Ao buscar um melhor aproveitamento para combustores industriais, é fundamental conhecer características específicas da chama formada. Entre elas estão o perfil de tempe- ratura, comprimento de chama, velocidade turbulenta e a definição da zona de reação que está associada a taxa de formação de produtos.
5.3.1.1 Perfil de Temperatura
O perfil de temperatura na linha de centro do combustor para cada estágio de queima de gás foi simulado. A Figura 21 mostra o comportamento nos estágios de Secagem, Pré-queima e Queima.
Figura 21 – Perfil de temperatura para cada estágio de queima.
Observa-se que o pico de temperatura obtido foi maior no estágio de queima, onde a maior fração mássica de combustível está presente. Durante o estágio de Secagem, a temperatura atinge valores próximos a 750 K, o que está de acordo com o esperado, já que durante essa etapa o calor é utilizado somente para vaporizar as moléculas de água presentes no leito de pelotas de minério de ferro. No estágio de Pré-queima as temperaturas obtidas são em torno de 1300 K e são suficientes para ocasionarem um aumento significativo da temperatura do leito no Pot Grate e para se iniciarem as reações químicas de decomposição de carbonatos. Durante o estágio de Queima, a temperatura se mantém em valores próximos a 1600 K, garantindo que as transformações físicas e químicas ocorram com as pelotas. É importante ressaltar que, durante os três estágios, nota-se um decréscimo da temperatura, antes mesmo dos produtos de combustão deixarem a câmara. A Figura 22 mostra o perfil de temperatura radial em 50% (0, 81m) e 90% (1, 42m) do comprimento da câmara de combustão. O decréscimo de temperatura média
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Figura 22 – Comparação do perfil de temperatura radial para posições axiais de 0, 81m e 1, 42m durante o estágio de Queima.
Tal decréscimo pode ser explicado por um comprimento de chama curto, de modo que os produtos percam energia durante o escoamento dentro do próprio combustor. Isso representa um ponto negativo, pois as perdas de energia já ocorrem previamente à entrada dos gases no leito de pelotas de minério. A Figura 23 mostra os contornos de temperatura para o estágio de Queima. Nota-se um comprimento de chama curto e fino, o que está de acordo com as características de uma chama de pré-mistura, assim como destacado em 4.4.1. Existe uma queda da temperatura a medida que os produtos de combustão escoam pela câmara. As maiores temperaturas concentram-se no centro da câmara enquanto na zona periférica, devido à interação com a parede e à transferência de calor para o ambiente, as temperaturas diminuem.
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5.3.1.2 Comprimento de Chama
Por meio dos contornos de temperatura não é possível determinar com precisão o comprimento da chama formada durante a combustão. Para isso, é necessário conhecer os valores da variável progressiva ao longo da câmara. Quando a variável progressiva assume o valor unitário, conclui-se que todos os reagentes já sofreram o processo de combustão e, portanto, nesse ponto, está o final da chama. A Figura 24 apresenta o comportamento da variável progressiva.
Figura 24 – Comportamento da variável progressiva no linha central do combustor.
A partir da Figura 24 nota-se que a chama está completamente formada para posições acima de 0, 2 m. O comprimento de chama está definido no ponto onde a variável progressiva atinge o valor unitário, portanto, 0, 175 m.
Toda a análise realizada não considera, porém, os efeitos da hidrodinâmica do escoa- mento, pois a geometria utilizada nesse primeiro momento despreza os efeitos da estricção formada pela redução de diâmetro na seção de saída da câmara. A Figura 25 mostra as linhas de trajetórias emitidas a partir da seção de entrada do combustor.
Figura 25 – Linhas de trajetória emitidas da entrada do combustor.
É possível perceber que não existe a formação de pequenos e grandes vórtices na saída do escoamento. As linhas percorrem um caminho suave até atingirem a seção de
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saída. Tal efeito não deve ser percebido quando uma redução de diâmetro é considerada, já que espera-se uma ação agressiva da turbulência, com consequente formação de turbilhões e vórtices próximos às regiões de constrição. Na seção de entrada percebe-se a ausência de linhas de trajetória nos cantos da geometria, o que indica a presença de recirculações nessas regiões. A Figura 26 apresenta com detalhes os vórtices formados na entrada do combustor, devido a expansão.
Figura 26 – Formação de vórtices na entrada da câmara.
5.3.1.3 Velocidade de Chama Turbulenta
Um dos grandes diferenciais do modelo de combustão com pré-mistura, está na determinação da velocidade de chama turbulenta. A Figura 27 mostra a relação entre a velocidade de chama turbulenta e a velocidade de chama laminar, (Ut/Ul), em função da variável progressiva. A velocidade adimensionalizada atinge valor próximo de 7 quando a chama está completamente formada.
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Como a velocidade de chama laminar foi definida como 2m/s, nesse ponto a velocidade turbulenta, normal a superfície da chama e no sentido contrário ao escoamento da mistura, possui valor de 14m/s. Onde a chama encontra a mistura fresca, ou seja, quando a variável progressiva assume seu valor mínimo no intervalo, a relação Ut/Ul assume o valor de 2,5. 5.3.1.4 Taxa de Formação de Produtos
O aumento da temperatura na chama está associado à taxa de formação de produtos, pois a reação de combustão é um fenômeno exotérmico e portanto, libera energia. É possível determinar ainda a espessura da zona de reação. Para as chamas de pré-mistura, essa zona é estreita e separa os produtos queimados, da mistura não queimada, como mostra a Figura 28.
Figura 28 – Taxa de formação de produtos.
Tal constatação também foi observada em estudos realizados por Tidswell e Muppala (2014), Shelil, Griffiths e Syred (2009). Para a situação representada, a espessura da zona de reação é de 0, 025m, estando formada no comprimento de 0, 15m até o comprimento final da chama, 0, 175m. A taxa de formação de produtos atingiu o valor máximo de 9000s−1.
Para melhor caracterizar a zona de reação, pode-se analisar o número de Damkohler, que relaciona uma escala de tempo de reações químicas com os outros fenômenos que ocorrem durante a formação da chama. A Figura 29 apresenta o comportamento do número de Damköhler para posições axiais internas à zona de reação.
Dentro da zona de reação, o número de Damköhler assume valores altos, provando que nessa região, a química influencia mais do que qualquer outro fenômeno. A medida em que a zona de reação se encerra, o número de Damköhler assume valores mais baixos.
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Figura 29 – Número de Damköhler e sua relação com a zona de reação.