimada como (Sawyer, 1985):
4.2.2. Restante da Zona Primária
É a região que encontra-se entre a zona de recirculação e o começo da zona secundária.
Sua temperatura de saída e eficiência podem ser estimadas como:
4.2.3. Zona Secundária de Temperatura
A temperatura de entrada na zona secundária é igual à temperatura de saída da zona
primária. Sua temperatura de saída respeita a Equação 43:
3TTin
13, TTT ZRZRout
37 )]1863ln108(105475,1tanh[44,056,0 33
3 pTxZR
31 5,02185 TT 38
3
2
3
3,
ZRZRm
TTT 39
ZPZPZPout TTT 3,40
)]1863ln108(105475,1tanh[29,071,0 33
3 pTxZP 41
ZPoutZSin TT ,,
43 ZSZSZSout TTT 3,
42
35
36
56
Para misturas pobres, a eficiência da zona secundária, 휂𝑆𝑍 é dada por:
O valor de aproximado de D* para misturas pobres e o de φ300 para 300K pode ser
obtido por:
onde 𝑉𝑍𝑃 é o volume da zona primária, estimado como:
E a ordem de reação n obedece às seguintes relações de acordo o valor de razão de
equivalência 𝜙𝑍𝑆 da zona:
n=1 para 𝜙𝑍𝑆≤0,5 e para 𝜙𝑍𝑆>2,0;
n=2𝜙𝑍𝑆 para 0,5<𝜙𝑍𝑆≤1,0;
n=2/𝜙𝑍𝑆 para 1,0<𝜙𝑍𝑆≤2,0;
Para corrigir o valor de φ300quando 𝑇3 for diferente de 300K, é usada a seguinte
relação (Sawyer, 1985):
Para misturas ricas,
4.2.4. Temperatura da Zona de Diluição
As temperaturas na zona de diluição são:
*
300 097,102,8log911,01
loglog Dzs
ZS
44
P
PD 3* 0173,0736,0 45
n
ZP
f
TPV
m
3
3
46
]12/4/)[(2
ZRZRZPftZP LLLDV 47
n
ZP
f
TPV
mT ZSZS
3
2327,1
3
054,3))(10(
205,1205,1
3
48
ZSZS /1 49
ZSoutZDin TT ,, 50
57
Na zona de diluição, a eficiência η𝑍𝐷é calculada a partir das mesmas equações que
regem a eficiência na zona secundária η𝑍𝑆.
4.3. TRANSFERÊNCIA DE CALOR PARA AS PAREDES DO LINER
A transferência de calor que ocorre nas paredes do liner pode acontecer de três
maneiras diferentes: radiação, convecção e condução. A radiação, resultante do processo de
queima, é responsável pelo calor recebido pelo liner, pois os orifícios de entrada garantem a
formação de um filme de ar de arrefecimento que impedem que a maior parte dos gases quentes
entre em contato com a parede. Outra parcela provém da convecção dos gases quentes e o restante
por convecção através da parede.
Uma típica fenda de resfriamento é demonstrada na Figura 18:
Figura 18 - Geometria básica de uma fenda de resfriamento
Fonte: MORAES, 2011
Sabendo que t=espessura da fenda, s=altura da fenda é 𝑡𝑤 =espessura do tubo da
chama, é possível seguir uma metodologia específica para estimar a capacidade de refrigeração
das fendas.
Para calcular a troca de calor de uma fenda tubo-anular, é possível usar as equações
que governam o escoamento em uma área anular, pois as equações diferenciais governantes de
ZDZDZDout TTT 3, 51
58
ambos os escoamentos são idênticas. Portanto, é possível estudar o escoamento laminar através do
tubo-anular, utilizando condições de contorno adequadas (Çengel, Ghajar,2012).
Então, para uma câmara tubo-anular, a soma das áreas das fendas de resfriamento
interna e externa é dada por:
A vazão mássica de ar por cada fenda é:
Onde �̇�𝑎𝑛 é a vazão da tuboanula e 𝐴𝑎𝑛 a área da seção tubo-anular, diferença entre a
área de referência e a área do tubo da chama.
Pode ser obtido também a pressão dinâmica da região tubo-anular (Sawyer,1985):
Velocidade anular:
E a vazão volumétrica fica:
Conforme descrito por Moraes (2011),o passo seguinte é calcular o produto entre a
densidade e velocidade do ar na região do tubo da chama e da região tubo-anular, sendo o índice
g a seguir referente ao gás dentro da chama:
sDDA reffenda )(2 int 52
an
fenda
anfendaA
Amm 53
2
2
ananan
an
Umq
54
anan
anan
A
mU
55
an
anan
mV
56
an
ananan
A
mU
58 ft
g
ggA
mU
57
59
A eficiência de resfriamento 휂𝑟 pode ser determinada baseada na constante m
explicitada na Equação 59 (Lefebvre,1983):
O parâmetro x corresponde à distância do ponto que se deseja saber a temperatura até
a fenda de resfriamento mais perto. 𝜇𝑎𝑛 e 𝜇𝑔 são as viscosidades dinâmicas do ar e do gás no tubo
da chama, equacionadas conforme Equações 61 e 62 (Moraes, 2011):
Sendo 𝑇𝑔 a temperatura do gás no interior do tubo da chama.
Supondo a queima de um combustível hidrocarboneto líquido e que os atomizadores
são de injeção por pressão ou por difusão simples de gases para injeção (Sawyer,1985), as paredes
da câmara ao receber calor por convecção e radiação dos gases quentes, mas ao perder calor para
o ar do anel por convecção e por radiação para as paredes do invólucro, possui o seguinte balanço
de fluxo de calor através das paredes:
3,15,010,1
2,02,015,0
65,0
ms
t
s
xm
g
ar
gg
anan
U
Um
59
60
0,43,128,1
2,02,015,0
ms
t
s
x
g
ar
54
3
133
3
92
3
6
3 10.10.60074,410.7769,210.8564,500749,003863,0 TTTTan
62 54133926 10.10.60074,410.7769,210.8564,500749,003863,0 ggggg TTTT
61
60
Figura 19 - Processos de transferência de calor
Fonte: LEFEBVRE, 1983
Sob estas circunstâncias (e na ausência de condução longitudinal), o cálculo da
temperatura da parede envolve o seguinte balanço térmico (Sawyer, 1985):
Sendo condução através da parede, 𝐾12:
E sabendo que a condução será limitada do outro lado da parede, a Equação 63 pode
ser resolvida usando as equações propostas por Lefebvre e Herbert (1960), mais a equação de
condução padrão:
onde σ é a constante de Stefan-Boltzmann e vale 5,67𝑥10−8 𝑊/𝑚²𝐾4 , 휀𝑔 é a emissividade do
gás a temperatura 𝑇𝑔 e 휀𝑤 a emissão de energia por radiação da sua superfície que depende do
material, de sua oxidação e temperatura.
122211 KCRCR 63
2112 ww
w
w TTt
kK 64
)()1(2
1 5,2
1
5,25,1
1 wgggw TTTR
65
61
Tabela 5 - Valores médios de 휀𝑤 para alguns materiais
Materiais 𝛆𝒘
Nimonic 0,7
Aço inoxidável 0,8
Aço dúctil 0,9
Fonte: LEFEBVRE, 1983
As variáveis apresentadas na Equação 65 são representadas pelos seus valores médios,
porém é importante ressaltar que os gases e suas temperaturas não se apresentam de forma
homogênea dentro da câmara, sendo essa aproximação feita para facilitar os cálculos de calor
transmitido às paredes por radiação.
O comprimento característico do gás ou da chama pelo tamanho e a forma do volume
do gás pode ser determinado. De acordo com Fishenden e Saunders (1950), temos que:
Para câmara tubo-anulares:
A emissividade para chamas não luminosas pode ser aproximada para:
onde q = razão ar/combustível em massa.
De acordo com Moraes (2011):
5,05,0
3 )(290,0exp[1 gbg Tqlp
66 )sup/(4,3 erfícievolumelb
ftb Dal 9,06,0 67
0,43,1Re010,0
3,15,0Re069,0
1
36,0
8,0
1
1
8,0
1
mTTs
x
x
kC
mTTx
kC
wwgx
g
wwgx
g
69
an
ananx
xU
Re 70
68
62
Nas equações apresentadas, que devem ser resolvidas iterativamente, de forma que a
temperatura máxima não exceda 1100 K, temos que: 𝑘𝑤 = condutividade térmica do material do
tubo de chama (para o inox = 31 W/mK); 𝑇𝑤1 = temperatura da superfície interna do tubo de
chama; 𝑇𝑤2 = temperatura da superfície externa do tubo de chama; 𝑅𝑒𝑥 = número de Reynolds
com comprimento característico igual a distância até a fenda de resfriamento; 𝑘𝑔 = condutividade
térmica do gás no interior do tubo de chama; 𝑘𝑎𝑛 = condutividade térmica da parede da câmara
tubo-anular; 𝐷𝑎𝑛 = altura da região tubo-anular.
4.3.1. Concepção de orifícios de admissão de ar
A Figura 20 ilustra o arranjo geométrico e definições para um orifício de admissão de
ar. Embora o fluxo de ar do espaço anular é geralmente paralelo ao plano dos furos, a deflexão
máxima das linhas de corrente ocorre nas imediações. A quantidade de perturbação depende:
Buraco da geometria;
Perda de pressão linear;
Geometria linear;
Proporção do furo.
3112854 10.5011410,110.89398,410.80957,910.92657,5 gggg TTTk 71
)(4,0 4
3
4
22 TTR w
73 )(020,0 32
8,0
2,02 TTA
m
D
kC w
anan
an
an
an
72
63
Figura 20 - Arranjo Geométrico do Furo
Fonte: MORAES, 2011
Assim, a vazão de ar pelos orifícios �̇�𝑜𝑟 e pelas fendas �̇�𝑓𝑒𝑛𝑑𝑎𝑠 pode ser calculada como:
Como não é conhecido o fator de descarga, os passos para a determinação dos orifícios
consistem em um procedimento iterativo, descrito por Alves e Lacava (2009):
1- Determinação da razão de passagem – razão entre a vazão que entrará nos orifícios e a
vazão da região tubo-anular na região desses orifícios – B = 𝑚𝑜𝑟
𝑚𝑎𝑛;
2- Estimar inicialmente o coeficiente de descarga para os orifícios como 𝐶𝑑,𝑜𝑟 = 0,5;
3- Estimar o somatório das áreas dos orifícios para cada fileira através da equação:
4- Calcular a razão da área 𝛼 = 𝐴𝑜𝑟
𝐴𝑎𝑛 e a razão entre a razão de passagem pela razão da área
휁 =𝐵
𝛼;
ZPfendasSWRZPZPor mmmm ,, 74
ZSfendasZSZSor mmm ,, 75
ZDfendasZSZPtotalZDor mmmmm ,, 76
06,05,143
3
22
,
2
3
3
2
3
P
P
ACP
Tm
P
P or
orord
hor 77
64
5- Calcular o fator de pressão K, pela equação:
sendo que 𝛿=0,8 se o orifício possuir cantos vivos e 𝛿=0,6 para cantos convexos.
