Estudo experimental da distribuição de fluxo de calor radiante em chamas turbulentas

Abstract

A previsibilidade da radiação emitida por processos de combustão é de grande interesse da engenharia. Aplicações industriais, como flares em plataformas de petróleo, requerem um correto dimensionamento do processo de combustão, a fim de garantir a segurança humana, ambiental, de processo e patrimonial. O trabalho busca avaliar experimentalmente a capacidade preditiva do modelo das múltiplas fontes pontuais ponderadas, que visa predizer o fluxo de calor radiante emitido pela chama. O combustível de estudo é o gás natural puro, com vazões volumétricas de 5, 10, 25, 50 e 100 ℓ/min. Para realização dos experimentos, utiliza-se um queimador de tubo reto, com diâmetro do bico injetor de combustível igual a 7,55 ± 0,10 mm, e comprimento aproximadamente 40 vezes superior ao diâmetro do bocal, para que o escoamento seja plenamente desenvolvido. Determinou-se o comprimento visível de chama através da análise de fotografias instantâneas. A altura de levantamento das chamas foi medida a partir do vídeo gerado pela reprodução sequencial das fotografias instantâneas. A distribuição do fluxo de calor radiante foi obtida através de medições ao longo do eixo da chama, utilizando-se um sensor de radiação. Calculou-se o fluxo de calor radiante para os mesmos pontos medidos, através do modelo das múltiplas fontes pontuais ponderadas. Observou-se que o comprimento de chama cresce com o incremento da vazão volumétrica de combustível, porém com taxas decrescentes. Observou-se descolamento da chama apenas nas chamas de 50 e 100 ℓ/min, a partir das quais se notou que a altura de levantamento aumenta quase linearmente com o aumento da vazão de combustível. Concluiu-se que o modelo das múltiplas fontes pontuais ponderadas apresenta boa adequação para a chama com vazão volumétrica de combustível equivalente a 10 ℓ/min, enquanto que para vazões menores que esta o modelo subestima o fluxo de calor radiante, e para vazões superiores, superestima. Notou-se que o modelo tende a apresentar resultados mais satisfatórios nas regiões abaixo da chama e acima do comprimento visível desta.

The predictability of radiation emitted by combustion processes is of great interest in engineering. Industrial applications, such as flares on oil platforms, require a correct sizing of the combustion process, in order to ensure human, environmental, process and patrimonial safety. The work aims to experimentally evaluate the weighted multi-point source model's predictive ability, which aims to predict the radiant heat flux emitted by the flame. The fuel in study is the pure natural gas, with volumetric flow rates of 5, 10, 25, 50 and 100 ℓ/min. For the experiments, it’s used a straight tube burner, with a diameter of the fuel nozzle equal to 7.55 ± 0.10 mm and length about 40 times the diameter of the nozzle, so the flow is fully developed. The visible flame length was determined over image analysis. The lift-off height of the flames was measured from the video generated by the sequential reproduction of snapshots. The radiant heat flux distribution was obtained by measurement along the flame axis, using a radiation sensor. The radiant heat flow was calculated for the same measured points, by the weighted multi-point source model. It was observed that the flame length grows with increasing volumetric flow rate of fuel, but with decreasing rates. The lifting-off was noted only in the flames of 50 and 100 ℓ/min, from which it was noted that the lift-off height increases almost linearly with increasing fuel flow rate. It was concluded that the weighted multi-point source model shows good adequacy for the 10 ℓ/min flame, while for smaller flow rates the model underestimates the radiant heat flux, and for higher flow rates, overestimates. It was noted that the model tends to provide more satisfactory results in regions below the flame and above the visible flame length.