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Queimadores para combustíveis líquidos
Introdução:
Em geral os queimadores de combustíveis líquidos são semelhantes aos queimadores a gás, pois a queima se produz na fase vapor.
Neste sentido podemos identificar duas situações bem distintas;
- Queima de combustíveis líquidos previamente vaporizados, como é o de algumas aplicações industriais de líquidos de baixo ponto de ebulição (exemplo: querosene). Este caso deve ser tratado como combustão de gases.
- Queima de combustíveis líquidos pulverizados (pequenas gotículas de líquidos) na câmara de combustão. ¾ Em processos de combustão industrial a queima de líquidos na forma de “sprays” tem considerável importância em função da grande diversidade de aplicações (geração de vapor, aquecimento de fornos, geração de gases quentes, etc.), representando quase que a totalidade das chamas industriais destes combustíveis.
Processo de queima com pulverização (Sprays):
- Este processo pode ser descrito como a divisão do líquido gerando uma névoa de pequenas gotas, denominado nebulização (atomização), que posteriormente mistura-se ao comburente (ar na maioria das vezes), proporcionando condições para a combustão, que ocorre ao nível das gotas.
- Difere dos combustíveis gasosos premisturados, pois não apresenta composição uniforme.
- O ‘’spray’’ constituído de gotas de combustível pode ter uma larga faixa de tamanhos de gotas que podem se mover em diferentes direções e velocidades em relação ao fluxo gasoso.
- Esta ausência de uniformidade provoca irregularidades na propagação de chama e a zona de combustão não se apresenta geometricamente bem definida.
- No interior de câmaras de combustão ocorrem diversos fenômenos como escoamento de misturas complexas multifásicas, trocas de calor entre chama e invólucro, entre outros, que tornam o processo bastante complexo
Nebulização do combustível:
- O propósito principal do processo de nebulização do combustível é a divisão do líquido em gotas de menor tamanho possível, gerando um fino ‘’spray’’ (5 μm < d < 500 μm).
- A divisão proporciona um aumento significativo da área de contato entre combustível e comburente e como decorrência um aumento nas taxas de evaporação e combustão que ocorrem na interface líquido-gás
Exemplo: tomemos como exemplo hipotético a divisão de apenas uma gota de diâmetro inicial D igual a 1 cm em N gotas, todas com mesmo diâmetro final d igual 100 μm
10 gotas d
D
d
D
N 3 6
3 3
3
= = π
π = (^100) D
d N gota
Spray 2
2 = =
Número de gotas Relação área superficial
- Para o mesmo volume de líquido, com a divisão obtém-se uma área superficial de cerca de cem vezes maior.
- Num caso real, onde se produz um spray de diferentes diâmetros de gotas, é possível dividir um volume de 1 cm 3 de líquido em 10^7 gotas, ou ainda, 1 kg óleo combustível se expandido em gotas com área superficial total de até 120 m 2.
Mecanismos de Formação de Sprays:
Seja qual for o princípio ou dispositivo utilizado, o processo de nebulização ocorre quando se obtém à saída do bocal através do qual o líquido é injetado, uma película fina de espessura da ordem de micra (μm). Esta película logo em seguida, torna-se instável rompendo-se em gotas e placas, sendo que estas últimas, sob a ação da tensão superficial, adquirem a forma de gotas aproximadamente esféricas. Estes fenômenos ocorrem durante frações de segundo, logo após o líquido deixar o bocal.
Formação de um spray ideal obtido a partir de um jato de água plano escoando em regime laminar. Observa-se que na expansão da película ocorrem oscilações na superfície que, à medida que a película se expande provoca a desintegração da mesma formando ligamentos. Estes ligamentos tornam-se instáveis rompendo-se em segmentos, que sob à ação da tensão superficial, assumem a forma esférica.
Princípios de Nebulização:
Os vários princípios e dispositivos de nebulização utilizados industrialmente, geralmente são classificados segundo a fonte de energia utilizada para a injeção do líquido através do bocal, e são divididos em três princípios fundamentais;
- Por pressão de líquido;
- Com fluido auxiliar ou pneumática (ar ou vapor);
- Híbridos ou combinados (de pressão de líquido e pneumática) e mecânica com copo rotativo.
Há outros princípios e dispositivos existentes alternativos a estes como choque de jatos, ultrasom, vibrações. Entretanto ainda não tem utilização industrial significativa.
A utilização de um ou outro processo para nebulização do combustível depende de;
- Características físicas do líquido,
- Disponibilidades de energia e de fluidos auxiliares, bem como do equipamento onde está acoplado o queimador,
- Deve-se também levar em conta muitas vezes critérios econômicos (custo de energia elétrica, de vapor e ar comprimido) no momento da escolha do tipo mais adequado a uma aplicação.
