Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Departamento de Engenharia Mecânica, 2011. / Submitted by Albânia Cézar de Melo (albania@bce.unb.br) on 2012-05-28T16:29:49Z No. of bitstreams: 1 2011_HimilsysHernandesGonzalez.pdf: 8438193 bytes, checksum: 67e1207af47407269e1b244726b06f1a (MD5) / Approved for entry into archive by Marília Freitas(marilia@bce.unb.br) on 2012-05-29T13:17:05Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2011_HimilsysHernandesGonzalez.pdf: 8438193 bytes, checksum: 67e1207af47407269e1b244726b06f1a (MD5) / Made available in DSpace on 2012-05-29T13:17:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2011_HimilsysHernandesGonzalez.pdf: 8438193 bytes, checksum: 67e1207af47407269e1b244726b06f1a (MD5) / Hoje o controle da emissão de poluentes é um fator determinante nos sistemas de combustão modernos. A necessidade de reduzir as emissões de NOx e outros poluentes incentivaram o desenvolvimento dos combustores com chama pobre e pré-misturada e, geralmente, ancorada por um gerador de rotação (swirler). O presente trabalho tem como objetivo caracterizar as estruturas turbulentas tridimensionais que conduzem às instabilidades em escoamentos com rotação, num modelo laboratorial de uma câmara de combustão com pré-mistura pobre em combustível (LPM) através da técnica de velocimetría planar (PIV). O segundo objetivo é comparar, através de medições de pressão dinâmica, o combustor padrão com um modificado mais próximo à configuração de um combustor real. Nos resultados dos campos de velocidade média aparece uma zona de recirculação central (ZRC) bem estabelecida para número de Reynolds maiores que 60000 e número de rotação maior que 0,62, com camadas de cisalhamento que se encontram entre as isolinhas de velocidade com valor zero e as regiões de alta velocidade. Ao redor desta ZRC, coincindo com os limites da mesma, encontra-se um vórtice de precessão (PVC) que provoca que a ZRC mude de tamanho e forma, deslocando-se radialmente com relação ao eixo central. Os resultados são coerentes com os encontrados na literatura. A técnica de PIV facilitou a visualização das variações no campo de velocidades instantâneas podendo apreciar a real complexidade da dinâmica do fluxo. Estas flutuações são provocadas pelo PVC e governam os campos do escoamento em tempo real, podendo afetar o desempenho da combustão. Tanto o confinamento na saída, como a diminuição da câmara de pré-mistura provocaram uma mudança nas características acústicas do PVC, encontrando o sinal do mesmo a uma maior distancia que no combustor padrão, mas girando a menor freqüência, sendo mais notável quando a pré-câmara é encurtada. ______________________________________________________________________________ ABSTRACT / Currently control the emission of pollutants is a determinant factor in modern combustion systems. The need to reduce emissions of NOx and other pollutants has stimulated the development of LPM combustors, anchored by a swirl. The present work aims to characterize the turbulent three-dimensional structures that lead to instabilities in swirling flows in a lean premixed combustor (LPM) through the planar velocimetry technique (PIV). The second objective is to compare a standard combustor, through measurements of dynamic pressure, with a modified combustor so that they can be compared with measurements made in real burners. The results of average velocity fields appears an well established center recirculation zone (ZRC) for Reynolds number greater than 60000 and rotation number greater than 0,62, with shear layers that lie between the contours of zero speed and high speed regions . Around this ZRC and coincides with the limits of it, is found a precessing vortex (PVC) which causes the ZRC change size and shape, changing them radially with respect to the central axis. The results are consistent with those found in previous research. The PIV technique improved visualization of the variations in the instantaneous velocity field can appreciate the real complexities of the dynamic flow. These fluctuations are caused by PVC and govern the flow fields in real time, being able to affect the performance of combustion. Both the confinement on the exit chamber, as the decrease in the premix chamber caused a change in acoustic characteristics of PVC, finding it signature of even greater distance than the standard combustor, but turning the lower frequency, being more noticeable when the premixed chamber is shortened.