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Title in Portuguese: Análise do efeito do escoamento recíproco em queimador poroso volumétrico
Title: Analysis of the effect of reciprocal flow in a volumetric porous burner
Author: Araújo, Welkson Carneiro de
Advisor(s): Freire, Francisco Nivaldo Aguiar
Co-advisor(s): Barcellos, William Magalhães
Keywords: Engenharia mecânica
Combustão em meios porosos
Entalpia
Issue Date: 23-Sep-2016
Citation: ARAÚJO, W. C. Análise do efeito do escoamento recíproco em queimador poroso volumétrico. 2016. 110 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica)-Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2016.
Abstract in Portuguese: Esta dissertação consiste de um estudo teórico-experimental, com base nos fundamentos da tecnologia da Combustão em Meios Porosos (CMP), a respeito do efeito do escoamento recíproco sobre o desempenho de um queimador volumétrico, quando comparado com a condição de escoamento unidirecional. Essa tecnologia tem despertado atenção de especialistas em combustão quanto à sua aplicação em energias renováveis, nos âmbitos acadêmico e empresarial, devido à possibilidade de queima de combustíveis de baixo poder calorífico, associada ao aumento da faixa de inflamabilidade da mistura ar-combustível, obtendo baixíssimas emissões de gases poluentes. Nessa pesquisa foi utilizado um aparato experimental composto por um queimador poroso constituído de esferas de alumina (Al2O3), um sistema de reversão do escoamento dos gases, um sistema de monitoramento e aquisição de dados e um sistema para análise de NOx e CO. Os experimentos foram realizados em uma ampla faixa de razão de equivalência (0,1 ≤ Φ ≥ 0,9) e velocidade de escoamento dos gases (0,1≤ vg ≥0,3). A partir de dados experimentais sobre perfis de temperatura, emissões e eficiência e, através dos conceitos clássicos sobre excesso de entalpia e modelos teóricos para cálculo de temperatura e emissões, foi realizada uma análise comparativa entre as condições de operação do queimador poroso (escoamento unidirecional e recíproco). Os resultados mostraram que a utilização do escoamento recíproco aumenta a quantidade de calor recirculado para a mistura fresca em relação à condição de escoamento unidirecional, propiciando consequentemente a obtenção de uma taxa de reação mais elevada, eficiência de extração de energia acima de 90% e emissões ultrabaixas de CO e NOx, 0,5 e 1 ppm, respectivamente. Além disso, a recirculação de calor torna-se fundamental para o processo em razões de equivalências ultra baixas (Φ ≤ 0,4), onde o efeito do excesso de entalpia na zona de reação pode ser melhor caracterizado. Como resultado desse maior calor recirculado, ocorre a extensão dos limites de inflamabilidade do combustível, tornando a aplicação do fluxo recíproco acentuadamente mais vantajosa nessa faixa de razão de equivalência. Por fim, os elementos utilizados nesta pesquisa como ferramentas de metodologia de interpretação dos fenômenos da CMP, tanto o aparato experimental como os modelos analítico e numérico e o software GASEQ para cálculo do equilíbrio químico, mostraram-se apropriados para permitir uma analise dos processos e do conceito de excesso de entalpia com certa consistência.
Abstract: This dissertation consists of a theoretical-experimental study, based on the fundamentals of Combustion in Porous Media technology, about the effect of reciprocal flow on the performance of a volumetric burner when compared in the unidirectional flow condition. This technology has attracted attention of combustion experts as to its application in renewable energy in the academic and business areas due to the possibility of burning low calorific fuels, associated with increased flammability range of air-fuel mixture, obtaining very low greenhouse gas emissions. In this study, it was used an experimental apparatus composed of a porous burner consisting of alumina spheres (Al2O3), a reversing the flow of gases system, a monitoring system and a data acquisition system and a analysis system of NOx and CO. The experiments were conducted in a wide equivalence ratio range (0,1 ≤ Φ ≥0,9) and gas flow velocity (0,1≤ vg ≥0,3) . From experimental data on temperature profiles, emissions and efficiency and, through the classical concepts of excess enthalpy and theoretical models for calculating temperature and emissions, a comparative analysis for both operating conditions of the porous burner was performed (unidirectional and reciprocal flow). The results showed that the use of the reciprocal flow increases the amount of recirculated heat to the cool mixture in relation to unidirectional flow condition enabling to obtain a higher reaction rate, energy extraction efficiency above 90% and ultra-low emissions of CO and NOx, 0,5 e 1 ppm, respectively. Furthermore, the heat recirculation becomes crucial for the process in ultra-low equivalence ratios (Φ ≤ 0,4) where the effect of excess enthalpy in the reaction zone may be better characterized. As a result of this larger recirculated heat, it happens a length of the fuel flammability limits, making the application of reciprocal flow markedly advantageous in this equivalence ratio range. Finally, the elements used in this research as tools for the interpretation of CMP phenomena, both the experimental apparatus and the analytical and numerical models, and the GASEQ software to calculate the chemical equilibrium, were shown to allow an analysis of the processes and of the concept of excess enthalpy with a certain consistency.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/24534
metadata.dc.type: Dissertação
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