Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-23T11:04:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 249275.pdf: 2655556 bytes, checksum: 25fe91f9a93b21cb63e4f79051d4192e (MD5) / O gás natural é um dos combustíveis presentes na matriz energética brasileira que possui o potencial de redução na agressão ao meio ambiente, tanto na redução da emissão de poluentes gasosos (CO, NOx, SO3, etc.) como na redução da emissão de CO2 por quantidade de energia gerada. No entanto, o seu uso no setor automotivo, assim como o uso de outros combustíveis alternativos, depende do correto projeto ou adaptação/regulagem dos motores ao uso deste combustível. Na busca por ferramentas de engenharia que auxiliem no projeto e no desenvolvimento de motores a combustão interna que utilizem combustíveis alternativos, este trabalho objetiva o desenvolvimento de um modelo computacional bidimensional para a simulação de um motor a combustão interna naturalmente aspirado, com admissão de combustível e ar pré-misturados e com ignição por centelha. O gás metano é utilizado como um modelo de gás natural. A atenção do trabalho é direcionada aos fenômenos físicos e químicos associados à dinâmica do escoamento, à combustão e à transferência de calor no interior da câmara de combustão. Assim, o modelo para a simulação do problema em questão é obtido a partir da formulação das equações que regem os diversos fenômenos físicos e químicos. Resultados são apresentados para diversas propriedades do escoamento e da combustão, tais como a pressão e a temperatura no interior da câmara de combustão, os fluxos de massa através dos sistemas de admissão e de exaustão, as taxas de combustão e de transferência de calor nas paredes do motor, bem como os campos de velocidade e de temperatura. Analisa-se ainda o efeito de parâmetros de operação do motor através das estimativas de torque, eficiência volumétrica e de conversão do combustível, dentre outros. Os resultados são consistentes com os valores típicos observados em motores a combustão interna. The increasing interest for less polluting energy sources and the recent availability to the final user in the Brazilian market has motivated the use of natural gas as an alternative fuel for internal combustion engine vehicles. In the search for engineering tools to improve internal combustion engines design and optimization, the present work is focussed on the development of a two-dimensional numerical model to simulate a spark-ignition engine fuelled by a mixture of air and methane as a natural gas simplification. Here, attention is directed to physical and chemical phenomena associated to the fluid flow, combustion and heat transfer processes that take place inside the cylinder. To this extent, the problem is formulated through several conservation and constitutive equations, from which the numerical model is then developed to predict the engine performance. Results are provided for some physical proprierties, such as in-cylinder pressure and temperatures, mass flow rates at intake and exhaust systems, combustion rate and heat transfer rate to cylinder walls, besides velocity, turbulence intensity and temperature fields. The effects of the engine operation parameters on the engine performance are assessed through predictions of indicated power, torque and specific fuel consumption as well as volumetric and thermal efficiencies. The results were consistent with available data for production engines and show the model's potential as a research and design tool.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2014. / Made available in DSpace on 2015-03-18T21:04:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 332918.pdf: 2572400 bytes, checksum: 21a4c331a4f6c22deb52eb9f272d8920 (MD5) Previous issue date: 2014 / Syngas e biogás são combustíveis de baixo poder calorífico que podem ser obtidos a partir da biomassa, lixo orgânico, ou como combustível residual, tornando-se assim uma fonte de energia flexível e renovável. Esses combustíveis gasosos são compostos basicamente por CO, H2, CH4, CO2, N2 e H2O em proporções que dependem fortemente da fonte original e da forma como são obtidos e processados. Com base neste contexto, o objetivo geral deste trabalho é desenvolver um método de medição de velocidade de chama laminar e energia de ativação aparente e avaliar o efeito da composição de misturas formadas por H2, CO, CH4, N2 e CO2 pré-misturadas com o ar. O método desenvolvido no presente trabalho foi baseado em uma análise assintótica de uma chama plana não adiabática estável sobre uma placa porosa. A validação do método foi realizada medindo-se a velocidade de chama laminar e a energia de ativação global aparente do metano pré-misturado com o ar. Os resultados apresentaram uma excelente concordância com a literatura e com os valores obtidos através do mecanismo de cinética química GRIMECH 3.0, sendo que na estequiometria a velocidade de chama adiabática e a energia de ativação global aparente medidaspara o