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2011. / Submitted by Alaíde Gonçalves dos Santos (alaide@unb.br) on 2013-03-11T14:10:13Z No. of bitstreams: 1 2011_LeonardoIvodeCarvalhoSilva.pdf: 4180099 bytes, checksum: 8073385b1dc556ad2b6e9204e7e5c28d (MD5) / Approved for entry into archive by Guimaraes Jacqueline(jacqueline.guimaraes@bce.unb.br) on 2013-05-08T11:59:45Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2011_LeonardoIvodeCarvalhoSilva.pdf: 4180099 bytes, checksum: 8073385b1dc556ad2b6e9204e7e5c28d (MD5) / Made available in DSpace on 2013-05-08T11:59:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2011_LeonardoIvodeCarvalhoSilva.pdf: 4180099 bytes, checksum: 8073385b1dc556ad2b6e9204e7e5c28d (MD5) / No presente trabalho experimental foi estudado o escoamento com elevada rotação considerado regular aos processos de queima em um combustor do tipo LPP, também conhecido como combustor de baixo NOx, para analisar a funcionalidade do seu sistema responsável pela geração do escoamento reativo. As medições experimentais foram realizadas com o uso das técnicas de anemometria a temperatura constante (ATC) e velocimetria por imagem de partículas (PIV). O sistema gerador do escoamento reativo (ou sistema gerador de fluxo) é composto por um swiler axial e pela câmara de pré-mistura do combustor em questão. O swirler foi projetado para fornecer uma mistura reativa em diferentes níveis de rotação e a câmara de pré-mistura foi idealizada para garantir um tempo satisfatório de residência para o processo de mistura, levando-se em conta as possíveis configurações de rotação do escoamento oferecidas pelo swirler. Para a realização do trabalho o sistema gerador de fluxo foi desacoplado do combustor LPP (montado no laboratório de combustão do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Brasília), para a instalação dos equipamentos de medição à saída da câmara de pré-mistura. Foram utilizados dois ATC's do tipo Dantec, modelo Mini CTA 54T30, trabalhando em paralelo por meio de um sensor de dois fios, e um laser do tipo Nd:YAG com comprimento de onda igual a 532nm de coloração verde. O corante utilizado para a fluorescência foi a Rodamina B e para a velocimetria foram utilizadas partículas formadas com glicerina. Nas seções de ATC e de PIV os dados foram capturados no plano longitudinal do escoamento para três intensidades de rotação, caracterizadas pelo adimensional número geométrico de swirl (S’=0,88; 1,05 e 1,26). As experimentações permitiram observar o característico campo de velocidades e as estruturas existentes à região nuclear do escoamento. Permitiram também confirmar a condição de regularidade do vórtice com base na evolução contínua das freqüências dos harmônicos dominantes (400Hz; 500Hz e 560Hz), observadas em seu núcleo. Estas constatações, segundo a literatura, indicam a existência de um vórtice pleno, conhecido como o vórtice colapsado, que é responsável pela diminuição das emissões poluentes e pelo processo de sustentação da chama no combustor LPP. Demonstrou-se, portanto, que o sistema de fluxo é capaz atender às exigências de funcionamento do combustor de baixo NOx instalado no laboratório de combustão, por disponibilizar o escoamento adequado ao funcionamento desta tecnologia. _______________________________________________________________________________________ ABSTRACT / In this present experimental work, the flow with high rotation, applied on the processes of combustion in a combustor-type LPP, also known as low NOx combustor, was studied aiming to validate the functionality of the system, responsible for the generation of reactive flow. Measurements were made using the techniques of constant temperature anemometry (CTA) and particle image velocimetry (PIV). The system of reactive flow generator (or flux generator system) is composed by a axial swirler and pre-mixing chamber of the mentioned combustor. The swirler is designed to provide a reactive mixture at different levels of rotation and the pre-mix chamber was designed to ensure a satisfactory residence time for the mixing process, taking into account the possible spin configurations offered by the swirl flow. To perform this work, the flux generator system was decoupled of the LPP combustor, which is mounted at the laboratory of combustion of the Mechanical Engineering Department of Brasilia University, and the measure equipments were installed at the pre-mix chamber out. Two CTA's like Dantec, Mini CTA 54T30 model, were used working in parallel via a double wire sensor, and a laser type Nd: YAG with a wavelength equal to 532nm green color to. The dye used for fluorescence process was the Rhodamine B and for the processes with the velocimetry technique were used particles made by glycerin. In