6- Recuperar o coeficiente de descarga segundo a equação:
Chegando ao coeficiente de carga e consequentemente ao valor da área dos orifícios,
é necessário ainda calcular o ângulo de entrada do jato:
Os orifícios das zonas primária, secundária e diluição não são os únicos na câmara de
combustão, normalmente existem aqueles que ficam no bocal de saída do combustor. Esses
orifícios evitam acúmulo de material proveniente da queima e sobreaquecimento do liner devido
à não circulação do ar no anel após os orifícios de diluição. Os cálculos a serem feitos para esses
orifícios devem seguir a mesma metodologia descrita para os orifícios das zonas do combustor.
5,0
2
2
2422 4421 BBK
78
5,022,
24
1
BKK
KC ord
79
K
K
Casen
ord
1
2
1
,
2
80
65
5. RESULTADOS OBTIDOS
Como este trabalho foi feito baseado em mensurar a eficiência de uma câmara de
combustão de uma turbina tubo-anular a gás flex de acordo com o parâmetro de carregamento do
combustor, todo o estudo está de acordo com a formulação descrita no capítulo 4.1.1.2. -
Considerações de combustão. Este parâmetro, que está ligado à razão combustível/ar dado e tem
seus valores limitados como foi o do querosene descrito nas Equações 11 e 12, também precisa
limitar seus valores para o etanol e o metanol. Para que isso fosse possível, foi usado o programa
CANTERA®, que consiste em uma biblioteca baseada na cinética química e os mecanismos
detalhados de reação para o processo de combustão de diferentes tipos de combustíveis. Esse
pacote computacional de código livre é disponibilizado na internet pelo sítio http://
www.cantera.org, que permite gerar as curvas de inflamabilidade tanto do etanol quanto do
metanol. Tais curvas, descritas na Figura 2 são feitas em função da temperatura versus a taxa de
equivalência do combustível (𝜙), e podem ser vistas nos Gráficos 1 e 2:
Gráfico 1 – Curvas de Inflamabilidade do Etanol
Fonte: Elaborado pela própria autora
0,00
500,00
1000,00
1500,00
2000,00
2500,00
0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00
Tem
per
atura
(K
)
Taxa de equivalência 𝜙
300 K 325 K 350 K 400 K 500 K
66
Gráfico 2 – Curvas de Inflamabilidade para o Metanol
Fonte: Elaborada pela própria autora
Dessa forma, foi possível calcular tais limitações traçando-se duas derivadas, uma com
uma curva inclinada para cima (curva de ϕpobre) e outra com a curva inclinada para baixo (curva de
ϕrico), e então calculado os parâmetros da reta que descreviam os limites das curvas, resultando nas
equações limitantes:
Etanol
Metanol
As curvas de inflamabilidade para o querosene foram apresentadas na Equação 11.
0,00
500,00
1000,00
1500,00
2000,00
2500,00
0 0,5 1 1,5 2 2,5
Tem
per
atu
ra [
K]
Razão de Equivalência
Curvas de Inflamabilidade - Metanol
300 K 325 K 350 K 400 K 500 K
30004335,034662,0 Tpobre 81
300136,05689,3 Trico 82
300079447,0614,0 Tpobre
3001878,07356,5 Trico
83
84
67
Tendo tais parâmetros estabelecidos no programa para a utilização dos diferentes
combustíveis, foi utilizado como dados de entrada parâmetros da saída de um compressor de uma
turbina, que está em construção em um laboratório o qual não fomos autorizados a dar maior
detalhes. Tais valores estão apresentados na Tabela 6.
Tabela 6 – Valores de saída do compressor
Condição de
operação
P3 [kPa] p3[kPa] m3[kg/s] T3 [K]
1 501,56 480,22 7,92 491,43
2 186,29 178,49 3,16 419,23
3 627,00 600,14 9,62 523,92
4 182,39 175,11 3,27 357,88
Fonte: Elaborado pela própria autora
Baseando-se neste compressor em estudo, alguns parâmetros fundamentais também
foram estipulados, conforme Tabela 7:
Tabela 7 - Parâmetros fundamentais do compressor
Parâmetros Fundamentais: Valores
Área de saída do compressor, A3 (m²) 0,0085
Área de saída da câmara (m²) 0,0106
Diâmetro interno da câmara de combustão, Dint(m) 0,04
�̇�𝟑√𝐓𝟑
𝐏𝟑𝐀𝐫𝐞𝐟
0,039
∆𝐏𝟑−𝟒
𝐏𝟑
0,06
Fonte: Elaborado pela própria autora
Dessa forma, foi possível coletar os primeiros dados fundamentais da câmara de
combustão tubo-anular a gás flex gerados pelo programa em Matlab® dependendo do combustível
usado e considerando o parâmetro de carregamento do combustor, descritos na Tabela 8:
Tabela 8 - Parâmetros fundamentais da turbina
Dados TurbinaGás Flex
PARÂMETROS FUNDAMENTAIS: Metanol Etanol Querosene
Diâmetro de Referência, Dref(m) 0,152845 0,152845 0,152845
Área de referência, Aref(m²) 0,0926 0,0926 0,0926
Diâmetro do tubo de chama, Dft (m) 0,102406 0,102406 0,102406
Quantidade de ar para a zona primária (%) 17,69 30,45 40,94
Número de injetores 6 6 6
Fonte: Elaborado pela própria autora
Comparativamente a Sawyer (1985), que estabeleceu os seguintes valores
fundamentais para sua câmara de combustão:
Aft = 6.17 x 10−2m2
68
Dft = 2.80 x 10−1m2
Aref = 8.81 x 10−2m2
Dref = 3.35 x 10−1m2
Quantidade de ar para a zona primária = 25% do fluxo de ar total.
Como pode-se perceber, apesar dos valores apresentarem diferenças por motivos
diversos na execução do projeto da câmara de combustão, é possível notar que eles se assemelham
em escala, o que torna o começo do projeto coerente.
Feito isso, foram calculados os dados do comprimento total de cada zona da câmara
de combustão, definindo-se seu comprimento total, como pode ser visto na Tabela 9:
Tabela 9 - Comprimentos das zonas da câmara de combustão
Comprimento Metanol Etanol Querosene
Comprimento da zona de recirculação
(mm)
73,56 73,524 73,495
Comprimento da zona primária (mm) 76,805 76,805 76,805
Comprimento da zona secundária
(mm)
51,203 51,203 51,2013
Comprimento da zona de diluição
(mm)
215,77 215,77 215,77
Comprimento total da câmara (mm) 417,338 417,302 417,2713
Fonte: Elaborado pela própria autora
O difusor, descrito no capítulo 4.1.4 – Projeto do Difusor resultou nos parâmetros da
Tabela 10, para cada um dos combustíveis testados:
Tabela 10 - Parâmetros fundamentais do difusor
DIFUSOR Metanol Etanol Querosene
Percentual de ar pelo snout (%) 8,84541 15,22867 20,47195
Diâmetro de saída do compressor,D3(m) 0,5 0,5 0,5
Diâmetro final do difusor, D0 (m) 1 1 1
Perda de carga no difusor (%) 3 3 3
Semi ângulo de aberturo do difusor, φ (°) 6,201271 6,176623 6,156493
Comprimento do difusor ,Ldif (mm) 2,300814 2,310067 2,317679
Fonte: Elaborado pela própria autora
O swirler, descrito no capítulo 4.1.5 – Projeto do Swirler resultou nos valores da
Tabela 11, para cada um dos combustíveis testados:
69
Tabela 11 - Dados fundamentais do swirler
SWIRLER Metanol Etanol Querosene
Percentual de ar pelo swirler (%) 8 8 8
Ângulo das pás do swirler, β(°) 45 45 45
Diâmetro do injetor, Disw (m) 0,016 0,016 0,016
Diâmetro externo, Dsw (m) 0,03678 0,036762 0,036747
Fonte: Elaborado pela própria autora
Os orifícios de distribuição de ar, referente à parte de transferência de calor da câmara
de combustão, resultou nos seguintes parâmetros descritos na Tabela 12:
Tabela 12 - Orifícios da distribuição do ar
ORIFÍCIOS DE DISTRIBUIÇÃO DO AR: Metanol Etanol Querosene
Número de orifícios na zona primária, n_or_zp 18 18 18
Diâmetro do orifício externo da zona primária, Dzp_ext 0,004997 0,006552 0,007592
Diâmetro do orifício interno da zona primária, Dzp_int 0,003188 0,00418 0,004843
Número de orifícios na zona secundária, n_or_zs 18 18 18
Diâmetro do orifício externo da zona secundária,
Dzs_ext
0,013463 0,012107 0,010888
Diâmetro do orifício interno da zona secundária, Dzs_int 0,008589 0,007724 0,006946
Número de orifícios da primeira fileira da zona de
diluição, n_or_zd1
18 18 18
Diâmetro do orifício externo da primeira fileira da zona
de diluição, Dzd1_ext
0,030051 0,030051 0,030051
Diâmetro do orifício interno da primeira fileira da zona
de diluição, Dzd1_int
0,019172 0,019172 0,019172
Número de orifícios da segunda fileira da zona de
diluição, n_or_zd1
18 18 18
Diâmetro do orifício externo da segunda fileira da zona
de diluição, Dzd2_ext
0,028323 0,028323 0,028323
Diâmetro do orifício interno da segunda fileira da zona
de diluição, Dzd2_int
0,01807 0,01807 0,01807
Número de orifícios na região de adaptação, n_or_zx 18 18 18
Diâmetro do orifício externo da região de adaptação,
Dzx_ext
0,019504 0,019504 0,019504
Diâmetro do orifício interno da região de adaptação,
Dzx_int
0,012443 0,012443 0,012443
Fonte: Elaborado pela própria autora
Estabelecido todos os valores estruturais para a câmara de combustão, foi então
possível calcular os valores de temperatura e eficiência na saída de cada zona de combustão,
conforme Tabela 13 e Tabelas 14,15 e 16. Para facilitar o entendimento dos dados, definiram-se
as siglas de saída para cada zona da combustão, sendo:
70
ZR – Zona de Recirculação
ZP – Zona Primária
ZS – Zona Secundária
ZD – Zona de Diluição
E as condições de operação, aquelas descritas na Tabela 6.