metano pré-misturado com o ar foram de 37,5 cm/s e 274,975 kJ/mol, respectivamente. Por fim, o método foi aplicado para avaliar a influência da concentração de CH4 em uma mistura combustível composta por H2, CO, N2 e CO2 pré-misturada com o ar. A análise foi realizada mantendo-se a razão de equivalência constante em 0,8 e variando-se a concentração de CH4 entre 0 e 100%, enquanto os demais componentes foram variados proporcionalmente. Com o presente trabalho foi possível avaliar o efeito da concentração de CH4 na velocidade de chama adiabática, na energia de ativação, no comportamento da frente de chama em relação à superfície do queimador e nas taxas de transferência de calor por difusão e convecção entre a frente de chama, a superfície do queimador e a água de arrefecimento. De forma geral, este trabalho contribui com os estudos de combustão de misturas de baixo poder calorífico e fornece uma nova metodologia para medição da velocidade de chama laminar e da energia de ativação global aparente de misturas combustíveis gasosas.<br> / Abstract : Syngas and biogas are fuels of low calorific value which can be obtained from biomass, organic waste or as residual fuel, thus becoming a flexible and renewable fuels source. These gaseous fuels are composed primarily of CO , H2 , CH4 , CO2 , H2O and N2 in proportions that depend on the source and processed of production. The objective of this work is to develop a method of measuring of the adiabatic flame speed to analysis the effect of the composition of low calorific value fuels composed of H2, CO, CH4, CO2 and N2 premixed with air. The method developed in the present work was based on a numerical analysis of a non-adiabatic flat flame and stable on a porous injection plate. The validation of the method was performed by measuring the adiabatic flame speed and apparent overall activation energy of methane premixed with air. The results showed excellent agreement with the literature and with the values obtained through the GRIMECH 3.0 mechanism, thus for the stoichiometry mixture the adiabatic flame speed and apparent overall activation energy measured were 37.5 cm/s and 274.975 kJ/mol, respectively. Finally, was evaluated the influence of CH4 concentration in a fuel mixture composed of H2 , CO , N2 and CO2 premixed with air. The analysis was performed keeping equivalence ratio constant at 0.8 and varying the CH4 concentration between 0 and 100%, while the other components were varied proportionally. Thus, was possible to evaluate the effect of CH4 concentration on the adiabatic flame speed, the apparent overall activation energy, the behavior of the flame front on the burner surface and the heat transfer rate by diffusion and convection between the flame front and the burner surface and the cooling water. Therefore, this work can contribute with the studies of combustion using fuel mixtures of low calorific value and provide a new methodology for measuring the adiabatic flame speed and apparent overall activation energy.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química / Made available in DSpace on 2013-06-25T20:12:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 308802.pdf: 1849302 bytes, checksum: 74e6df6fe2a7cd1a6dedd3e34f96d5c8 (MD5) / Materiais poliméricos podem ter a sua resistência ao impacto modificada pela adição de partículas poliméricas com estrutura casca-núcleo, onde o núcleo é composto por uma fase elastomérica e a casca por uma fase vítrea. Para que isto ocorra, é necessário que a casca da partícula com núcleo elastomérico tenha compatibilidade pela matriz em que será adicionada. Neste trabalho, foi investigada a obtenção de partículas casca-núcleo (fase rica em poliestireno/ fase rica em polibutadieno) através da técnica de polimerização em emulsão visando à sua utilização como modificadores de impacto em poliestireno, PS. Esta reação foi acompanhada por análises de gravimetria e espalhamento dinâmico de luz e a morfologia das partículas foi analisada por microscopia eletrônica de transmissão, que comprovou a formação do casca-núcleo. Este látex, seco, foi incorporado a matriz de PS cristal em uma extrusora mono-rosca. Foram avaliadas as propriedades de resistência ao impacto em função da adição do látex seco e do número de passagens pela extrusora. Posteriormente, foi incorporado um composto retardante de chamas não-halogenado, Charmax NH2000®. Esses agentes retardantes de chamas podem ser incorporados em matriz polimérica através de várias técnicas de incorporação. No presente estudo, foram desenvolvidos compósitos e nanocompósitos através da técnica de incorporação no estado fundido (extrusão) com a incorporação de argila Na+ e o agente retardante de chama. Foram analisadas propriedades de flamabilidade, propriedades de resistência ao impacto e a morfologia. A investigação através do ensaio de flamabilidade permitiu obter resultados dos compósitos e nanocompósitos onde, apresentaram resultados satisfatórios de flamabilidade. No entanto