Medição em reator de volume constante e desenvolvimento de correlações de velocidade de chama laminar de componentes de substitutos de gasolina

Abstract

O presente estudo tem por objetivo investigar a influência da temperatura, pressão e razão de equivalência na velocidade de chama laminar, SL, de ciclopentano, diisobutileno, etilbenzeno, trimetilbutano, iso-octano e n-heptano, em mistura com ar seco, e o desenvolvimento de correlações para a velocidade de chama laminar para cada espécie química em função de razão de equivalência, temperatura e pressão. As medições foram obtidas em um reator de volume constante esférico, com diâmetro de 300 mm, com janelas de quartzo com diâmetro 150 mm, as quais permitem, utilizando o método Schlieren tipo Z, a captura da propagação da imagem da chama no interior do reator, e posteriormente o tratamento das imagens para correção do efeito da curvatura e obtenção da velocidade de chama laminar. As condições iniciais para os testes realizados foram: temperatura Tu de 398 K, 420 K e 460 K; pressão Pu de 1 bar, 1,5 bar, 2 bar e 3 bar; e razão de equivalência f de 0,7 a 1,4. Além destas condições, realizaram-se testes para os Combustíveis de Referência Primário (PRFs) (iso-octano e n-heptano) na condição inicial de Tu 398 K e pu 1 bar para comparação com dados da literatura e validação da bancada experimental. Os resultados mostram que o combustível etilbenzeno é o que apresenta maiores valores de SL, com um comportamente semelhante ao n-heptano, enquanto o iso-octano apresenta menores valores de SL, com um comportamento semelhante ao trimetilbutano, nas condições testadas. O valor máximo de SL de 85 cm/s foi observado entre as razões de equivalência f de 1,0 e 1,1 para o Ciclopentano em Pu 100 kPa e Tu 460 K. O n-heptano e o etilbenzeno tiveram comportamentos semelhantes, com valor máximo de 67 cm/s em f = 1,1. O aumento da temperatura resulta em aumento da velocidade de chama laminar, enquanto que o aumento na pressão resulta no efeito contrário. As correlações para a velocidade de chama laminar de cada um dos combustíveis foram baseadas em uma correlação disponível na literatura. Para a velocidade de chama laminar de referência, foi ajustado um polinômio de grau 3 em função da razão de equivalência. Para os termos associados à temperatura e pressão, a temperatura de 420 K e a pressão de 1 bar foram escolhidas como valores de referência para a correlação. Os expoentes a e b, associados com a temperatura e a pressão, respectivamente, também foram ajustados em função da razão de equivalência com polinômios de grau 2. Os valores do expoente da temperatura a em função da razão de equivalência se comportaram de forma semelhante para os combustíveis testados, exibindo um valor mínimo entre 1,45 e 1,90, exceto para o ciclopentano, que apresentou um valor máximo de 3,15. Os valores do expoente da pressão b em função da razão de equivalência apresentaram comportamento semelhante para todos os combustíveis testados, com valores máximos entre -0,2 e -0,1, que decrescem para misturas pobres e ricas. Os valores para o etilbenzeno aproximam-se de zero na estequiometria, exibindo independência da pressão. Em geral, as correlações para a velocidade de chama obtidas apresentam variação máxima de ± 4,5% para o n-heptano, ± 3,5% para iso-octano, ± 3,5% para ciclopentano e diisobutileno, ± 3% para etilbenzeno e ± 2,5% para trimetilbutano.

Abstract: The present study investigates the influence of temperature, pressure and equivalence ratio on the laminar flame velocity, SL, of cyclopentane, diisobutylene, ethylbenzene, trimethylbutane, iso-octane and n-heptane, in a mixture with air dry, and the development of correlations for laminar flame velocity for each chemical species as a function of equivalence ratio, temperature and pressure. The measurements were obtained in a spherical constant volume reactor, with a diameter of 300 mm, with quartz windows with a diameter of 150 mm, which allow, using the Z-type Schlieren method, the capture of the propagation of the flame image inside the reactor, and then image processing to correct the curvature effect and obtain the laminar flame velocity. The initial conditions for the tests carried out were: temperature Tu of 398 K, 420 K and 460 K; pressure Pu of 1 bar, 1.5 bar, 2 bar and 3 bar; and equivalence ratio f from 0.7 to 1.4. In addition to these conditions, tests were carried out for the PRFs (iso-octane and n-heptane) in the initial condition of Tu 398 K and pu 1 bar for comparison with literature data and validation of the experimental bench. The results show that ethylbenzene fuel has the highest SL values, with behavior similar to n-heptane, while iso-octane fuel has lower SL values, with behavior similar to trimethylbutane. , under the tested conditions. The maximum SL value of 85 cm/s was observed between f equivalence ratios of 1.0 and 1.1 for Cyclopentane at Pu 100 kPa and Tu 460 K. n-heptane and ethylbenzene had similar behavior, with a maximum value of 67 cm/s at f = 1.1. Increasing temperature results in an increase in laminar flame velocity, while increasing pressure results in the opposite effect. The correlations for the laminar flame velocity of each of the fuels were based on a correlation available in the literature. For the reference laminar flame speed, a polynomial of degree 3 was adjusted as a function of the equivalence ratio. For the terms associated with temperature and pressure, the temperature of 420 K and the pressure of 1 bar were chosen as reference values for the correlation. The exponents a and b, associated with temperature and pressure, respectively, were also adjusted as a function of the equivalence ratio with degree 2 polynomials. The values of the temperature exponent a as a function of equivalence ratio behaved similarly for the tested fuels, exhibiting a minimum value between 1.45 and 1.90, except for cyclopentane, which presented a maximum value of 3.15. The values of the pressure exponent b as a function of the equivalence ratio showed a similar behavior for all fuels tested, with maximum values between -0.2 and -0.1, which decrease for lean and rich mixtures. Values for ethylbenzene approach zero in stoichiometry, exhibiting pressure independence. In general, the correlations for flame speed obtained show a maximum variation of ± 4.5% for n-heptane, ± 3.5% for iso-octane, ± 3, 5% for cyclopentane and diisobutylene, ± 3% for ethylbenzene and ± 2.5% for trimethylbutane.