the CTA and PIV sections the relative data were captured in the longitudinal plane of the flow for three rotation levels, characterized by the dimensionless geometric swirl number (S’=0,88; 1,05 e 1,26). The working fluid corresponds to the air flow under the isothermal condition. The experiments allowed observing the characteristic velocity field and the structures at nuclear region of the flow. The condition of regularity of the vortex was confirmed by continuous evolution of the frequencies of the dominants harmonic in function of S’ (400 Hz; 500 Hz e 560 Hz), observed at the flow’s core. As noted in the literature, these facts showed that the flux system is able to provide the correct flow to the operation of the LPP turbine technology, and therefore this system has the requirements to work for the low NOx combustor, installed in the laboratory of combustion.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Departamento de Engenharia Mecânica, 2010. / Submitted by Shayane Marques Zica (marquacizh@uol.com.br) on 2011-04-12T13:16:25Z No. of bitstreams: 1 2010_JoseLucioPinheiroJunior.pdf: 1880455 bytes, checksum: ef7600b340c84ac879e97bbf8f25e62b (MD5) / Approved for entry into archive by Marília Freitas(marilia@bce.unb.br) on 2011-05-05T20:41:17Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2010_JoseLucioPinheiroJunior.pdf: 1880455 bytes, checksum: ef7600b340c84ac879e97bbf8f25e62b (MD5) / Made available in DSpace on 2011-05-05T20:41:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2010_JoseLucioPinheiroJunior.pdf: 1880455 bytes, checksum: ef7600b340c84ac879e97bbf8f25e62b (MD5) / As turbinas a gás se destacam na área de propulsão aeronáutica e, principalmente, geração de energia. Nesse último caso, a eficiência alcançada com o uso do ciclo combinado e recuperação de calor pode superar 50%, além de que a modularidade de um sistema de geração com turbinas a gás permite uma construção rápida, com um investimento inicial reduzido e fáceis ampliações de acordo com necessidades futuras. Outra vantagem é a possibilidade de utilizar uma grande variedade de combustíveis, apenas com algumas adaptações. Aproveitando essas características, os combustores de turbinas a gás operavam tradicionalmente sem a pré-mistura do combustível e oxidante, por motivos de segurança e estabilidade da chama. No entanto, esse regime de operação leva a uma elevada formação de óxidos de nitrogênio, devido às altas temperaturas alcançadas nas regiões onde a mistura de ar e combustível se aproxima da condição estequiométrica. Para atender a novos limites impostos para a emissão desses poluentes, nas últimas décadas tem se destacado o uso da tecnologia LPP (lean premixed prevaporized) que, empregando uma mistura gasosa uniforme de baixa razão de equivalência, tem como principal vantagem evitar as condições de alta temperatura, responsáveis pelo mecanismo térmico de formação de x NO x . Dessa forma, as emissões de x NO em turbinas a gás podem ser reduzidas a níveis inferiores a 10 ppm. O projeto desses combustores LPP não é uma tarefa simples, apesar da ampla difusão e desenvolvimento de ferramentas CFD pois, devido ao elevado esforço computacional necessário para realizar simulações turbulentas tridimensionais com mecanismos detalhados, são empregados mecanismos de cinética química reduzida. Além disso, as interações entre o processo turbulento e a cinética química são de difícil análise, e requer modelos acurados para fornecer boas estimativas para as emissões dos principais poluentes. Limitações desse tipo são as principais causas das dificuldades enfrentadas ao se prever os níveis de emissões dos modernos combustores de baixo nível de poluentes, sobretudo considerando-se o aumento da importância e participação de diversos mecanismos de formação de poluentes nas emissões totais. Conseqüentemente, a seleção de modelos apropriados é fundamental para consistência de resultados e validação das simulações. Esse trabalho apresenta a simulação, em condições de plena carga, de uma câmara de combustão LPP real, desenvolvida e construída na Universidade de Brasília para uso em pequenas plantas de geração de energia com GLP como combustível. Por meio da comparação de dados experimentais disponíveis e resultados de simulações com um código CFD comercial, uma modelagem para o combustor – baseada nos modelos k - E e eddy dissipation – é investigada para utilização em previsões e aperfeiçoamentos dessa câmara de combustão LPP. Embora o processo de reação química seja limitado pela mistura turbulenta em grande parte do combustor (hipótese adotada pelo modelo eddy