verificou-se que apesar das boas propriedades de flamabilidade, o aumento da quantidade de retardante de chama e a adição de argila tornam os materiais menos resistentes ao impacto em comparação ao polímero virgem. / The resistance to impact of Polymeric materials can be modified by the addition of polymer particles with core shell structure, in which the core consists of a rubber phase and the Shell a glassy phase. To obtain this material, the Shell of the rubbery core-shell particle needs to be compatible with the matrix in which it will be added. In this work, the obtention\production of core-shell particles (phase rich in polystyrene / polybutadiene-rich phase) by emulsion polymerization and their use as impact modifiers in polystyrene was investigated. The reactions were followed by gravimetric and dynamic light scattering analysis. The particle morphology was analyzed by transmission electron microscopy and the observed results proved the formation of core-shell. This latex, after dried, was incorporated into the PS crystal matrix in a single screw extruder. the properties of impact resistance were evaluated as a function of addition of the dried latex and the number of passages through the extruder. After this step, a non-halogenated flame retardant compound (Charmax NH2000). The flame retardants may be incorporated by various tech-niques for incorporation into a polymeric matrix. In this work, have been developed composites, and nanocomposites through the technique of embedding in the molten state (extrusion) with the incorporation of clay Na+ and flame retardant. The flammability, impact resistance properties and morphology were analyzed. The investigation by the flamability testing of vertical UL-94 the re-sults allowed to obtain results of the composites and nanocomposites where showed satisfactory results for flammabil-ity. However it was found that despite the good properties of flammability, the increased amount of flame retardant and the addition of clay materials become less resistant to impact against the virgin polymer.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2013. / Made available in DSpace on 2014-08-06T17:29:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 324108.pdf: 2577521 bytes, checksum: 3fc750250e34d0e9baab9325767c3b8f (MD5) Previous issue date: 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. <br> / 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.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-20T06:12:57Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / A combustão pré-misturada de metano e ar em meios porosos inertes foi investigada teórica e experimentalmente, visando o desenvolvimento de queimadores porosos radiantes a gás natural. Uma bancada de testes foi projetada e construída para a análise do desempenho de queimadores porosos sob diversas condições de operação. O diagrama de estabilidade de chama de um queimador poroso construído a partir de placas de esponja cerâmica de zirconita-alumina foi levantado para relações de equivalência abaixo de 0,65. Os resultados mostram que: 1 - para cada relação de equivalência existe uma faixa de velocidades em que é possível estabilizar a chama dentro do meio poroso, 2 - as velocidades registradas foram de duas a cinco vezes maiores que a correspondente velocidade de chama livre, 3 - a partir da relação de equivalência 0,50 a temperatura dentro do queimador chegou a ultrapassar a temperatura de chama adiabática calculada para a condição inicial dos gases, 4 - o limite inferior de inflamabilidade ocorreu em misturas com 4% de metano (em volume), 5 - o queimador apresentou grande inércia térmica, sendo insensível a pequenas flutuações no fluxo de reagentes e 6 - a emissão de radiação direcional a partir da matriz sólida variou aproximadamente de 18 a 30% da energia total liberada pela reação de combustão. Os resultados obtidos comprovam o potencial de uso das esponjas de zirconita-alumina testadas para a fabricação de queimadores porosos radiantes operando em temperaturas de até 1550°C, na faixa de potências de 90 a 1200 kW/m2. Um queimador de esponja de carbeto de silício também foi testado, mas apresentou baixo desempenho devido à forte degradação térmica em temperaturas acima de 1350oC. Uma solução numérica global, incluindo trocas de calor com o ambiente externo, foi empregada para avaliar qualitativamente alguns parâmetros de desempenho do queimador. O meio poroso foi modelado como uma placa com poros cilíndricos axiais, divididos em dois volumes de controle. As equações usadas são as de conservação da massa e energia, levando em consideração as trocas de calor por radiação térmica entre a matriz sólida e o ambiente. A combustão é assumida como completa e a velocidade de chama é calculada através de uma expressão simplificada. Os resultados obtidos reproduzem uma série de tendências observadas nos experimentos e mostram a importância da recirculação de calor na estabilização de chamas em meios porosos inertes.

