Experimental study of the effect of dilution of natural gas with carbon dioxide on turbulent diffusive flames’ characteristics

A modelagem da transferência de calor por radiação em processos de combustão é de grande interesse da engenharia. Aplicações industriais como motores, fornos e flares requerem o conhecimento de características radiativas para análise de questões de segurança e riscos, sejam humanos, ambientais e patrimoniais. O trabalho avalia experimentalmente a influência da diluição do combustível com um gás inerte sobre características geométricas e radiantes de chamas difusivas turbulentas. O combustível de estudo é o gás natural e o inerte é o dióxido de carbono, em níveis de diluição de 0%, 10%, 20%, 30% e 40% em termos de volume de CO2 em relação à vazão volumétrica total de combustível. Para isso, projetou-se um queimador de tubo reto, cujo diâmetro de saída do combustível é de 8mm. Determinou-se o comprimento visível das chamas e a fração radiante de energia liberada pelas mesmas. O comportamento intermitente na parte superior da chama foi analisado. A técnica de medição do comprimento baseou-se na análise de fotografias de longa exposição obtidas por câmera ótica. A radiação foi medida por um sensor de radiação, assumindo a chama como uma fonte pontual de calor que irradia calor uniformemente para todas as direções. O comprimento de chamas cresce com o incremento da vazão volumétrica total de combustível e decai conforme o aumento da diluição do gás natural com dióxido de carbono. A fração radiante de energia liberada cresce com o aumento do tempo de residência e tem uma dependência mais significativa para combustíveis de maior poder calorífico. A presença de fuligem é mais significativa para maiores tempos de residência. A diluição do gás natural com dióxido de carbono aparenta ter um efeito de redução da fração radiante para chamas de mesmas faixas de potência.The modelling of radiation heat transfer in combustion processes is of great interest for engineering. Industrial applications such engines, furnaces and flares require the knowledge of radiant characteristics to evaluate safety and risks issues, even human, environmental or patrimonial. The work evaluates experimentally the influence of the fuel dilution with an inert gas on turbulent diffusive flames’ geometric and radiant characteristics. The fuel of study is natural gas and the inert is carbon dioxide, in dilution levels of 0%, 10%, 20%, 30% and 40% in terms of CO2 volume related to the total fuel volumetric flow rate. In this regard, a straight tube burner was developed, which diameter is of 8mm. The visible flame length and the radiant energy fraction were determined. The intermittent behaviour on the top of the flame was analysed. The measurement technique of the flame length was based on the analysis of long exposure time photographs, obtained by an optical camera. The radiation was measured by a heat flux sensor, assuming the flame as a punctual source that uniformly irradiates heat to all directions. The flame length increases with increasing total volumetric fuel flow and decreases with higher levels of dilution of the natural gas with carbon dioxide. The radiant energy fraction grows with the increase of the flame residence time and has a more significant dependence for fuels with higher calorific values. The soot presence is more significant for higher residence times. The dilution of natural gas with carbon dioxde seems to has an effect of reducing the radiant fraction for flames of the same level of power