Tabela 13 - Eficiência de saída de cada zona de combustão
Eficiência
(%)
Metanol Etanol Querosene
Condição ZR ZP ZS ZD ZR ZP ZS ZD ZR ZP ZS ZD
1 58,80 72,85 99 100 58,80 72,85 99 100 58,80 72,85 99 100
2 46,75 64,90 99 100 46,75 64,90 99 100 46,75 64,90 99 100
3 62,61 75,35 99 100 62,61 75,35 99 100 62,61 75,35 99 100
4 42,72 62,25 100 100 42,72 62,25 100 100 42,72 62,25 100 100
Fonte: Elaborado pela própria autora
Tabela 14 - Temperatura de saída de cada zona de combustão para o Metanol
Temperatura (K) Metanol
Condição Entrada ZR ZP ZS ZD
1 491,43 1594,00 1843,91 1655,10 857,12
2 419,23 1304,98 1618,97 1582,90 758,08
3 523,92 1690,11 1924,63 1687,59 903,67
4 357,88 1177,11 1506,53 1541,61 631,12
Fonte: Elaborado pela própria autora
Tabela 15 - Temperatura de saída de cada zona de combustão para o Etanol
Temperatura (K) Etanol
Condição Entrada ZR ZP ZS ZD
1 491,43 1598,00 1860,91 1937,10 989,54
2 419,23 1308,98 1635,97 1864,90 1131,43
3 523,92 1694,11 1941,63 1969,59 1102,12
4 357,88 1181,11 1523,53 1823,61 722,87
Fonte: Elaborado pela própria autora
Tabela 16 - Temperatura de saída de cada zona de combustão para o Querosene
Temperatura (K) Querosene
Condição Entrada ZR ZP ZS ZD
1 491,43 1631,87 1892,37 2477,43 1099,53
2 419,23 1342,85 1667,43 2405,23 1048,68
3 523,92 1727,98 1973,09 2509,92 969,84
4 357,88 1214,98 1554,99 2363,94 803,20
Fonte: Elaborado pela própria autora
71
Para todas as condições de operação, foram geradas as temperaturas de resfriamento
das paredes e da temperatura dos gases, porém, para facilitar a criação dos gráficos e análise dos
dados, será considerado apenas a condição de operação 1, descritos nas Tabelas 17, 18 e 19.
Tabela 17 - Temperatura dos gases na saída de cada zona de combustão
Temperatura dos gases (K)
Tipo de Combustível Entrada ZR ZP ZS ZD
Metanol 1226,48 1807,035 1618,117 1226,48 1103,4
Etanol 1230,48 1817,035 1618,2 1226,6 1104,7
Querosene 1600,7 2413,57 2006,633 1500,3 1251,6
Fonte: Elaborado pela própria autora
Tabela 18 - Temperatura da parede 1 na saída de cada zona de combustão
Twall_1 (K)
Tipo de Combustível Entrada ZR ZP ZS ZD
Metanol 491,43 853,5177 759,0583 563,23899 553,239
Etanol 491,43 887,895 896,5922 564,57232 554,5723
Querosene 491,43 1156,785 953,3163 575,86232 565,862
Fonte: Elaborado pela própria autora
Tabela 19 - Temperatura da parede 2 na saída de cada zona de combustão
Twall_2 (K)
Tipo de Combustível Entrada ZR ZP ZS ZD
Metanol 491,43 843,5177 749,058279 553,239 553,239
Etanol 491,43 877,895 886,592172 554,5723 544,5723
Querosene 491,43 1146,785 943,316282 565,8623 555,65
Fonte: Elaborado pela própria autora
A metodologia feita, ao gerar todos os dados descritos no programa Matlab®, possibilitou diversas
análises e para facilitar o entendimento, foram criados os seguintes gráficos:
72
5.1. TEMPERATURA X COMPRIMENTO DA CÂMARA
Gráfico 3 – Gráfico de Temperatura x Comprimento da Câmara para o Metanol
Fonte: Elaborado pela própria autora
Gráfico 4 – Temperatura x Comprimento da câmara para o Etanol
Fonte: Elaborado pela própria autora
0
500
1000
1500
2000
2500
0 73,56 150,365 201,568 417,338
Tem
per
atura
[K
]
Comprimento da Câmara [mm]
523,92 K
491,43 K
419,23 K
357,88 K
ZonaPrimária
ZonaSecundária
Zona de Diluição
Zona de Recirculação
0
500
1000
1500
2000
2500
0 73,524 150,329 201,532 417,302
Tem
per
atura
[K
]
Comprimento da Câmara [mm]
523,92 K
491,43 K
419,23 K
357,88 K
ZonaSecundária
Zona de Diluição
Zona de Recirculação
ZonaPrimária
73
Gráfico 5 - Temperatura x Comprimento da câmara para o Querosene
Fonte: Elaborado pela própria autora
Como pode-se notar, o querosene atinge os maiores valores de temperatura ao sair de
todas as zonas, enquanto o metanol é aquele que apresenta as menores temperaturas. Para basear
se os dados do programa desenvolvido em Matlab® estão coerentes, foi utilizado o programa GT-
Combustor, que gera os dados para uma câmara anular utilizando-se os mesmos valores de entrada.
Sendo assim, foram gerados os gráficos que correlacionam Temperatura x Comprimento da
Câmara Anular:
Gráfico 6 – Temperatura x Comprimento da Câmara Anular para o Metanol
Fonte: Elaborado pela própria autora
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0 73,495 150,3 201,503 417,273
Tem
per
atura
[K
]
Comprimento da Câmara [mm]
523,92 K
491,43 K
419,23 K
357,88 K
ZonaPrimária
ZonaSecundária
Zona de Diluição
Zona de Recirculação
0
500
1000
1500
2000
0 88,243 154,402 198,508 441,153
Tem
per
atura
[K
]
Comprimento da Câmara [mm]
523,92 K
491,43 K
419,23 K
357,88 K
ZonaPrimária
ZonaSecundária
Zona de Diluição
Zona de Recirculação
74
Gráfico 7 – Temperatura x Comprimento da Câmara Anular para o Etanol
Fonte: Elaborado pela própria autora
Gráfico 8 – Temperatura x Comprimento da Câmara Anular para o Querosene
Fonte: Elaborado pela própria autora
Comparativamente com os gráficos produzidos com os dados gerados pelo programa
GT-Combustor, podemos perceber que o querosene também atinge os maiores valores de
0
500
1000
1500
2000
0 88,981 155,693 200,168 444,842
Tem
per
atura
[K
]
Comprimento da Câmara [mm]
523,92 K
491,43 K
419,23 K
357,88 K
ZonaPrimária
ZonaSecundária
Zona de Diluição
Zona de Recirculação
0
500
1000
1500
2000
2500
0 88,68 155,167 199,492 443,339
Tem
per
atura
[K
]
Comprimento da Câmara [mm]
523,92 K
491,43 K
419,23 K
357,88 K
ZonaPrimária
ZonaSecundária
Zona de Diluição
Zona de Recirculação
75
temperatura ao sair da zona de diluição, mantendo a faixa de temperaturas bem próximas daquelas
encontradas pelo programa para a câmara tubo-anular.
Com o trabalho de Dias (2011), que projetou uma câmara de combustão anular para
biocombustíveis e obteve o Gráfico 9, é possível verificar que seu projeto apresenta maiores
valores na saída da zona primária, porém, se examinarmos de uma maneira geral, é possível
estabelecer um padrão entre os gráficos. Tal discrepância pode ter ocorrido pelo fato dos valores
estruturais e de entrada da turbina terem sido diferentes, bem como o combustível utilizado não
serem os mesmos aqui descritos como objetos de estudo.
Gráfico 9 – Temperatura x Comprimentos da Câmara
Fonte: Dias, 2011
76
5.2. TEMPERATURA DE RESFRIAMENTO X COMPRIMENTO DO COMBUSTOR
Gráfico 10 - Perfil de temperatura para uma câmara de combustão operando com Metanol
Fonte: Elaborado pela própria autora
Gráfico 11 - Perfil de temperatura para uma câmara de combustão operando com Etanol
Fonte: Elaborado pela própria autora
1226,48
1807,04
1618,12
1226,48
1103,40 1103,40
491,43
853,52759,06
563,24 553,24 553,24
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Tem
per
atu
ra [
K]
Comprimento do Combustor [mm]
Tgases
Twall1
Twall2
1230,48
1817,04
1618,20
1226,60
1104,70
491,4
877,9 886,6
554,6 544,6
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Tem
per
atra
[K
]
Comprimento do Combustor [mm]
Tgases
Twall1
Twall2
77
Gráfico 12 - Perfil de temperatura para uma câmara de combustão operando com Querosene
Fonte: Elaborado pela própria autora
De modo a validar os dados, foi usado os gráficos presentes no artigo de Almeida et
al. (2015) que trata de uma câmara de combustão anular e opera com os biocombustíveis etanol e
metanol, mostrados nos Gráficos 13 e 14:
Gráfico 13 - Perfil de temperatura para uma câmara de combustão anular operando com Etanol
Fonte: ALMEIDA, et al. (2015)
1600,7
2413,6
2006,6
1500,3
1251,6
491,4
1146,8
943,3
565,9 555,7
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Tem
per
atu
ra [
K]
Comprimento do combustor [mm]
Tgases
Twall1
Twall2
78
Gráfico 14 - Perfil de temperatura para uma câmara de combustão anular operando com Metanol
Fonte: ALMEIDA, et al. (2015)
Ao comparar os gráficos feitos a partir dos dados gerados pelo programa para a câmara
tubo-anular com os gráficos para uma câmara anular do artigo de Almeida et al. (2015), percebe-
se que os valores de temperatura atingidos pela câmara tubo-anular são menores, mas de uma
forma geral apresentam o mesmo comportamento, com um aumento de temperatura perto dos 50
mm do comprimento do combustor, o que mostra a veracidade dos dados calculados pelo programa
criado com base na metodologia apresentada.
Com os gráficos apresentados, verifica-se que o aumento da pressão e da temperatura
à entrada da câmara de combustão resulta em um duplo efeito sobre a temperatura das paredes do
combustor, já definido por Almeida et al. (2015):
Aumenta a taxa de transferência de calor por radiação para as paredes do combustor, resultando
no aumento da temperatura do ar de arrefecimento;
Aumento da temperatura do ar de arrefecimento produz um aumento do consumo do fluxo para
manter as temperaturas das paredes do combustor dentro do intervalo permitido de temperatura.
79
5.3. RAZÃO DE EQUIVALÊNCIA X FLUXO DE MASSA DE AR:
A correlação entre a razão de equivalência e o fluxo de massa de ar consiste em
estabelecer as curvas de estabilidade em que a turbina opera. Para isso, foi utilizado os dados de
entrada da condição 1 de operação e variou-se o parâmetro ϕzp de 0,4 a 2 e coletado os valores
da massa de ar para tal razão de equivalência. Os parâmetros gerados para a execução dos Gráficos
15, 16 e 17, que consta de uma elipse para marcar o “bico” de estabilidade da câmara de
combustão estão estabelecidos nas Tabelas 20, 21 e 22.