[pt] Com o intuito de reduzir as emissões e melhorar a combustão em uma maior faixa de rotação e carga de um motor, foi proposto o estudo da combustão por compressão de misturas homogêneas (HCCI), este processo apresenta altas eficiências e baixas emissões, principalmente de NOx e fuligem. Assim, o objetivo do presente trabalho é a determinação das faixas de operação estável em um motor diesel, de alta taxa de compressão (20:1). O combustível utilizado foi gasolina tipo A, tendo em vista a sua grande produção, além das características de auto-ignição. Para atingir o objetivo proposto foram controladas a temperatura de entrada do ar e a quantidade de combustível da mistura, o que foi implementado sem modificação estrutural do motor. Os ensaios foram realizados com uma temperatura de alimentação entre 75 e 95 ºC, com rotação entre 1200 e 2200 RPM. Os valores para o fator lambda variaram, em função de um processo de combustão estável, entre 2 e 4. São apresentados os resultados experimentais obtidos em um dinamômetro de bancada, sobre os quais se fez uma análise do rendimento, para a faixa de melhor estabilidade da combustão. Para a mesma faixa foi realizada uma análise das curvas de pressão x tempo, caracterizando a auto-ignição como função da temperatura do ar e da riqueza da mistura. Os melhores rendimentos encontrados situam-se ao redor de 36,5 %, para uma temperatura de ingresso de 85 °C, para as maiores rotações pesquisadas. / [en] The present study of homogeneous mixture compression ignition (HCCI) was proposed in order to reduce emissions and improve combustion at a higher speed range and load, this process has high efficiency and low emissions mainly NOx and soot. Therefore, the aim of this study was to determine the ranges of stable operation in a diesel engine of high compression ratio (20:1), operating in HCCI. The fuel used was gasoline type A, given its large production, besides the good characteristics of auto-ignition. To achieve this purpose were controlled inlet air temperature and the amount of fuel in the mixture, these were implemented without structural modification of the engine. The tests were conducted with a feed temperature between 75 and 95 ° C, with rotation between 1200 and 2200 RPM. The values for the lambda factor varied between 2 and 4, as a function of a stable combustion process. The experimental results here reported were obtained on a dynamometer bench, on which, it was made a performance analysis for the better stability combustion range. Additionally for this range, an analysis of the curves of pressure vs. time was performed, characterizing the auto-ignition as a function of air temperature and the richness of the mixture. The best results found are located around 36.5% at an intake temperature of 85 ° C for the highest speed studied.

