Avaliação da transferência de calor direta de chamas planas laminares para uma superfície isotérmica

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2013.Nesse trabalho, estudou-se experimentalmente a interação entre chamas planas laminares e uma superfície isotérmica em configuração de escoamento em plano de estagnação, avaliando a influência da distância entre elas no limite de estabilidade, no coeficiente de transferência de calor médio e na eficiência de transferência de calor, para diferentes velocidades de chama e razões de equivalência. O combustível utilizado foi o gás natural fornecido comercialmente a partir do Gasoduto Bolívia-Brasil. Esse estudo tem aplicação em situações onde há contato entre chamas laminares e superfícies sólidas. Para isso, utilizou-se um trocador de calor na forma de uma superfície circular isotérmica posicionado sobre um queimador de chama plana do tipo McKenna, com a face paralela à superfície do queimador. A superfície do trocador era mantida isotérmica por meio de um escoamento de água circulando no seu interior o qual permitira também medir a taxa de transferência de calor da chama para a superfície. A eficiência térmica foi definida como a razão entre a taxa de transferência de calor entre a chama e a superfície e a entalpia (PCS) associada ao escoamento de gás natural. Os testes foram realizados com velocidades de chama variando entre 17 e 23 cm/s e com razões de equivalência entre 0,8 e 1,0. A medida que a distância de separação entre a superfície isotérmica e a superfície do queimador era reduzida, observava-se uma transição entre a chama plana estabilizada na superfície do queimador e uma chama curva estabilizada na borda do queimador e ancorada em ambos, queimador e trocador de calor. A distância na qual essa transição ocorria permaneceu entre 1,8 mm e 2,3 mm e foi associada à distância de extinção para uma chama laminar pré-misturada em configuração de plano de estagnação. A distância de extinção decresce com o aumento da velocidade de chama e aumenta com o aumento da razão de equivalência. A taxa de transferência de calor situou-se entre 64 e 97 W/m2-K e a eficiência térmica entre 0,2 e 0,3 para espaçamentos entre o queimador e a superfície entre 2,5 mm e 6,5 mm. As incertezas nas medições de vazões de gases e de água de resfriamento do trocador de calor são responsáveis por mais de 70% das incertezas associadas aos resultados. Abstract : In this work, the flame stability limit and the average heat transfer coefficient between a flat flame and an isothermal stagnation plane was investigated experimentally, for different flame speeds and equivalence ratios, using natural gas as fuel. This study finds application in situations where there is contact between solid surfaces and laminar flames. The laminar flat flame was generated on the surface of a McKenna burner. The isothermal surface was a circular flat surface with diameter equal to the flame diameter, positioned over the flat flame burner facing parallel to the surface of the burner. A water flow keeps the surface isothermal and allows for the measurement of the heat transfer from the flame to the surface. A thermal efficiency is defined as the ratio of the heat transfer rate to the isothermal surface and the enthalpy flow rate (higher) carried by the natural gas flow. The tests were conducted at flame speeds varying between 17 and 23 cm/s and equivalence ratios between 0.8 and 1.0. As the surface was progressivelly approximated to the burner surface, the flame suffered a transition from a flat flame stabilized on the burner surface to a curved flame stabilized at the edge of the burner, anchored both in the isothermal and the burner surface. The distance when this transition occurred remained within 1.8 and 2.3 mm and was associated to a quenching distance for the stagnation plane flame. It decreased as the flame speed increased and increased for the higher equivalence ratios. The measured heat transfer coefficients between the flame and the surface varied from 64 to 97 W/m2-K and the thermal efficiency of the heat transfer to the isothermal surface varied between 0.2 and 0.3 for spacings between the burner and the surface from 2.5 mm to 6.5 mm. The measurement uncertainties associated with the gas flow rates and the water flow rate in the isothermal surface accounted for over 70 % of the uncertainties associated to the results