Tabela 20 – Parâmetros de massa de ar/combustível variando razão de equivalência ao operar
com Metanol
Metanol
Condição ϕzp Taxa de
Massa de
Combustível
(kg/s)
Massa de ar
(kg/s)
1 0,4 0,005764 0,922307
1 0,6 0,016178 1,725605
1 0,7 0,024227 2,215018
1 0,75 0,030271 2,583095
1 0,8 0,03821 3,056788
1 0,85 0,048633 3,661745
1 0,9 0,062322 4,431772
1 0,95 0,080319 5,41095
1 1 0,104008 6,656501
1 1,05 0,110044 6,707443
1 1,1 0,085079 4,950033
1 1,15 0,067265 3,74347
1 1,2 0,054233 2,892443
1 1,25 0,044486 2,277676
1 1,3 0,037051 1,824036
1 1,35 0,031279 1,482863
1 1,4 0,026728 1,22185
1 1,45 0,023088 1,019057
1 1,5 0,020139 0,85928
1 1,6 0,015721 0,628855
1 1,7 0,012635 0,475686
1 1,8 0,010405 0,369947
1 1,9 0,008745 0,294565
1 2 0,007479 0,239318
Fonte: Elaborado pela própria autora
80
Tabela 21 - Parâmetros de massa de ar/combustível variando razão de equivalência ao operar
com Etanol
Etanol
Condição φzp Taxa de
Massa de
Combustível
(kg/s)
Massa de ar
(kg/s)
1 0,4 0,005913 1,330456
1 0,6 0,016595 2,489239
1 0,7 0,024852 3,195232
1 0,75 0,031052 3,726194
1 0,8 0,039196 4,409511
1 0,85 0,049887 5,28218
1 0,9 0,06393 6,392968
1 0,95 0,082391 7,805463
1 1 0,106691 9,602208
1 1,05 0,112883 9,675694
1 1,1 0,087274 7,140575
1 1,15 0,069001 5,400072
1 1,2 0,055633 4,172439
1 1,25 0,045634 3,285619
1 1,3 0,038007 2,631228
1 1,35 0,032086 2,139076
1 1,4 0,027418 1,762556
1 1,45 0,023684 1,470021
1 1,5 0,020659 1,239537
1 1,6 0,016127 0,907143
1 1,7 0,012961 0,686192
1 1,8 0,010673 0,53366
1 1,9 0,008971 0,424919
1 2 0,007672 0,345224
Fonte: Elaborado pela própria autora
81
Tabela 22 - Parâmetros de massa de ar/combustível variando razão de equivalência ao operar
com Querosene
Querosene
Condição φzp Taxa de
Massa de
Combustível
(kg/s)
Massa de ar
(kg/s)
1 0,4 0,005852 2,2824
1 0,6 0,016424 4,2703
1 0,7 0,024596 5,48143
1 0,75 0,030732 6,3923
1 0,8 0,038792 7,56453
1 0,85 0,049374 9,0616
1 0,9 0,063272 10,9672
1 0,95 0,081544 13,3903
1 1 0,105594 16,4726
1 1,05 0,111722 16,5987
1 1,1 0,086376 12,2497
1 1,15 0,068291 9,26384
1 1,2 0,05506 7,15784
1 1,25 0,045164 5,63649
1 1,3 0,037616 4,51388
1 1,35 0,031756 3,66959
1 1,4 0,027136 3,02367
1 1,45 0,02344 2,52183
1 1,5 0,020446 2,12643
1 1,6 0,015961 1,55621
1 1,7 0,012828 1,17716
1 1,8 0,010563 0,9155
1 1,9 0,008878 0,72895
1 2 0,007593 0,59223
Fonte: Elaborado pela própria autora
82
Gráfico 15 - Curvas de Estabilidade para o Metanol
Fonte: Elaborado pela própria autora
Gráfico 16 - Curvas de Estabilidade para o Etanol
Fonte: Elaborado pela própria autora
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0,01 0,1 1 10 100
φzp
Fluxo de Massa de Ar (kg/s)
(501,56 kPa; 491,43 K)
(186,29 kPa; 419,23 K)
(627,0 kPa; 523,92 K)
(183,39 kPa; 357,88 K)
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0,1 1 10 100
φzp
Fluxo de Massa de Ar (kg/s)
(501,56 kPa; 491,43 K)
(186,29 kPa; 419,23 K)
(627,0 kPa; 523,92 K)
(183,39 kPa; 357,88 K)
83
Gráfico 17 - Curvas de Estabilidade para o Querosene
Fonte: Elaborado pela própria autora
De modo a validar os dados, foi usado os gráficos presentes no artigo de Almeida et
al. (2015) que trata de uma câmara de combustão anular e opera com os biocombustíveis etanol e
metanol, mostrados nos Gráficos 18 e 19:
Gráfico 18 - Curvas de Estabilidade para o Etanol
Fonte: ALMEIDA et al. (2015)
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0,1 1 10 100
φzp
Fluxo de Massa de Ar (kg/s)
(501,56 kPa; 491,43 K)
(186,29 kPa; 419,23 K)
(627,0 kPa; 523,92 K)
(183,39 kPa; 357,88 K)
84
Gráfico 19 - Curvas de Estabilidade para o Metanol
Fonte: ALMEIDA et al. (2015)
A temperatura e pressão de entrada do queimador têm uma influência significativa na
estabilidade da combustão, tal como refletido pelas curvas de estabilidade. A partir dos Gráficos
15, 16 e 17 apresentados, quando a temperatura de funcionamento é de 419 K e a pressão é de
189 kPa, vê-se que a zona de estabilidade é mais estreita. Para as mesmas condições de
funcionamento do fluxo de massa de ar é menor do que aquele obtido para a temperatura de
funcionamento de 523 K e pressão de 627 kPa. Conclui-se que quanto maior a temperatura e
pressão de entrada, maior o fluxo de ar e menor as regiões de instabilidade da turbina, verificado
tal comportamento também nos Gráficos 18 e 19 do artigo de Almeida, et al. (2015)
85
5.4. EFICIÊNCIA X COMPRIMENTO DA CÂMARA
A eficiência da câmara de combustão foi calculada conforme estabelecido pelas Equações
37,41 e 44, gerando os seguintes gráficos em função do comprimento da câmara:
Gráfico 20 – Eficiência x Comprimento da Câmara para o Metanol
Fonte: Elaborado pela própria autora
Gráfico 21 - Eficiência x Comprimento da Câmara para o Etanol
Fonte: Elaborado pela própria autora
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 73,56 150,365 201,568 417,338
Efi
ciên
cia
[%]
Comprimento da Câmara [mm]
523,92 K
491,43 K
419,23 K
357,88 K
ZonaPrimária
ZonaSecundária
Zona de Diluição
Zona de Recirculação
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 73,524 150,329 201,532 417,302
Po
rcen
tagem
[%
]
Comprimento da Câmara [mm]
523,92 K
491,43 K
419,23 K
357,88 K
ZonaPrimária
ZonaSecundária
Zona de Diluição
Zona de Recirculação
86
Gráfico 22 - Eficiência x Comprimento da Câmara para o Querosene
Fonte: Elaborado pela própria autora
Para validação dos dados, foram gerados os Gráficos 23, 24 e 25, com os valores do
programa GT-Combustor, de Eficiência x Comprimento para uma câmara de combustão anular:
Gráfico 23 - Eficiência x Comprimento da Câmara para o Metanol pelo GT-Combustor
Fonte: Elaborado pela própria autora
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 73,495 150,3 201,503 417,273
Po
rcen
tagem
[%
]
Comprimento da Câmara [mm]
523,92 K
491,43 K
419,23 K
357,88 K
ZonaPrimária
ZonaSecundária
Zona de Diluição
Zona de Recirculação
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 88,243 154,402 198,508 441,153
Po
rcen
tagem
[%
]
Comprimento da Câmara [mm]
523,92 K
491,43 K
419,23 K
357,88 K
ZonaPrimária
ZonaSecundária
Zona de Diluição
Zona de Recirculação
87
Gráfico 24 - Eficiência x Comprimento da Câmara para o Etanol pelo GT-Combustor
Fonte: Elaborado pela própria autora
Gráfico 25 - Eficiência x Comprimento da Câmara para o Querosene do GT-Combutor
Fonte: Elaborado pela própria autora
Como é possível perceber, os valores de eficiência para os três combustíveis
apresentam os mesmos valores ao sair das zonas de combustão. Isso se deve ao fato da eficiência
de combustão depender do parâmetro de carregamento do combustor, poder calorífico e densidade
energética do combustível queimado. Essa diferença de densidade energética produzirá uma
modificação na relação ar-combustível nas zonas de combustão, mantendo as eficiências muito
próximas e sem modificar a geometria da câmara de combustão da turbina a gás flex.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 88,243 154,402 198,508 441,153
Po
rcen
tagem
[%
]
Comprimento da Câmara [mm]
523,92 K
491,43 K
419,23 K
357,88 K
ZonaPrimária
ZonaSecundária
Zona de Diluição
Zona de Recirculação
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 88,243 154,402 198,508 441,153
Po
rcen
tagem
[%
]
Comprimento da Câmara [mm]
523,92 K
491,43 K
419,23 K
357,88 K
ZonaPrimária
ZonaSecundária
Zona de Diluição
Zona de Recirculação
88
Entretanto, é possível visualizar claramente para todos os casos, que quanto maior a
temperatura de entrada, maiores eficiências são alcançadas na saída das zonas de combustão.
5.5. GASES DE EXAUSTÃO
Por meio do software Cantera®, as reações químicas existentes nos processos de
combustão do metanol, etanol e querosene foram simuladas. No Anexo 1 estão contidos os valores
da fração molar dos reagentes envolvidos nessa combustão ao se variar o parâmetro de
carregamento do combustor operando-se a turbina com base na condição de operação 1. Para
melhor visualização, foram criados os gráficos correspondentes a essas reações com seus
respectivos reagentes:
Gráfico 26 – Reagentes envolvidos na combustão do Metanol
Fonte: Elaborado pela própria autora
1,E-06
1,E-05
1,E-04
1,E-03
1,E-02
1,E-01
1,E+00
0,1 0,6 1,1 1,6 2,1 2,6
Fraç
ão M
ola
r
Razão de Equivalência (ϕ)
CH4O O2 N2 Ar CO2 H2O(g)
89
Gráfico 27 - Reagentes envolvidos na combustão do Etanol
Fonte: Elaborado pela própria autora
Gráfico 28 - Reagentes envolvidos na combustão do Querosene
Fonte: Elaborado pela própria autora
1,E-06
1,E-05
1,E-04
1,E-03
1,E-02
1,E-01
1,E+00
0,1 0,6 1,1 1,6 2,1 2,6
Fraç
ão M
ola
r
Razão de Equivalência (ϕ)
C2H6O O2 N2 Ar CO2 H2O(g)
1,E-05
1,E-04
1,E-03
1,E-02
1,E-01
1,E+00
0,1 0,6 1,1 1,6 2,1 2,6
Fraç
ão M
ola
r
Razão de Equivalência (ϕ)
C12H23 O2 N2 Ar CO2 H2O(g)
90
Quanto maior a razão de equivalência (mais rica a mistura), maior o consumo de
combustível, enquanto os outros reagentes permanecem praticamente inalterados para qualquer
razão, tendo uma pequena tendência a um menor consumo.
Além dos produtos da reação de combustão dos combustíveis, foi também simulado
os produtos encontrados em função da fração molar ao variar a razão de equivalência da mistura.
No Anexo 2 estão dispostos os valores dos produtos de tais combustões e para exemplificar de
uma forma mais clara os produtos encontrados, foram feitos gráficos para cada combustível
especificamente.