[pt] É realizado um estudo teórico experimental sobre motores a combustão interna operando com taxa de compressão variável. É feita uma análise teórica sobre determinado mecanismo que permite variar a taxa de compressão. Para tal foi utilizado um programa de simulação para motores com ignição por centelha. No presente trabalho o modelo de simulação foi aprimorado, com a inclusão de previsão de detonação, de emissão de hidrocarbonetos, do cálculo da potencia de atrito, assim como a inclusão do dispositivo do mecanismo de taxa de compressão variável, entre outras alterações. Uma parte experimental foi também realizada, como o objetivo de validar os resultados do modelo teórico e de quantificar os benefícios proporcionados pelo mecanismo em questão. Para tal um motor de pesquisa de combustível – motor CFR – foi utilizado. Uma comparação dos resultados teóricos e experimentais obtidos no presente trabalho com os de outros pesquisadores é também apresentada. / [en] The present work is concerned with a theoretical and expererimental study of variable compression ratio spark ignition internal combustion engines. A theoretical analysis of the engine, operating with a mechanism allows for variable compression ratio, is carried out. For that a simulation program is utilized. In the present work the simulation model was updated with the inclusion of friction, knocking and hidrocarbon emission models, among other things. An experimental work was also carried out, with a CFR engine. The objective was a wo-fold to validade the results of the theoretical model and to assens the benefits of running an engine with variable compression ratio. A comparison is also made between the rrsults of the present work and those from other authors.

[pt] No presente trabalho, foi desenvolvido uma metodologia teórico-experimental para a avaliação de plantas de cogeração, incluindo o confronto com os dados dos fabricantes dos equipamentos, a análise de incerteza de medição dos principais parâmetros e a análise termoeconômica. Como resultado, o trabalho visa apresentar critérios mais otimizados para especificação e operação de sistemas de cogeração. Para o seu desenvolvimento, foram analisadas a planta da Companhia Cervejaria Brahma, localizada em Campo Grande, RJ, que é constituída de três turbinas a gás de 4,90 MW acopladas a três caldeiras de recuperação que utilizam Pós-Queima, com capacidade nominal de até 36000 kg/h, cada uma, e a planta do Parque Gráfico do InfoGlobo, localizada na rodovia Washington Luis, Duque de Caxias, RJ, que é constituída de dois motores alternativos de combustão interna de 2,90 MW, duas caldeiras de recuperação e um chiller de absorção de 800 TR s. Para a Companhia Cervejaria Brahma, foi utilizado a metodologia do balanço de massa das reações químicas, usando as medições das emissões e da composição do gás natural na planta, para obtenção da vazão mássica do ar admitido pela turbina e, consequentemente, a vazão mássica dos gases de exaustão. Essa metodologia foi empregada devido a não existência de um medidor de vazão de ar nas turbinas, que é um parâmetro essencial para avaliação do desempenho da planta. Esta metodologia também foi empregada, para a avaliação das caldeiras de recuperação que utilizam queima adicional de combustível. Foi realizada, também, a análise de incertezas dos resultado de desempenho obtidos na planta, de modo a identificar problemas operacionais como, o economizador sujo da caldeira de recuperação. Também, pode-se ver verificar, que o aproveitamento global do combustível utilizado, para geração de energia elétrica e térmica pelo lado da água foi inferior ao aproveitamento deste, para geração de energia elétrica e térmica pelo lado dos gases. A menor diferença encontrada destes valores na escala percentual, foi de 6 porcento. Como esta diferença não é desprezível, chega-se à conclusão que a medida do desempenho da planta de cogeração deve ser feito com base na energia térmica transferida para a água, e não a que é transferida dos gases, como normalmente é feito, sem levar em consideração as perdas térmicas. Por fim, foi realizado uma análise técnico-econômica da utilização dos equipamento empregados