dissipation), faz-se necessário associar a descrição da cinética química ao processo reativo para reproduzir o início da combustão e a região de ancoragem da chama. Depois de ajustado o comportamento para as emissões de CO, as previsões fornecem uma indicação para os níveis de emissões de x NO . Além disso, por meio de uma análise de sensibilidade do modelo às variáveis de maior influência, algumas modificações no combustor são consideradas com o objetivo de reduzir as emissões de x NO x e CO. _______________________________________________________________________________ ABSTRACT / Last decades new technologies in gas turbines involve the use of lean premixed prevaporized (LPP) combustors for achieving new restrictions on emission levels. The main advantage of LPP combustors is the small emission of x NOx , since the high temperatures of near stoichiometric operation – largely responsible for x NO production, known as thermal x NOx – are avoided. The design of LPP combustors is a complex task and, nowadays, has employed Computational Fluid Dynamics (CFD) codes in the flow field study and reaction process, although reduced mechanisms are used due to the required computational effort for carrying out turbulent 3D simulations with available detailed mechanisms. Also interactions between turbulent flow field and chemical kinetics require an accurate model to obtain good prediction about flow field and reaction rates. Model limitations like that are responsible by great difficulties for predicting pollutants emissions in modern combustors of low emission level, considering relative importance of diverse pathways. So choice of appropriate models is a key point to obtain relative consistency of results and to validate any simulation. This study presents the simulation of a real LPP combustor with combustion at two stages built at Universidade de Brasília for small plants operating with LPG fuel at full load. By means of comparisons between available experimental data and numerical results of a commercial CFD code, a combustor model based on k - E and eddy dissipation models is investigated to be used in prediction and developments of that LPP combustor. However, to establish the combustion beginning and pilot flame zone it’s necessary to use a finite rate associated with eddy dissipation model. After reproduce the CO emissions behavior, results provide an indication for x NO emission levels. In addition, sensitivity analysis and some combustor modifications are considered in order to reduce x NOx and CO emissions.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2009. / Submitted by Washington da Silva Chagas (washington@bce.unb.br) on 2011-05-17T23:27:00Z No. of bitstreams: 1 2009_GlyconCardosoFilho.pdf: 4954361 bytes, checksum: 9263c8fcd3ddcc40ce715f002170d383 (MD5) / Approved for entry into archive by Daniel Ribeiro(daniel@bce.unb.br) on 2011-05-20T23:37:07Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2009_GlyconCardosoFilho.pdf: 4954361 bytes, checksum: 9263c8fcd3ddcc40ce715f002170d383 (MD5) / Made available in DSpace on 2011-05-20T23:37:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2009_GlyconCardosoFilho.pdf: 4954361 bytes, checksum: 9263c8fcd3ddcc40ce715f002170d383 (MD5) / Diversos aerossóis podem ser intencionalmente manufaturados, ou mesmo gerados pelo processamento de um sólido. Como foco para nosso estudo, tomamos uma Fundição de Chumbo Secundária, também conhecida como recicladora de chumbo, por utilizar baterias automotivas como matéria prima para a fabricação de chumbo. Durante esse processo ocorre a produção de fumos metálicos e outros compostos sólidos dispersos na forma de particulado, os quais são capturados pelo sistema de exaustão. Como primeira justificativa, temos que o chumbo, além de todo o seu potencial danoso à saúde e ao meio ambiente, na forma de particulado finamente disperso no ar, respeitando o pentágono da explosão, é considerado explosivo. A modelagem matemática da queima de partículas de chumbo mostrou o efeito do tamanho da partícula com temperatura de ignição em relação à lei de oxidação, permitindo também analisar a temperatura da superfície ( Ts) e sua temperatura de ignição (T0). Além da identificação das similaridades do titânio com o chumbo no processo de combustão da partícula em ar ambiente. A avaliação experimental da explosividade do material, utilizando a Bancada de Teste de Explosão (BTE), mostrou primeiramente a sua simplicidade de fabricação e sua capacidade de avaliar a propagação de chama produzir uma nuvem de aerossol. _________________________________________________________________________________ ABSTRACT / Several aerosols can be intentionally manufactured, or exactly generated by processing a solid. In this project we chose as focus for our study a Secondary Lead Foundry, also known as lead recycling, for use of automotive batteries as raw material in lead manufacture. During this process the production of smoke occurs and other metal compounds are dispersed as solid particles, which are captured by the ventilation system. As a main justification, the lead, in addition to its harmful potential for health and environment, as finely dispersed particles in the air, with the explosion of the pentagon, it is considered as an explosive. The mathematical modeling of the burning of lead particles showed the effect of particle size with ignition temperature in relation to oxidation law. It also allowed to analyze the surface temperature (Ts) and its ignition temperature (T0).This mathematical modeling allowed us to identify the similarities between titanium and lead particles during combustion process in the environment air. The experimental evaluation of the material explosibility, using the Explosion Bench Test (BTE) mainly showed how easy is its manufacture and their ability to assess the spread of flame to produce a cloud of aerosol.

Motores do ciclo Diesel são extensivamente empregados em aplicações automotivas devido a sua significativa vantagem em relação ao consumo de combustível e a sua confiabilidade. Nos últimos anos, houve um aumento da consciência em relação ao meio ambiente nas nações industrializadas, que conferiu mais importância ao controle das emissões. Os poluentes mais críticos são os óxidos de nitrogênio e o material particulado, devido a dificuldade em reduzi-los simultaneamente sem comprometer o desempenho dos motores. O principal objetivo deste trabalho é utilizar os conceitos obtidos a partir dos mais modernos métodos experimentais para implementar um novo modelo fenomenológico da emissão de material particulado que seja flexível, não seja computacionalmente dispendioso, mas mantenha satisfatória fidelidade com os fenômenos estudados. O modelo é desenvolvido em uma estrutura modular, no ambiente Matlab-Simulink, para ser uma nova ferramenta para pesquisadores investigarem condições de operação que reduzem a emissão de material particulado. As informações necessárias para o modelo são: pressão na câmara de combustão, vazão em massa de combustível injetado, velocidade de injeção, temperatura média da câmara, taxa de liberação de calor e as características do injetor. Com estas informações o modelo é capaz de descrever as principais características do spray, como seu ângulo, o comprimento do spray líquido e o comprimento de "Lift-Off", bem como as temperaturas em algumas regiões do spray. O modelo também determina o histórico da massa de material particulado na câmara de combustão e a massa de material particulado que deixa a câmara. Os resultados da aplicação do modelo tanto a um motor monocilíndrico de pesquisa, como a um motor veicular completo, apesar de não reproduzirem de forma perfeita os valores medidos, mostraram claramente uma razoável conformidade e o grande potencial de expansão do novo modelo proposto.

O regime de combustão sem chama visível ou flameless na língua inglesa é obtido pela mistura de gases de combustão quentes em recirculação com os reagentes, permitindo condições de flamabilidade e ignição distribuída por todo o volume do combustor. Este regime de combustão vem despertando interesse devido às indicações de que sua aplicação pode oferecer diversas vantagens, tais como, redução da emissão de gases de oxidação parcial, especialmente do NOx e CO, diminuição de picos de temperaturas, tendência à uniformidade da temperatura no volume das câmaras, capacidade do uso de ar pré-aquecido e ainda a economia de combustível. A execução de um projeto de um estudo experimental usando uma câmara e um queimador do tipo flameless foi conduzido com o objetivo de investigar as características deste regime de combustão, avaliar o campo de temperatura ao longo da câmara e a concentração de gases de exaustão. A bancada do sistema de escala laboratorial operou com gás natural veicular (GNV) e com ar comprimido pré-aquecido. Os experimentos foram conduzidos com uma vazão fixa de 0.16 g/s de GNV e ar comprimido à temperatura de 250 C. O sistema de monitoramento e aquisição de dados foi desenvolvido utilizando o software de instrumentação LabVIEW. Os resultados indicam que para algumas condições foi possível alcançar o regime flameless resultando numa redução significativa da produção de NOx e CO.