Gráfico 29 – Produtos envolvidos na combustão do Metanol
Fonte: Elaborado pela própria autora
1,E-21
1,E-19
1,E-17
1,E-15
1,E-13
1,E-11
1,E-09
1,E-07
1,E-05
1,E-03
1,E-01
0,1 0,6 1,1 1,6 2,1 2,6
Fraç
ão M
ola
r
Razão de Equivalência
CO2 H2O N2 O2 CO H2
Ar H O OH NO NO2
91
Gráfico 30 - Produtos envolvidos na combustão do Etanol
Fonte: Elaborado pela própria autora
Gráfico 31 - Produtos envolvidos na combustão do Querosene
Fonte: Elaborado pela própria autora
Vemos que quanto maior a razão de equivalência, menor a quantidade de produtos
gerados na reação, já que a combustão ocorre de uma maneira mais completa.
1,E-22
1,E-20
1,E-18
1,E-16
1,E-14
1,E-12
1,E-10
1,E-08
1,E-06
1,E-04
1,E-02
1,E+00
0,1 0,6 1,1 1,6 2,1 2,6
Fraç
ão M
ola
r
Razão de Equivalência (φ)CO2 H2O N2 O2 CO H2
Ar H O OH NO NO2
1,E-26
1,E-24
1,E-22
1,E-20
1,E-18
1,E-16
1,E-14
1,E-12
1,E-10
1,E-08
1,E-06
1,E-04
1,E-02
1,E+00
0,1 0,6 1,1 1,6 2,1 2,6
Fraç
ão M
ola
r
Razão de Equivalência
Querosene - Produtos
CO2 H2O N2 O2 CO H2
Ar H O OH NO NO2
92
Para podermos visualizar melhor a emissão dos gases NOx, foi feito os seguintes
Gráficos 32 e 33, onde compara-se suas emissões de acordo com o combustível usado:
Gráfico 32 – Quantidade de NO formado durante a queima dos combustíveis
Fonte: Elaborado pela própria autora
Gráfico 33 - Quantidade de NO formado durante a queima dos combustíveis
Fonte: Elaborado pela própria autora
Os resultados obtidos para a emissão de NOx são muito importantes, já que a
legislação ambiental brasileira é muito rígida atualmente com respeito à descarga desse poluente
através da operação de turbinas a gás.
0,0E+0
1,0E-3
2,0E-3
3,0E-3
4,0E-3
5,0E-3
6,0E-3
0,1 1
Fraç
ão M
ola
r
Razão de Equivalência
NO
Querosene
Etanol
Metanol
-5,0E-8
1,0E-21
5,0E-8
1,0E-7
1,5E-7
2,0E-7
0,1 1
Fraç
ão M
ola
r
Razão de Equivalência
NO2
Querosene
Etanol
Metanol
93
Nos resultados da simulação numérica pode-se verificar a redução da emissão de NO
ao se comparar a queima dos biocombustíveis em relação ao querosene:
Redução de 36,59% de NO quando a câmara de combustão queima metanol
em substituição do querosene;
Redução de 12,03% de NO quando a câmara de combustão queima etanol em
substituição ao querosene;
Nos resultados da simulação numérica pode-se verificar a redução de NO2 ao se
comparar a queima dos biocombustíveis em relação ao querosene:
Redução de 31,72% de NO2 quando a câmara de combustão queima metanol
em substituição ao querosene;
Redução de 17,17% de NO2 quando a câmara de combustão queima etanol em
substituição ao querosene;
É possível concluir que o uso de biocombustíveis melhora consideravelmente a
emissão dos gases poluentes e mantém uma faixa de operação bem próxima com os combustíveis
convencionais.
Como todo o trabalho consistiu em resultados a partir da simulação numérica para o projeto
de uma turbina ainda em desenvolvimento, para validar os resultados foram utilizados os dados
disponibilizados gentilmente pelo Engenheiro João Machado, Gerente da Usina Termelétrica de
Juiz de Fora, relacionados aos parâmetros de operação de uma das turbinas a gás GE LM6000
operando com o combustível etanol. Esses dados de operação foram comparados para a mesma
turbina a gás operando sob os mesmos regimes de operação, utilizando gás natural como
combustível. Essa comparação está detalhada a seguir:
Tabela 23 – Consumo de Água e Emissões de óxido de Nitrogênio da turbina da UTE Juiz de
Fora
Fonte: MACHADO (2016)
94
Tabela 24 – Teste de Desempenho da turbina da UTE Juiz de Fora
Fonte: MACHADO (2016)
Graças a essas tabelas, que foram produzidas a partir de testes já descritos no capítulo
2.1.2 – Turbinas a gás funcionando com biocombustível, pode-se avaliar que a turbina, ao operar
com etanol, possui valores superiores de eficiência quando comparado com o gás natural e produz
em menor quantidade óxido de nitrogênio, garantindo satisfatórios resultados no uso desse
combustível.
Teste de Desempenho da Turbina
Câmara Potência da
unidade (KW)
Heat Rate
(Btu/kWh) Eficiência (%)
Ruggedized e
consumo de etanol 43.642 7.933 43,0
Original e consumo
de gás natural 43.349 8.277 41,2
95
6.CONCLUSÃO
Neste trabalho foi criado um programa em Matlab®, que a partir de condições de
operações desejadas e através de equações empíricas, constrói-se um pré-projeto de câmara de
combustão de turbina a gás flex. Foram dimensionadas as regiões da câmara de combustão, o
difusor, o swirler, o sistema de refrigeração das paredes do liner e os orifícios de entrada de ar,
além das temperaturas de saída de cada zona, fluxo de ar e eficiências baseados no parâmetro de
carregamento do combustor.
O objetivo principal, que era possibilitar que a câmara de combustão operasse com
combustíveis diferentes, permitindo a comparação entre o uso do combustível fóssil com os
biocombustíveis também foi realizado. Foi visto que ao utilizar o querosene como combustível, é
possível obter maiores valores de temperatura, mas comparativamente ao metanol e etanol,
apresenta maior quantidade de gases poluentes. Por meio do programa Cantera®, foi mensurado
a quantidade de gases que são produzidos de acordo com o processo de combustão de cada
combustível utilizado.
O desenvolvimento do trabalho exigiu critério e paciência, já que a definição das
configurações básicas para câmaras de combustão por métodos empíricos é um trabalho bastante
complexo e alguns pequenos detalhes na construção das equações não são disponibilizados pelos
livros, pois consiste em segredo industrial. Como nossa turbina trata-se de um projeto preliminar
ainda em desenvolvimento em um laboratório, para garantir que os valores gerados estejam
coerentes, foi necessário usar ferramentas computacionais já desenvolvidas com antecedência e
adicionalmente acopladas ao programa desenvolvido neste trabalho de monografia. Podem-se
mencionar dentro desses códigos computacionais o GT-Combustor e o código livre Cantera. Os
dados disponibilizados pelo Engenheiro João Machado também foram de grande valia, pois
possibilitou visualizar que o uso prático do etanol em turbinas é viável e apresenta valores de
eficiência satisfatórios, bem como baixa emissão de gases poluentes.
O desenvolvimento deste trabalho foi bastante enriquecedor e muito desafiante, e,
como pode-se perceber, há um longo caminho a se desenvolver na área da utilização de
biocombustíveis para turbinas a gás flex, sendo sugerido como trabalhos futuros a verificação dos
valores gerados pelo programa com os valores encontrados com o protótipo em execução.
96
REFERÊNCIAS
ALMEIDA, G.C., BOHORQUEZ, W.O.I., ALVES, M.A.C, The effects of burning alternative
liquid fuels in gas turbine combustors on the overall operating conditions and performance. In:
INTERNATIONAL CONGRESS OF MECHANICAL ENGINEERING, 2015, Rio de Janeiro.
ALVES, A, LACAVA, P.T., Projeto Básico de Combustão. In: Combustão em Turbinas a Gás.
São José dos Campos: [s.n], 2009. Cap. 4, p.195.
BAYAR, T. Global gas and steam turbine market to reach $43.5bn by 2020. PEI International,
2014. Disponível em: http://www.powerengineeringint.com/articles/2014/07/gas-and-steam-
turbine-revenues-to-hit-43-49bn-by-2020.html. Acesso em 28 de abril de 2016.
BOHORQUEZ, W.O.I., BARBOSA, J.R., Metodologia Simplificada para a Avaliação do Uso de
Combustíveis Alternativos no Projeto de Combustores em Turbinas a Gás Flex usando Equilíbrio
Termocinético e Mecanismos Quase-Globais, In: REVISTA IBEROAMERICANA DE
INGENIERÍA MECÁNICA, Vol. 17, Nº1, pp.121-140, 2013.
BRASIL,Empresa de Pesquisa Energética. Anuário Estatístico de Energia Elétrica de
2015.Brasília, DF, 2015.Disponível em:
http://www.epe.gov.br/AnuarioEstatisticodeEnergiaEletrica/Forms/Anurio.aspx. Acesso em 20
de janeiro de 2016.
CARTAGENA, J.G.Q., Determinação Experimental e Predição dos Limites de
Inflamabilidade do Etanol Anidro e Hidratado para Uso na Indústria Aeronáutica,
Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, 2013.
ÇENGEL, Y.A., GHAJAR, A.J., Transferência de Calor e Massa – Uma abordagem prática,
4ª edição, AMGH Editora Ltda., 2011.
CENTRO DE GESTÃO E ESTUDOS ESTRATÉGICOS, Biocombustíveis aeronáuticos –
Progressos e desafios. Disponível em:
http://www.cgee.org.br/atividades/redirect.php?idProduto=6821. Acesso em: 7 de junho de 2016.
CONRADO, A. C., Metodologia para Projeto de Câmara de Combustão de Turbina a Gás,
Trabalho de Graduação, Instituto Tecnológico da Aeronáutica, São José dos Campos, 2002.
97
DIAS, F. L. G., Projeto Preliminar e Simulação Computacional de Câmara de Combustão
de Turbina a Gás Considerando a Queima de Biocombustíveis, Dissertação de Mestrado,
UNIFEI, Itajubá, 2011.
FARIAS, L.M., SELLITTO, M.A., Uso da energia ao longo da história: evolução e perspectivas
futuras, In: REVISTA LIBERATO, Novo Hamburgo, v.12, n.17, p.01-106, jan./jun. 2011
GIAMPAOLO, T., Gas Turbine Handbook – Principles and Practice, 4THedition, Taylor
&Francis, 2009.
GUPTA, K.K., REHMAN, A., SARVIYA, R.M., Bio-fuels for the gas turbine: A review.
Renewable and Sustainable Energy Reviews 14, pp.2946-2955, 2010.
HERRERA, R.P., Nebulização de Etanol na Entrada do Compressor de uma Microturbina a
Gás de 30kW: Análise Termodinâmica e Experimental, Dissertação de Mestrado, UNIFEI,
Itajubá, 2015.
HUNT, R. J., The History of the Industrial Gas Turbine – Part 1 The First Fifty Years 1940-
1990, Publication 582, The Independent Technical Forum for Power Generation, Bedford, 2011.
KIAMEH, P., Power Generation Handbook, 1st edition, McGraw-Hill Professional, 2002.
LEFEBVRE, A.H., Gas Turbine Combustion, Taylor & Francis, 1983.