na planta, com a finalidade de determinação de custo-benefício. Para o Parque Gráfico do InfoGlobo, foi realizada uma simulação do desempenho dos equipamentos utilizados nesta planta, devido a impossibilidade de se obter dados experimentais em determinados pontos da planta. Para isto, foram utilizados dados de projeto dos equipamentos, admitindo que estes pouco variam com as condições ambientais. Desta forma, não foram realizadas as análises de incertezas dos resultados encontrados. Com a metodologia empregada, pôde-se identificar problemas operacionais como o fato de que a bomba da água de alimentação de caldeira, estar fora doe seu ponto de projeto. De um modo geral, o percentual de aproveitamento da energia do combustível varia muito durante o dia, indicando um acoplamento insatisfatório entre a demanda e oferta de energia. Foi desenvolvido um modelo computacional, para a simulação da turbina a gás de eixo duplo THM 1203 Hispano Suiza, modo a obter todos os parâmetros essenciais que possam ser utilizados para o projeto de sistemas de cogeração. É previsto neste modelo a operação em cargas parciais com a variação das condições ambientais. / [en] A theoretical-experimental methodology was developped in this work for evaluating the performance of cogeneration plants, including the data comparison with manufacturer specifications, uncertainty analysis of main parameters and thermoeconomic analysis. As a result, this work aims the establishment of an optimized criteriumfor especifying and operating cogeneration systems. Two existing cogeneration plants were analyzed in this work, (a) Companhia Cervejaria Brahma, located in Campo Grande, RJ, consisting of three 4,90 MW gas turbine generators, three heat recovery boilers, including after burners, with a nominal capacity of 36000 kg/h of steam, each one, and (b) Parque Gráfico do InfoGlobo, located in the Wshington Luis Highway, Duque de Caxias, RJ, consisting of two 2,90 MW reciprocating engine gas generators, two heat recovery boilers and 800 TR absorption chiller. A chemical reaction mass balance methodologywas used in the BRAHMA plant.It uses the measurement of pollutant emissions and natural gas compositionfor estimating the turbine inlet air and exhaust gas flow rates, which are important for evaluating the plant performance. Thei methodology was preferred due to the fact that no air and exhaust gas flow rate measurement instrument was installed in the plant, which is usually the case. This methodology was also used for evaluating the performance of heat recovery boilers with after burners. An uncertainty analysis procedure was developed and used to identify operational problems like fouling, reducing the effectiveness of the heat recovery economizer. One of the main results of this work was the fact that as least a 6 percentual point difference between the gas and the steam sides was measured for the overall fuel chemical energy usage, demonstrating the need of a more careful analysis of component performance for designing and specifying a cogeneration plant, which takes into account the heat losses. Thus, one suggests that the heat transfer to the water be specified, rather than the one from the hot gases. A technical-economic analysis of the plant was carried on, and its cost-benefit determined. Due to difficuties in obtaining experimental data, a simulation procedure had to be used for analyzing the performance of the InfoGlobo plant. Design data for several equipments were used in the calculations, supposing that they do not vary too much with ambient conditions. Thus, the uncertainty analysis was not carried on. The used methodology identified the fact that the boiler feedwater pump was not operating in the design point. In a general way, it was observed that the overall fuel chemical energy usage varies too much along the day, indicating a mismatching between load and energy supply. Finally, as a tool for the plant analysis, a computational model was developped for estimating the cogeneration plant component parameters, to be used for design purposes. Partial load operation of the turbines is contemplated in this model, as a function of ambient conditions.