Modern combustion turbines have several applications: power stations, naval, aeronautical and oil industry. Aeronautical applications seek reduction of pollutant emissions using mixtures of conventional jet fuels with biofuels and synthetic fuels. Due to the restrictions of natural gas and other oil fuels supply for the generation of electricity, the use of alternative fuels in stationary gas turbines is being seriously considered. Generally, all liquid and gaseous fuels from biomass, syngas, biogas, refinery gas and other unconventional sources are considered as alternative fuels. In the last years, with the objective of making the industrial and aeronautical process in harmony with the current environmental laws around the world, much research on the use of these alternative fuels in gas turbines is in progress. Gas turbines are thermal machines with the great advantage of being capable of successfully burning a large variety of fuels in a continuous combustion process. Gas turbine combustion chambers with this ability are referred as fuel flexible gas turbine combustors. This thesis aims at describing a methodology for sizing fuel flexible gas turbine combustors and, additionally, analyzing the reacting flow in these designed combustion chambers. The design of the fuel flexible gas turbine combustors is based on the reaction mechanisms, reactor network and stability loops approach simultaneously with numerical methods as Newton-Raphson, LU factorization, splines and inverse Lagrange polynomials. A computational tool has been developed for the combustor sizing and reacting flow analysis. The zero and one-dimensional models are based on the methodology developed by Lefebvre, Melconian e Modak. The thermokinetic, flammability limits and reaction mechanisms models are based on the methodology developed by Gordon and McBride and other authors. The study of the combustion efficiency and stability loops for the studied fuels and their influence on the production of pollutant emissions under several operating conditions is presented. Useful information is generated at the design stage of a fuel flexible gas turbine combustion chamber, which may be used to alter the pollutant emissions at very early stage of the design.

Neste trabalho foram desenvolvidos os projetos de uma câmara de combustão e de um atomizador do tipo pressure-swirl que permitiram a operação de uma microturbina a gás, utilizando etanol como combustível. O combustor e o injetor foram projetados para as características físico-químicas do etanol anidro. A influência da presença de água no combustível foi ser analisada nos ensaios. Foram realizados ensaios de desempenho e emissões de gases na microturbina. A determinação do Diâmetro Médio de Sauter (SMD) e do ângulo de abertura do do spray também foi realizada. Na análise dos resultados investigou-se o comportamento das relações ar/combustível, a emissão de poluentes e sua correlação com atomização do combustível e com a eficiência de combustão. A operação da microturbina ocorreu de maneira estável, validando tanto o projeto do combustor quanto o do atomizador. A razão de equivalência aumentou com o aumento da rotação do eixo. A pressão de injeção aumentou com o incremento de vazão provocando a diminuição do SMD. Fato esse que promoveu decréscimo nas emissões de monóxido de carbono (CO) e óxidos de nitrogênio (NOx) demonstrando melhoria na eficiência de combustão.

Estágio realizado na Bosch Termotecnologia, S.A. e orientado pelo Eng.º João Simões Pereira / Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Aviation industry has grown significantly in the past years and is forecasted to continue its growing. Running in parallel, environment concerns became more evident and are beginning to drive industry's and everyone's will. The technological development of aeronautical engines and mainly, new engine combustors technologies, have reached successful levels at the end of last century and they are expected to keep on improving their low emission and fuel consumption levels at mid and long-term basis. On the other hand, unfortunately, only technological improvements won't be sufficient to address environmental concerns. In the last 10 years, a "polluter pays" principle was raised in aviation market, to address the NOx high concentrations in terms of local air quality, mainly at big airports proximity. It has turned into a competitive advantage and economical benefit to less polluter aircrafts, at the same time "green" and environmental friendly measures are being most considered.