LEFEBVRE, A.H., BALLAL, D. R., Gas Turbine Combustion: alternative fuels and
emissions, Third Edition, Taylor & Francis, 2003.
LEITE, R.C., CORTEZ, L. A. B., O etanol combustível no Brasil. Disponível em:
http://sistemas.mre.gov.br/.... /Biocombustiveis_04-etanolcombustivelnobrasil.pdf. Acesso em 07
de junho de 2016.
MORAES, T.M., Projeto de um combustor de bancada para ensaios de combustíveis
alternativos para aviação, Trabalho de Graduação, ITA, São José dos Campos, 2011.
98
U.S. DEPARTMENT OF ENERGY, National Renewable Energy Laboratory, Biofuels for
Sustainable Transportation. Disponível em: http://www.nrel.gov/docs/fy00osti/25876.pdf.
Acesso em 7 de junho de 2016.
SAWYER, R.T., The Modern Gas Turbine, New York, New York: Prentice-Hall, Inc., 1945
SAWYER, J.W., Sawyer’s Gas Turbine Engineering Handbook, Volume 1, Theory & Design,
Turbomachinery International Publications, Connecticut, 1985.
SARAVANAMUTTO, H.I.H, ROGERS, G.F.C., COHEN, C., STRAZNICKY, P.V., Gas
Turbine Theory, Sixth Edition, Pearson Education Limited, 2009.
TURNS, S.R., Introdução à Combustão - 3ed: Conceitos e Aplicações, AMGH Editora Ltda,
2013.
99
APÊNDICE A – Mecanismos detalhados dos combustíveis
Tabela A.1. – Equilíbrio Termocinético do Metanol (CH4O)
Composição do ar Fração Molar
(mol)
O2 0.20947391
N2 0.78083219
Ar 0.00933991
CO2 0.00034400
H2O (g) 0.00001000
Fonte: Elaborado pela própria autora
Tabela A.1. – Equilíbrio Termocinético do Etanol (C2H6O)
Composição do Fração Molar
(mol)
O2 0.20947391
N2 0.78083219
Ar 0.00933991
CO2 0.00034400
H2O (g) 0.00001000
Fonte: Elaborado pela própria autora
Tabela A.1. – Equilíbrio Termocinético do Etanol (C12H23)
Composição do ar Fração Molar
(mol)
O2 0.20947391
N2 0.78083219
Ar 0.00933991
CO2 0.00034400
H2O (g) 0.00001000
Fonte: Elaborado pela própria autora
100
APÊNDICE B - Reagentes
APÊNDICE B.1. - METANOL
Tabela B.1. - Dados dos reagentes para queima mistura Metanol/Ar
ϕ
CH4O
(mol)
O2
(mol)
N2
(mol)
Ar
(mol)
CO2
(mol)
H2O(g)
(mol)
0,1 0,013773 0,206589 0,770078 0,009211 0,000339 0,00001
0,2 0,027171 0,203782 0,759616 0,009086 0,000335 0,00001
0,3 0,04021 0,201051 0,749435 0,008964 0,00033 0,00001
0,4 0,052904 0,198392 0,739523 0,008846 0,000326 0,000009
0,5 0,065267 0,195802 0,729869 0,00873 0,000322 0,000009
0,6 0,077312 0,193279 0,720465 0,008618 0,000317 0,000009
0,7 0,08905 0,19082 0,711299 0,008508 0,000313 0,000009
0,8 0,100492 0,188423 0,702364 0,008401 0,000309 0,000009
0,9 0,111651 0,186086 0,693651 0,008297 0,000306 0,000009
1 0,122537 0,183806 0,685151 0,008195 0,000302 0,000009
1,1 0,133159 0,181581 0,676857 0,008096 0,000298 0,000009
1,2 0,143527 0,179409 0,668762 0,007999 0,000295 0,000009
1,3 0,15365 0,177288 0,660857 0,007905 0,000291 0,000008
1,4 0,163536 0,175217 0,653138 0,007812 0,000288 0,000008
1,5 0,173194 0,173194 0,645597 0,007722 0,000284 0,000008
1,6 0,182632 0,171217 0,638227 0,007634 0,000281 0,000008
1,7 0,191856 0,169285 0,631025 0,007548 0,000278 0,000008
1,8 0,200875 0,167396 0,623983 0,007464 0,000275 0,000008
1,9 0,209695 0,165548 0,617096 0,007381 0,000272 0,000008
2 0,218322 0,163741 0,61036 0,007301 0,000269 0,000008
2,1 0,226762 0,161973 0,603769 0,007222 0,000266 0,000008
2,2 0,235023 0,160243 0,597319 0,007145 0,000263 0,000008
2,3 0,243108 0,158549 0,591005 0,007069 0,00026 0,000008
2,4 0,251025 0,156891 0,584824 0,006995 0,000258 0,000007
2,5 0,258778 0,155267 0,57877 0,006923 0,000255 0,000007
2,6 0,266372 0,153676 0,572841 0,006852 0,000252 0,000007
2,7 0,273812 0,152118 0,567031 0,006783 0,00025 0,000007
2,8 0,281102 0,15059 0,561339 0,006714 0,000247 0,000007
Fonte: Elaborado pela própria autora
101
APÊNDICE B.2. - ETANOL
Tabela B.2. - Dados dos reagentes para queima mistura Etanol/Ar
ϕ
C2H6O
(mol)
O2
(mol)
N2
(mol)
Ar
(mol)
CO2
(mol)
H2O(g)
(mol)
0,1 0,006934 0,208021 0,775418 0,009275 0,000342 0,00001
0,2 0,013773 0,206589 0,770078 0,009211 0,000339 0,00001
0,3 0,020518 0,205176 0,764811 0,009148 0,000337 0,00001
0,4 0,027171 0,203782 0,759616 0,009086 0,000335 0,00001
0,5 0,033735 0,202407 0,754491 0,009025 0,000332 0,00001
0,6 0,04021 0,201051 0,749435 0,008964 0,00033 0,00001
0,7 0,0466 0,199713 0,744446 0,008905 0,000328 0,00001
0,8 0,052904 0,198392 0,739523 0,008846 0,000326 0,000009
0,9 0,059127 0,197088 0,734664 0,008788 0,000324 0,000009
1 0,065267 0,195802 0,729869 0,00873 0,000322 0,000009
1,1 0,071329 0,194532 0,725137 0,008674 0,000319 0,000009
1,2 0,077312 0,193279 0,720465 0,008618 0,000317 0,000009
1,3 0,083218 0,192042 0,715853 0,008563 0,000315 0,000009
1,4 0,08905 0,19082 0,711299 0,008508 0,000313 0,000009
1,5 0,094807 0,189614 0,706804 0,008454 0,000311 0,000009
1,6 0,100492 0,188423 0,702364 0,008401 0,000309 0,000009
1,7 0,106107 0,187247 0,697981 0,008349 0,000307 0,000009
1,8 0,111651 0,186086 0,693651 0,008297 0,000306 0,000009
1,9 0,117128 0,184939 0,689375 0,008246 0,000304 0,000009
2 0,122537 0,183806 0,685151 0,008195 0,000302 0,000009
2,1 0,12788 0,182686 0,680979 0,008146 0,0003 0,000009
2,2 0,133159 0,181581 0,676857 0,008096 0,000298 0,000009
2,3 0,138374 0,180488 0,672785 0,008048 0,000296 0,000009
2,4 0,143527 0,179409 0,668762 0,007999 0,000295 0,000009
2,5 0,148619 0,178342 0,664786 0,007952 0,000293 0,000009
2,6 0,15365 0,177288 0,660857 0,007905 0,000291 0,000008
2,7 0,158622 0,176247 0,656975 0,007858 0,000289 0,000008
2,8 0,163536 0,175217 0,653138 0,007812 0,000288 0,000008
Fonte: Elaborado pela própria autora
102
APÊNDICE B.3. - QUEROSENE
Tabela B.3. - Dados dos reagentes para queima mistura Querosene/Ar
φ C12H23 (mol)
O2 (mol)
N2 (mol)
Ar (mol)
CO2 (mol)
H2O(g) (mol)
0,1 0,001179 0,209227 0,779912 0,009329 0,000344 0,00001
0,2 0,002355 0,208981 0,778994 0,009318 0,000343 0,00001
0,3 0,003528 0,208735 0,778077 0,009307 0,000343 0,00001
0,4 0,004698 0,20849 0,777164 0,009296 0,000342 0,00001
0,5 0,005866 0,208245 0,776252 0,009285 0,000342 0,00001
0,6 0,007031 0,208001 0,775342 0,009274 0,000342 0,00001
0,7 0,008193 0,207758 0,774435 0,009263 0,000341 0,00001
0,8 0,009353 0,207515 0,773529 0,009253 0,000341 0,00001
0,9 0,01051 0,207272 0,772626 0,009242 0,00034 0,00001
1 0,011664 0,207031 0,771725 0,009231 0,00034 0,00001
1,1 0,012815 0,206789 0,770826 0,00922 0,00034 0,00001
1,2 0,013964 0,206549 0,769929 0,009209 0,000339 0,00001
1,3 0,01511 0,206309 0,769034 0,009199 0,000339 0,00001
1,4 0,016253 0,206069 0,768141 0,009188 0,000338 0,00001
1,5 0,017394 0,20583 0,76725 0,009177 0,000338 0,00001
1,6 0,018532 0,205592 0,766362 0,009167 0,000338 0,00001
1,7 0,019668 0,205354 0,765475 0,009156 0,000337 0,00001
1,8 0,020801 0,205117 0,76459 0,009146 0,000337 0,00001
1,9 0,021931 0,20488 0,763708 0,009135 0,000336 0,00001
2 0,023058 0,204644 0,762827 0,009125 0,000336 0,00001
2,1 0,024183 0,204408 0,761949 0,009114 0,000336 0,00001
2,2 0,025306 0,204173 0,761072 0,009104 0,000335 0,00001
2,3 0,026426 0,203938 0,760198 0,009093 0,000335 0,00001
2,4 0,027543 0,203704 0,759326 0,009083 0,000335 0,00001
2,5 0,028658 0,203471 0,758455 0,009072 0,000334 0,00001
