Estudo do mecanismo combinado térmico e fluidodinâmico de estabilização de chama em um queimador poroso radiante e sua operação em ambiente de elevada temperatura

Abstract

Neste trabalho, um conceito fluidodinâmico de estabilização de chamas em queimadores porosos radiantes é analisado. Este conceito utiliza uma placa com um orifício para injeção da mistura reagente na cerâmica porosa. O queimador estudado é formado por duas placas de espuma cerâmica com diferentes tamanhos de poros. Medições detalhadas dos limites de estabilidade de chama, das emissões de monóxido de carbono (CO) e de óxidos de nitrogênio (NOx) e da eficiência de radiação foram realizadas para o queimador radiante operando em ambiente aberto e confinado em um ambiente a elevada temperatura. Para tanto, uma fornalha em escala de laboratório com controle das temperaturas das paredes foi utilizada. Tanto o queimador quanto a fornalha foram instrumentados para medição local de temperaturas e concentração das espécies químicas gasosas. As medições de temperatura dentro do queimador indicaram a existência de dois regimes de estabilização da frente de chama. Para baixas vazões volumétricas de reagentes, a frente de chama tem formato cônico, ocorre tanto na região de pré-aquecimento (espuma cerâmica com poros pequenos), quanto na região de estabilização de chama do queimador poroso (espuma cerâmica com poros grandes), e está ancorada no orifício de injeção. Para altas vazões volumétricas de reagentes e altas temperaturas da fornalha, ocorre uma transição entre os regimes de estabilização, fazendo com que a frente de chama passa a apresentar formato plano, ocorrendo totalmente na região de estabilização de chama e muito próxima da superfície do queimador poroso. Mesmo com esta mudança no regime de estabilização, o limite superior de estabilidade de chama permanece o mesmo quando comparado com o da operação em ambiente aberto. Na operação em ambiente aberto, o limite inferior de estabilidade ocorre pela máxima temperatura da placa de injeção e, na operação em ambiente confinado, pela máxima temperatura do meio poroso. Ao contrário dos limites de estabilidade que não mudam muito com a temperatura do ambiente, a eficiência de radiação diminui consideravelmente quando a temperatura do ambiente aumenta. Além disso, o aumento da temperatura do meio poroso observada na operação em ambiente confinado resulta num aumento das emissões de NOx e diminuição das emissões de CO. Estas questões devem ser levadas em consideração na aplicação de queimadores porosos radiantes em ambientes de elevada temperatura.