[pt] O presente trabalho tem por objetivo a realização de experimentos e simulações numéricas para estudar a interação da turbulência e da combustão em uma chama não pré-misturada de hidrogênio no ar estabilizada a jusante de um corpo rombudo. Para tanto, são utilizadas, simultaneamente, as técnicas de PIV, para a determinação de dois componentes da velocidade, e a técnica de PLIF para a determinação da intensidade de fluorecência do radical químico OH, que é um bom indicador da localização da frente de chama. São avaliados os métodos de pós processamento dos resultados do PIV com o intuito de maximizar a resolução espacial da técnica e ao mesmo tempo remover o maior número de vetores espúrios dos campos de velocidade instantâneos. Paralelamente, o queimador é modelado no software ANSYS/FLUENT e os resultados de simulação validados por comparação com os resultados experimentais. Modelos baseados nas médias de Reynolds são empregados para a caracterização da turbulência e o modelo de elementos de chama é adotado para a descrever a combustão. Os resultados experimentais indicam que, para as vazões de ar e hidrogênio adotadas, a combustão ocorre no regime de elementos de chama, onde a frente de chama apresenta algumas dobras, mas sem descontinuidades. Os resultados das simulações com combustão não obtiveram boa concordância com os resultados experimentais, indicando que a malha de cálculo precisa ser aprimorada. / [en] The aim of this work is to carry out experiments and numerical simulations to study the turbulence-combustion interaction in a nonpremixed hydrogen-air ame stabilized in a bluff body wake. For this purpose, are used a PIV technique for the determination of two velocity components and a PLIF technique to determine the uorescence intensity of the chemical species OH, which is a good indicator of the flame front location. PIV post-processing methods are evaluated in order to maximize the spatial resolution of the technique and to remove spurious instantaneous velocity vectors. In addition, the burner is modeled in ANSYS / FLUENT and the simulation results are validated by comparisons with the experimental results. Models based in the Reynolds avareges are used to characterize the turbulence and a flamelet model is adopted to describe combustion. The experimental results indicates that, for the ow rates of air and hydrogen adopted, combustion occurs in the flamelet regime, where the flame front is wrinkled, but without discontinuities. The reactive cases simulations did not agree with the experimental results, indicating that the computational mesh needs to be improved.

[pt] Chamas pré-misturadas em escoamentos turbulentos com rotação são encontradas em diversos sistemas de engenharia, como turbinas a gás e motores a jato. Neste trabalho, regimes de chamas característicos de tais sistemas são estudados numericamente num queimador de escala laboratorial. O estado da arte dos estudos numéricos de tais chamas é revisado, com respeito a simulações de grandes escalas, bem como o de modelos computacionais baseados em médias de Reynolds. Um estudo isotérmico é feito no escoamento turbulento, num domínio computacional que consiste de um swirler radial e uma câmara de combustão. O impacto de diferentes modelos de turbulência, níveis de refinamentos de malha e condições de contorno no número de swirl e na estrutura do escoamento é investigado. Os resultados revelam que os três modelos de turbulência propostos resultam em campos de escoamento e número de swirl similares, enquanto o nível de refinamento de malha e a condição de contorno de parede deslizante alteram o número de swirl significativamente. Utilizando as equações de média de Reynolds, com o fechamento do modelo k − E realizável, acoplado a um modelo de duas equações para chamas pré-misturadas de metano e ar, dois regimes de chamas são analisados. Estes regimes correspondem à chama de recirculação externa (chama tipo M) e um regime de instabilidade, que ocorre na transição entre a chama tipo V e chama tornado. A estrutura do escoamento é caracterizada em termos de velocidade e propriedades de turbulência e combustão. Uma comparação entre variáveis de progresso também é feita, utilizando resultados experimentais prévios, levando a boa concordância qualitativa para os dois regimes estudados. / [en] Lean premixed turbulent swirling flames are found in many engineering systems, such as gas turbines and jet engines. This work aims to numerically study flame regimes, representative of such systems, stabilized in a laboratory scale burner. The state of the art of the numerical studies concerning these types of flames is reviewed, with respect to Reynolds-Averaged NavierStokes and Large Eddy Simulations. A turbulent, isothermal flow study is performed within the radial swirler and the combustion chamber. The impact of different turbulence models (realizable k − E, RNG k − E and SST k−W), mesh refinement levels and boundary conditions on the swirl number and overall flow structure is investigated. The results show that the three tested turbulence models yield similar results, with respect to the obtained flow field, whereas the mesh refinement level and slip wall boundary condition alter the swirl number significantly. Using Reynolds-Averaged NavierStokes transport equations, closed by the realizable k − E model, coupled with a two-equation premixed combustion model for methane/air mixtures, two combustion regimes are analyzed. These regimes correspond to the outer recirculation zone flame (M-shaped flame) and an unstable regime, which occurs at the transition between the V-shaped flame and tornado-flame. The flow structure is characterized in terms of velocity fields, turbulence and combustion properties. A reaction progress variable comparison is also performed, using existing experimental results, yielding qualitatively similar results for both studied regimes.