2,6 0,02977 0,203238 0,757587 0,009062 0,000334 0,00001
2,7 0,03088 0,203005 0,75672 0,009051 0,000333 0,00001
2,8 0,031987 0,202774 0,755856 0,009041 0,000333 0,00001 Fonte: Elaborado pela própria autora
103
APÊNDICE C – Produtos
APÊNDICE C.1. - METANOL
Tabela C.1. - Dados dos produtos da queima da mistura Metanol/Ar
φ Te(K) CO2
(mol) H2O (mol)
N2 (mol)
O2 (mol)
CO (mol)
H2 (mol)
Ar (mol)
H (mol)
O (mol)
OH (mol)
NO (mol)
NO2 (mol)
0,1 759,88 1,40E-
02 2,74E-
02 7,65E-
01 1,85E-
01 1,88E-
17 2,09E-
16 9,15E-
03 3,24E-
21 2,07E-
15 8,00E-
11 1,05E-
06 2,99E-
12
0,2 1048,5 2,71E-
02 5,36E-
02 7,49E-
01 1,61E-
01 8,80E-
12 2,07E-
11 8,96E-
03 1,59E-
14 1,15E-
10 1,28E-
07 4,97E-
05 5,30E-
10
0,3 1282,07 3,97E-
02 7,88E-
02 7,35E-
01 1,38E-
01 5,05E-
09 5,96E-
09 8,79E-
03 2,86E-
11 2,11E-
08 4,49E-
06 3,02E-
04 5,84E-
09
0,4 1493,26 5,19E-
02 1,03E-
01 7,20E-
01 1,16E-
01 2,99E-
07 2,34E-
07 8,62E-
03 3,52E-
09 5,61E-
07 4,27E-
05 9,10E-
04 2,48E-
08
0,5 1685,1 6,35E-
02 1,26E-
01 7,06E-
01 9,38E-
02 5,30E-
06 3,17E-
06 8,45E-
03 1,02E-
07 5,21E-
06 2,00E-
04 1,86E-
03 6,17E-
08
0,6 1859,75 7,47E-
02 1,49E-
01 6,92E-
01 7,28E-
02 4,60E-
05 2,28E-
05 8,30E-
03 1,24E-
06 2,53E-
05 6,08E-
04 2,98E-
03 1,08E-
07
0,7 2018,2 8,53E-
02 1,70E-
01 6,79E-
01 5,26E-
02 2,54E-
04 1,10E-
04 8,14E-
03 8,63E-
06 7,86E-
05 1,37E-
03 3,97E-
03 1,45E-
07
0,8 2159,39 9,48E-
02 1,89E-
01 6,66E-
01 3,36E-
02 1,04E-
03 4,09E-
04 7,99E-
03 4,04E-
05 1,70E-
04 2,44E-
03 4,47E-
03 1,49E-
07
0,9 2277,57 1,02E-
01 2,08E-
01 6,53E-
01 1,70E-
02 3,51E-
03 1,31E-
03 7,83E-
03 1,39E-
04 2,53E-
04 3,45E-
03 4,08E-
03 1,06E-
07
1 2353,33 1,04E-
01 2,23E-
01 6,39E-
01 5,05E-
03 1,05E-
02 3,96E-
03 7,66E-
03 3,57E-
04 2,13E-
04 3,49E-
03 2,57E-
03 3,86E-
08
1,1 2348,89 9,70E-
02 2,33E-
01 6,22E-
01 6,92E-
04 2,57E-
02 1,09E-
02 7,44E-
03 5,79E-
04 7,70E-
05 2,13E-
03 9,31E-
04 5,16E-
09
1,2 2291,98 8,61E-
02 2,36E-
01 6,03E-
01 9,35E-
05 4,36E-
02 2,18E-
02 7,21E-
03 6,14E-
04 2,05E-
05 1,06E-
03 3,00E-
04 5,87E-
10
1,3 2225,98 7,67E-
02 2,37E-
01 5,84E-
01 1,69E-
05 5,95E-
02 3,47E-
02 6,99E-
03 5,44E-
04 5,84E-
06 5,36E-
04 1,09E-
04 8,60E-
11
1,4 2160,66 6,93E-
02 2,35E-
01 5,67E-
01 3,71E-
06 7,29E-
02 4,87E-
02 6,78E-
03 4,44E-
04 1,80E-
06 2,80E-
04 4,35E-
05 1,52E-
11
1,5 2097,84 6,35E-
02 2,32E-
01 5,50E-
01 9,27E-
07 8,43E-
02 6,32E-
02 6,58E-
03 3,46E-
04 5,88E-
07 1,50E-
04 1,84E-
05 3,05E-
12
1,6 2037,83 5,91E-
02 2,28E-
01 5,34E-
01 2,52E-
07 9,41E-
02 7,79E-
02 6,39E-
03 2,62E-
04 1,99E-
07 8,16E-
05 8,12E-
06 6,63E-
13
1,7 1980,58 5,56E-
02 2,23E-
01 5,20E-
01 7,28E-
08 1,03E-
01 9,25E-
02 6,21E-
03 1,94E-
04 6,93E-
08 4,48E-
05 3,69E-
06 1,53E-
13
1,8 1925,92 5,29E-
02 2,19E-
01 5,05E-
01 2,19E-
08 1,10E-
01 1,07E-
01 6,05E-
03 1,41E-
04 2,45E-
08 2,48E-
05 1,71E-
06 3,67E-
14
Continua
104
Continuação Tabela C.1.
1,9 1873,74 5,07E-
02 2,14E-
01 4,92E-
01 6,82E-
09 1,17E-
01 1,21E-
01 5,89E-
03 1,01E-
04 8,76E-
09 1,38E-
05 8,03E-
07 9,09E-
15
2 1823,74 4,91E-
02 2,08E-
01 4,79E-
01 2,16E-
09 1,23E-
01 1,35E-
01 5,74E-
03 7,16E-
05 3,15E-
09 7,68E-
06 3,81E-
07 2,29E-
15
2,1 1775,9 4,78E-
02 2,03E-
01 4,67E-
01 6,98E-
10 1,28E-
01 1,48E-
01 5,59E-
03 5,02E-
05 1,14E-
09 4,28E-
06 1,82E-
07 5,87E-
16
2,2 1730,05 4,67E-
02 1,98E-
01 4,56E-
01 2,28E-
10 1,33E-
01 1,61E-
01 5,45E-
03 3,49E-
05 4,12E-
10 2,38E-
06 8,72E-
08 1,52E-
16
2,3 1686,05 4,60E-
02 1,93E-
01 4,45E-
01 7,50E-
11 1,37E-
01 1,73E-
01 5,32E-
03 2,41E-
05 1,49E-
10 1,32E-
06 4,19E-
08 3,94E-
17
2,4 1643,79 4,54E-
02 1,88E-
01 4,35E-
01 2,48E-
11 1,41E-
01 1,85E-
01 5,20E-
03 1,65E-
05 5,36E-
11 7,35E-
07 2,02E-
08 1,03E-
17
2,5 1603,19 4,51E-
02 1,83E-
01 4,25E-
01 8,21E-
12 1,45E-
01 1,97E-
01 5,08E-
03 1,12E-
05 1,93E-
11 4,07E-
07 9,71E-
09 2,67E-
18
2,6 1564,12 4,49E-
02 1,78E-
01 4,15E-
01 2,72E-
12 1,48E-
01 2,08E-
01 4,97E-
03 7,53E-
06 6,88E-
12 2,24E-
07 4,66E-
09 6,95E-
19
2,7 1526,54 4,48E-
02 1,73E-
01 4,06E-
01 9,00E-
13 1,52E-
01 2,19E-
01 4,86E-
03 5,05E-
06 2,45E-
12 1,23E-
07 2,24E-
09 1,80E-
19
2,8 1490,31 4,49E-
02 1,69E-
01 3,98E-
01 2,97E-
13 1,54E-
01 2,30E-
01 4,76E-
03 3,36E-
06 8,64E-
13 6,74E-
08 1,07E-
09 4,65E-
20
Fonte: Elaborado pela própria autora
105
APÊNDICE C.2. - ETANOL
Tabela C.2. - Dados dos produtos da queima da mistura Etanol/Ar
φ Te(K) CO2 H2O N2 O2 CO H2 Ar H O OH NO NO2
0,1 748,05 1,41E-
02 2,07E-
02 7,70E-
01 1,86E-
01 9,27E-
18 8,48E-
17 9,21E-
03 1,19E-
21 1,11E-
15 4,64E-
11 8,42E-
07 2,23E-
12
0,2 1028,26 2,75E-
02 4,08E-
02 7,60E-
01 1,63E-
01 4,68E-
12 8,94E-
12 9,09E-
03 6,33E-
15 6,53E-
11 7,76E-
08 4,11E-
05 4,10E-
10
0,3 1259,22 4,05E-
02 6,03E-
02 7,49E-
01 1,41E-
01 3,16E-
09 2,95E-
09 8,96E-
03 1,38E-
11 1,38E-
08 2,99E-
06 2,64E-
04 4,88E-
09
0,4 1471,36 5,32E-
02 7,94E-
02 7,39E-
01 1,19E-
01 2,17E-
07 1,32E-
07 8,85E-
03 2,02E-
09 4,19E-
07 3,10E-
05 8,38E-
04 2,23E-
08
0,5 1666,96 6,56E-
02 9,78E-
02 7,29E-
01 9,70E-
02 4,33E-
06 1,99E-
06 8,73E-
03 6,78E-
08 4,35E-
06 1,56E-
04 1,79E-
03 5,89E-
08
0,6 1847,62 7,76E-
02 1,16E-
01 7,19E-
01 7,57E-
02 4,16E-
05 1,56E-
05 8,62E-
03 9,36E-
07 2,32E-
05 5,05E-
04 2,98E-
03 1,09E-
07
0,7 2013,84 8,91E-
02 1,33E-
01 7,09E-
01 5,50E-
02 2,50E-
04 8,14E-
05 8,50E-
03 7,22E-
06 7,78E-
05 1,20E-
03 4,10E-
03 1,53E-
07
0,8 2163,81 9,96E-
02 1,49E-
01 6,99E-
01 3,53E-
02 1,10E-
03 3,23E-
04 8,39E-
03 3,68E-
05 1,80E-
04 2,24E-
03 4,74E-
03 1,63E-
07
0,9 2290,37 1,08E-
01 1,64E-
01 6,89E-
01 1,79E-
02 3,90E-
03 1,09E-
03 8,27E-
03 1,36E-
04 2,80E-
04 3,26E-
03 4,43E-
03 1,20E-
07
1 2371,79 1,10E-
01 1,77E-
01 6,78E-
01 5,37E-
03 1,20E-
02 3,37E-
03 8,12E-
03 3,61E-
04 2,44E-
04 3,37E-
03 2,83E-
03 4,44E-
08
1,1 2368,04 1,01E-
01 1,85E-
01 6,63E-
01 7,21E-
04 2,94E-
02 9,41E-
03 7,93E-
03 5,92E-
04 8,74E-
05 2,06E-
03 1,02E-
03 5,84E-
09
1,2 2306,32 8,82E-
02 1,87E-
01 6,45E-
01 8,78E-
05 5,05E-
02 1,94E-
02 7,71E-
03 6,24E-
04 2,15E-
05 9,80E-
04 3,10E-
04 5,93E-
10
1,3 2233,75 7,68E-
02 1,87E-
01 6,27E-
01 1,38E-
05 6,93E-
02 3,17E-
02 7,50E-
03 5,42E-
04 5,54E-
06 4,67E-
04 1,04E-
04 7,47E-
11
1,4 2161,37 6,77E-
02 1,83E-
01 6,10E-
01 2,61E-
06 8,54E-
02 4,55E-
02 7,30E-
03 4,31E-
04 1,52E-
06 2,28E-
04 3,79E-
05 1,11E-
11
1,5 2091,28 6,06E-
02 1,79E-
01 5,94E-
01 5,53E-
07 9,90E-
02 6,02E-
02 7,10E-
03 3,24E-
04 4,34E-
07 1,12E-
04 1,45E-
05 1,85E-
12
1,6 2023,89 5,51E-
02 1,73E-
01 5,79E-
01 1,26E-
07 1,11E-
01 7,54E-
02 6,92E-
03 2,35E-
04 1,27E-
07 5,59E-
05 5,76E-
06 3,28E-
13
1,7 1959,04 5,07E-
02 1,66E-
01 5,64E-
01 3,00E-
08 1,21E-
01 9,07E-
02 6,75E-
03 1,65E-
04 3,75E-
08 2,78E-
05 2,32E-
06 6,05E-
14
1,8 1896,72 4,72E-
02 1,60E-
01 5,50E-
01 7,33E-
09 1,30E-
01 1,06E-
01 6,58E-
03 1,13E-
04 1,11E-
08 1,38E-
05 9,45E-
07 1,14E-
14
1,9 1836,76 4,45E-
02 1,53E-
01 5,37E-
01 1,82E-
09 1,38E-
01 1,21E-
01 6,42E-
03 7,55E-
05 3,25E-
09 6,79E-
06 3,85E-
07 2,16E-
15
2 1778,93 4,22E-
02 1,46E-
01 5,24E-
01 4,50E-
10 1,46E-
01 1,36E-
01 6,27E-
03 4,94E-
05 9,42E-
10 3,31E-
06 1,56E-
07 4,06E-
16
Continua
106
Continuação Tabela C.2.
