Subsidies to the study of heat transfer in a horizontal cylindrical combustion chamber in the presence of soot

Orientador: Leonardo Goldstein JuniorTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: A combustão de óleo combustível em equipamentos industriais é um processo que fornece energia para aquecimento, geração de vapor e produção de energia elétrica, entre outros. A fuligem que se forma durante a combustão ocasiona aumento da taxa de transferência de calor por radiação entre os gases produtos da combustão e as superfícies de troca de calor do equipamento de processo, o que ocorre devido à luminosidade da chama. O gás natural tem sido utilizado para substituir o óleo combustível, porém esse gás produz pouca fuligem e pode ocasionar diminuição das trocas térmicas nos equipamentos projetados para óleo combustível. Assim, observa-se que o conhecimento da relação entre a concentração de fuligem na chama e a transferência de calor fornece subsídios para o projeto de caldeiras e fornalhas. O problema abordado nesse trabalho consiste em determinar a relação entre a transferência de calor e a fração volumétrica de fuligem em uma câmara de combustão cilíndrica horizontal, considerando a rotação imposta ao escoamento. O foco principal do trabalho é experimental. Para conduzi-lo, foi projetada e construída uma câmara de combustão dotada de um queimador que induz rotação ao escoamento. A concentração de fuligem foi determinada a partir da variação da intensidade de feixes de luz laser ao passar pela câmara. Complementarmente ao trabalho experimental realizado, para estimar a influência da presença de fuligem, do comprimento da chama e outros parâmetros sobre as trocas térmicas, foi elaborada uma simulação numérica da transferência de calor em uma câmera de combustão cilíndrica, empregando-se o método das zonas. A principal contribuição do trabalho foi indicar que a fração volumétrica de fuligem depende tanto do excesso de ar quanto do número de rotação do escoamento e que para o maior excesso de ar considerado, quanto menor a fração volumétrica de fuligem, menor a taxa de transferência de calor. Os resultados numéricos sugerem que a adoção de um padrão de liberação de energia pela chama foi o fator preponderante para a intensificação das trocas de calorAbstract: Fuel oil combustion in industrial equipment is a process that provides energy for heating, steam generation and production of electrical energy. Soot produced during combustion causes an increase in the radiation heat transfer rate between the combustion gases and the heat exchange surfaces of the process equipment, due to the flame luminosity. Natural gas has been used as a substitute to fuel oil, but this gas produces little soot and may cause a decrease in the thermal exchanges that take place in equipment originally designed to burn fuel oil. Thus, the knowledge of the relationship between soot concentration in the flame and heat transfer provides subsidies for the design of boilers and furnaces. The issue addressed in this work is to determine the relationship between heat transfer and the soot volume fraction in a horizontal cylindrical combustion chamber, considering the swirling intensity of the flow. The main focus of the work is experimental. To accomplish it, a combustion chamber equipped with a swirl burner to induce rotation to the flow was designed. Soot volume fraction was assessed by means of a laser beam directed towards the chamber. Additionally to the experimental work, a numerical simulation of the heat transfer in a cylindrical combustion chamber was carried out to estimate the influence of soot, flame release pattern and other parameters on the thermal exchanges. The main conclusion of the work was to indicate that the soot volume fraction depends both on the excess air and the swirl number of the flow. In the highest excess air employed, the lower the soot volume fraction, the lower the heat transfer rate. The numerical results suggest that the flame energy release pattern was the most important contributing factor to increase the heat transferDoutoradoTermica e FluidosDoutor em Engenharia Mecânic