Nebulização por pressão de líquido
Bocais de simples orifícios
- A película à saída do bocal neste caso é obtida mediante a injeção do líquido sob pressões relativamente elevadas, 20 a 60 kgf/cm 2 e em alguns casos mais elevadas, através de bocais de pequenas dimensões, portanto, a altas velocidades.
- A formação e desintegração da película à saída do bocal, depende essencialmente dos seguintes fatores: ¾ Características geométricas do bocal injetor; ¾ Pressão de injeção do líquido; ¾ Propriedades físicas do líquido (viscosidade, tensão superficial); ¾ Pressão do meio em que está sendo injetado.
Podem ser obtidos sprays de diversos formatos,
Cone cheio: O líquido é descarregado na forma de um jato cilíndrico
Cone oco Película que se expande radialmente
Várias formas de orifícios e correspondentes valores coeficientes de descarga:
Bocais do tipo câmara de rotação (“Pressure Swirl”)
- Neste tipo de bocal nebulizador o líquido é introduzido tangencialmente numa câmara situada imediatamente à montante do orifício de descarga, deixando este na forma de ume película que se expande na forma de um cone oco.
- Esta película à medida que se expande tem sua espessura reduzida, desintegra-se à frente em gotas segundo os mecanismos citados anteriormente, gerando uma névoa de gotas que constitui o “spray”.
Estágios do desenvolvimento do spray com o aumento da pressão de injeção do líquido
a) pressão é muito próxima de zero; b) o líquido deixa o orifício na forma de um cilindro distorcido; c) forma-se um cone junto do orifício que se contrai sob ação da tensão superficial (“cebola”); d) a película (“tulipa”) rompe-se em gotas formando um “spray grosseiro” e finalmente e) obtém-se o spray plenamente desenvolvido.
Nebulização com fluido auxiliar ou pneumática
- Na nebulização com fluido auxiliar ou pneumática a injeção do líquido é feita com pressões relativamente mais baixas do que na nebulização por pressão, com auxílio de um fluido gasoso (ar ou vapor) que transfere quantidade de movimento ao líquido que está sendo nebulizado.
- Neste tipo de nebulização os mecanismos descritos anteriormente para a desintegração da película são desencadeados pelo fluido auxiliar, iniciando-se em muitos casos, ainda no interior do próprio bocal.
Existem bocais em que a mistura líquido-fluido auxiliar é feita externamente ao bocal nebulizador, como é o caso dos bocais da figura abaixo.
Em (a) o líquido deixa o orifício na forma de um jato cilíndrico que se expande, entrando em contato com o jato de ar que é introduzido no queimador com pressões máximas relativamente baixas, cerca de 0,16 bar. Em (b) o líquido entra em contato com o fluido de nebulização já na forma de uma película
Bocais de nebulização com fluido auxiliar de baixa pressão e média pressão. 1 – líquido; 2 – ar; 3 – filme de líquido; 4 – borda de descolamento do filme
Há outros bocais em que a mistura do fluido de nebulização com o líquido ocorre no interior do bocal em diferentes configurações.
1 – líquido; 2 – ar/vapor; 3 – orifício de líquido; 4 – orifício de ar/vapor; 5 – câmara de mistura; 6 – orifícios de descarga
Bocais nebulizadores híbridos
Existem bocais onde os dois princípios de nebulização, por pressão de líquido e com fluido auxiliar, são combinados ou denominados híbridos.
No bocal da figura o líquido é injetado por uma câmara de rotação e a desintegração do jato produzido por um bocal nebulizador do tipo câmara de rotação é assistida externamente por um jato de fluido auxiliar (ar ou vapor)
Este tipo de bocal geralmente é utilizado quando a vazão de líquido é bastante alta (p.ex. 5 t/h de óleo), onde o diâmetro do orifício de descarga do líquido é da ordem de centímetro, o que produziria gotas de diâmetros da ordem de milímetro. Neste caso a desintegração da película assistida por jato de fluido auxiliar melhora significativamente a qualidade do processo de nebulização.
Nebulização com copo rotativo
Na nebulização com copo rotativo o líquido é depositado nas paredes internas de um copo na forma de um tronco de cone. A película se forma na parede interna mediante a rotação do copo, expandindo na medida em que, sob a ação da força centrífuga, se desloca em direção à borda interna do copo.
(a) quando a vazão de líquido é baixa, chamado regime de gotas, as gotas formam-se a partir das cristas das ondas provocadas por distúrbios decorrentes de instabilidades e vibrações do próprio copo; (b) quando a vazão de líquido aumenta, no regime de ligamentos, formam-se ligamentos que ao se alongar rompem-se em gotas nas suas extremidades (c) no regime de película para vazões de líquido ainda mais elevadas, o líquido deixa a borda do copo como uma película, que, na seqüência rompem-se em ligamentos e subseqüentemente em gotas.