2,1 1723,18 4,04E-
02 1,39E-
01 5,12E-
01 1,11E-
10 1,52E-
01 1,50E-
01 6,13E-
03 3,17E-
05 2,68E-
10 1,59E-
06 6,30E-
08 7,57E-
17
2,2 1669,37 3,89E-
02 1,32E-
01 5,01E-
01 2,71E-
11 1,58E-
01 1,64E-
01 5,99E-
03 1,99E-
05 7,46E-
11 7,54E-
07 2,51E-
08 1,38E-
17
2,3 1617,35 3,77E-
02 1,25E-
01 4,90E-
01 6,49E-
12 1,64E-
01 1,78E-
01 5,86E-
03 1,23E-
05 2,02E-
11 3,52E-
07 9,84E-
09 2,46E-
18
2,4 1567,05 3,67E-
02 1,18E-
01 4,80E-
01 1,52E-
12 1,69E-
01 1,91E-
01 5,74E-
03 7,45E-
06 5,34E-
12 1,61E-
07 3,79E-
09 4,25E-
19
2,5 1518,38 3,60E-
02 1,11E-
01 4,69E-
01 3,46E-
13 1,74E-
01 2,04E-
01 5,62E-
03 4,42E-
06 1,36E-
12 7,25E-
08 1,43E-
09 7,07E-
20
2,6 1471,24 3,54E-
02 1,05E-
01 4,60E-
01 7,65E-
14 1,79E-
01 2,16E-
01 5,50E-
03 2,58E-
06 3,36E-
13 3,19E-
08 5,30E-
10 1,13E-
20
2,7 1425,56 3,49E-
02 9,83E-
02 4,51E-
01 1,63E-
14 1,83E-
01 2,28E-
01 5,39E-
03 1,47E-
06 7,98E-
14 1,37E-
08 1,91E-
10 1,73E-
21
2,8 1381,26 3,45E-
02 9,20E-
02 4,42E-
01 3,35E-
15 1,87E-
01 2,40E-
01 5,28E-
03 8,21E-
07 1,82E-
14 5,74E-
09 6,72E-
11 2,52E-
22 Fonte: Elaborado pela própria autora
107
APÊNDICE C.3. – QUEROSENE
Tabela C.3. - Dados dos produtos da queima da mistura Querosene/Ar
φ Te(K) CO2 H2O N2 O2 CO H2 Ar H O OH NO NO2
0,1 739,34 1,44E-
02 1,35E-
02 7,76E-
01 1,87E-
01 5,51E-
18 3,46E-
17 9,28E-
03 5,00E-
22 6,90E-
16 2,76E-
11 7,14E-
07 1,79E-
12
0,2 1014,29 2,83E-
02 2,68E-
02 7,70E-
01 1,65E-
01 3,03E-
12 3,91E-
12 9,21E-
03 2,93E-
15 4,38E-
11 4,86E-
08 3,60E-
05 3,44E-
10
0,3 1245,21 4,20E-
02 3,99E-
02 7,65E-
01 1,44E-
01 2,39E-
09 1,48E-
09 9,15E-
03 7,66E-
12 1,07E-
08 2,05E-
06 2,45E-
04 4,42E-
09
0,4 1460,84 5,55E-
02 5,28E-
02 7,60E-
01 1,22E-
01 1,89E-
07 7,47E-
08 9,09E-
03 1,33E-
09 3,66E-
07 2,32E-
05 8,17E-
04 2,16E-
08
0,5 1662,86 6,88E-
02 6,56E-
02 7,54E-
01 1,00E-
01 4,25E-
06 1,25E-
06 9,03E-
03 5,17E-
08 4,23E-
06 1,26E-
04 1,83E-
03 6,07E-
08
0,6 1852,35 8,19E-
02 7,80E-
02 7,49E-
01 7,88E-
02 4,51E-
05 1,08E-
05 8,97E-
03 8,07E-
07 2,47E-
05 4,31E-
04 3,15E-
03 1,18E-
07
0,7 2029,19 9,46E-
02 9,01E-
02 7,43E-
01 5,76E-
02 2,94E-
04 6,05E-
05 8,91E-
03 6,89E-
06 8,94E-
05 1,08E-
03 4,47E-
03 1,73E-
07
0,8 2190,3 1,06E-
01 1,02E-
01 7,37E-
01 3,72E-
02 1,38E-
03 2,54E-
04 8,85E-
03 3,81E-
05 2,19E-
04 2,09E-
03 5,31E-
03 1,91E-
07
0,9 2325,87 1,15E-
01 1,12E-
01 7,30E-
01 1,92E-
02 5,03E-
03 8,77E-
04 8,77E-
03 1,47E-
04 3,56E-
04 3,13E-
03 5,07E-
03 1,45E-
07
1 2412,58 1,17E-
01 1,21E-
01 7,22E-
01 6,22E-
03 1,50E-
02 2,66E-
03 8,66E-
03 3,90E-
04 3,26E-
04 3,32E-
03 3,40E-
03 5,90E-
08
1,1 2415,19 1,07E-
01 1,27E-
01 7,10E-
01 9,75E-
04 3,51E-
02 7,15E-
03 8,50E-
03 6,47E-
04 1,31E-
04 2,16E-
03 1,34E-
03 9,24E-
09
1,2 2353,84 9,11E-
02 1,29E-
01 6,94E-
01 1,17E-
04 6,03E-
02 1,50E-
02 8,30E-
03 6,98E-
04 3,26E-
05 1,04E-
03 4,09E-
04 9,37E-
10
1,3 2276,43 7,65E-
02 1,27E-
01 6,78E-
01 1,65E-
05 8,37E-
02 2,56E-
02 8,11E-
03 6,12E-
04 7,83E-
06 4,75E-
04 1,29E-
04 1,05E-
10
1,4 2197,49 6,45E-
02 1,23E-
01 6,62E-
01 2,65E-
06 1,04E-
01 3,81E-
02 7,92E-
03 4,85E-
04 1,93E-
06 2,17E-
04 4,32E-
05 1,32E-
11
1,5 2120,13 5,49E-
02 1,16E-
01 6,47E-
01 4,67E-
07 1,21E-
01 5,21E-
02 7,74E-
03 3,60E-
04 4,87E-
07 9,88E-
05 1,50E-
05 1,79E-
12
1,6 2044,92 4,73E-
02 1,09E-
01 6,33E-
01 8,60E-
08 1,37E-
01 6,70E-
02 7,57E-
03 2,54E-
04 1,23E-
07 4,46E-
05 5,26E-
06 2,53E-
13
1,7 1971,93 4,12E-
02 1,00E-
01 6,19E-
01 1,61E-
08 1,50E-
01 8,24E-
02 7,40E-
03 1,72E-
04 3,05E-
08 1,97E-
05 1,85E-
06 3,58E-
14
1,8 1901,05 3,62E-
02 9,13E-
02 6,05E-
01 3,01E-
09 1,62E-
01 9,81E-
02 7,24E-
03 1,12E-
04 7,37E-
09 8,55E-
06 6,43E-
07 4,99E-
15
1,9 1832,12 3,19E-
02 8,21E-
02 5,93E-
01 5,48E-
10 1,73E-
01 1,14E-
01 7,09E-
03 7,04E-
05 1,71E-
09 3,59E-
06 2,19E-
07 6,70E-
16
2 1764,99 2,83E-
02 7,28E-
02 5,80E-
01 9,56E-
11 1,83E-
01 1,29E-
01 6,94E-
03 4,27E-
05 3,79E-
10 1,45E-
06 7,22E-
08 8,50E-
17
Continua
108
Continuação Tabela C.3.
2,1 1699,56 2,51E-
02 6,37E-
02 5,69E-
01 1,57E-
11 1,92E-
01 1,44E-
01 6,80E-
03 2,49E-
05 7,87E-
11 5,65E-
07 2,28E-
08 1,00E-
17
2,2 1635,68 2,22E-
02 5,47E-
02 5,57E-
01 2,39E-
12 2,01E-
01 1,58E-
01 6,67E-
03 1,40E-
05 1,52E-
11 2,08E-
07 6,87E-
09 1,07E-
18
2,3 1573,25 1,94E-
02 4,61E-
02 5,47E-
01 3,31E-
13 2,09E-
01 1,72E-
01 6,54E-
03 7,58E-
06 2,69E-
12 7,24E-
08 1,94E-
09 1,03E-
19
2,4 1512,15 1,68E-
02 3,77E-
02 5,36E-
01 4,06E-
14 2,17E-
01 1,86E-
01 6,41E-
03 3,93E-
06 4,30E-
13 2,34E-
08 5,10E-
10 8,52E-
21
2,5 1452,26 1,42E-
02 2,98E-
02 5,26E-
01 4,28E-
15 2,25E-
01 1,99E-
01 6,29E-
03 1,94E-
06 6,06E-
14 6,95E-
09 1,22E-
10 5,94E-
22
2,6 1393,45 1,15E-
02 2,23E-
02 5,17E-
01 3,70E-
16 2,32E-
01 2,11E-
01 6,18E-
03 9,14E-
07 7,33E-
15 1,84E-
09 2,59E-
11 3,31E-
23
2,7 1335,6 8,70E-
03 1,53E-
02 5,07E-
01 2,41E-
17 2,40E-
01 2,23E-
01 6,07E-
03 4,06E-
07 7,25E-
16 4,19E-
10 4,67E-
12 1,35E-
24
2,8 1278,58 5,65E-
03 8,88E-
03 4,98E-
01 1,00E-
18 2,48E-
01 2,34E-
01 5,96E-
03 1,69E-
07 5,33E-
17 7,50E-
11 6,55E-
13 3,38E-
26 Fonte: Elaborado pela própria autora
