Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2013-07-16T02:07:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 235991.pdf: 2796941 bytes, checksum: 27be03cbf69282ec26383f53acc0a040 (MD5)

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.

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Térmica, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Prof. Doutor Carlos Manuel Coutinho Tavares de Pinho

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2009. / Made available in DSpace on 2012-10-24T13:23:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 274065.pdf: 2873398 bytes, checksum: a07354bf572d32ef37099fa60a60f486 (MD5) / Espumas cerâmicas são cerâmicas porosas celulares que podem ser produzidas por diferentes métodos, dentre os quais se encontram réplica, sacrifício de template e espumação direta. Espumas cerâmicas possuem propriedades distintas que fazem delas um material muito versátil, utilizado em diferentes aplicações, tais como queimadores radiantes porosos. Os queimadores são constituídos de uma cerâmica que, além de resistir a temperaturas elevadas (>1000°C), deve apresentar alta resistência ao choque térmico. Neste trabalho, foi utilizado o método da réplica para a obtenção de espumas de alumina. Espumas de poliuretano foram impregnadas com suspensões aquosas de 50-60% em massa de sólidos (Al2O3) e aditivos (ligante e dispersante). Um planejamento experimental foi projetado para estabelecer as concentrações adequadas de cada um dos componentes dentro da suspensão. A viscosidade e a tixotropia da suspensão foram avaliadas e ajustadas a uma impregnação adequada das espumas poliméricas. As espumas poliméricas foram impregnadas e submetidas a um tratamento térmico para a degradação térmica de poliuretano a 400oC durante uma hora e subseqüentemente sinterizadas a temperaturas entre 1500oC e 1600oC durante 3 h para a densificação dos filamentos e paredes celulares. As espumas de alumina obtidas foram caracterizadas mediante análises de resistência à compressão, resistência à flexão a alta temperatura, permeabilidade, morfologia e porosidade. A permeabilidade e a resistência à compressão das espumas foram correlacionadas à microestrutura e à morfologia celular. A resistência à flexão a alta temperatura foi utilizada para predizer o comportamento mecânico das espumas quando utilizadas nos queimadores radiantes. Testes em um queimador piloto foram realizados. Diferentes relações de arcombustível e velocidades de chama nos queimadores foram avaliadas. A temperatura de sinterização que apresentou melhores resultados foi 1600oC, que promoveu maior densificação nas paredes das células e aumento na resistência mecânica. Concluiu-se que a porosidade está diretamente relacionada com a temperatura de sinterização. As espumas se tornaram pouco resistentes a altas temperaturas podendo comprometer o seu funcionamento nos queimadores radiantes. Com uma razão mistura reagente contendo 5% de combustível em volume com 100% de excesso de ar, a chama foi estabilizada em uma velocidade de chama de 30 a 36 cm/s, em temperaturas superiores a 1150oC. / Ceramic foams are cellular porous ceramics that can be produce by different methods, like replica method, sacrificial template method and direct foaming method. Foams are a type of porous ceramic which present many properties making them a very versatile material, used in different applications, like radiant porous burners. Radiant burners consist of ceramic materials which must resist at high temperatures (> 1500°C) and provide high thermal shock resistance. In this work, the replication method was used to obtain alumina foams. Polyurethane foams were impregnated with aqueous suspensions of 50-70% wt. solid (Al2O3) and additives (binders and dispersants). An experimental design was made to establish the appropriate concentration of each component in the suspension. The viscosity and the thixotropy of the suspension were evaluated and adjusted to an appropriate impregnation of the polymeric foam. The impregnated foams were heat treated for degradation of polyurethane at 400°C/1h and subsequently sintered (between 1500°C and 1600°C/3h) for densification of the struts and cell walls. The alumina foams obtained were characterized by analysis of compression strength, flexural strength at high temperature, permeability, porosity and morphology. Permeability and compressive strength of the foams were correlated to the microstructure and cellular morphology (size and geometry of the cells). Flexural strength at high temperature was used to predict the mechanical behavior of the foams when used in radiant burners. Tests on a pilot radiant burner were also performed. Different airfuel ratios and flame rates were evaluated. The sintering temperature of 1600°C promoted higher densification and increase in mechanical strength. It was found that the porosity is directly related to the sintering temperature. The low mechanical strength of the ceramic foams at high temperatures may compromise their performance in radiant burners. With a 5% vol. fuel and 100% excess air mixture reagent, the flame stability at a rate of 30 to 36 cm/s was reached at temperatures higher than 1150oC.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-23T05:24:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 240733.pdf: 2488972 bytes, checksum: df2fe2fcf2923d4436ab5490cecddadd (MD5) / Neste trabalho, um conceito fluidodinâmico de estabilização de chamas em queimadores porosos radiantes é analisado. Este conceito utiliza uma placa com um orifício para injeção da mistura reagente na cerâmica porosa. O queimador estudado é formado por duas placas de espuma cerâmica com diferentes tamanhos de poros. Medições detalhadas dos limites de estabilidade de chama, das emissões de monóxido de carbono (CO) e de óxidos de nitrogênio (NOx) e da eficiência de radiação foram realizadas para o queimador radiante operando em ambiente aberto e confinado em um ambiente a elevada temperatura. Para tanto, uma fornalha em escala de laboratório com controle das temperaturas das paredes foi utilizada. Tanto o queimador quanto a fornalha foram instrumentados para medição local de temperaturas e concentração das espécies químicas gasosas. As medições de temperatura dentro do queimador indicaram a existência de dois regimes de estabilização da frente de chama. Para baixas vazões volumétricas de reagentes, a frente de chama tem formato cônico, ocorre tanto na região de pré-aquecimento (espuma cerâmica com poros pequenos), quanto na região de estabilização de chama do queimador poroso (espuma cerâmica com poros grandes), e está ancorada no orifício de injeção. Para altas vazões volumétricas de reagentes e altas temperaturas da fornalha, ocorre uma transição entre os regimes de estabilização, fazendo com que a frente de chama passa a apresentar formato plano, ocorrendo totalmente na região de estabilização de chama e muito próxima da superfície do queimador poroso. Mesmo com esta mudança no regime de estabilização, o limite superior de estabilidade de chama permanece o mesmo quando comparado com o da operação em ambiente aberto. Na operação em ambiente aberto, o limite inferior de estabilidade ocorre pela máxima temperatura da placa de injeção e, na operação em ambiente confinado, pela máxima temperatura do meio poroso. Ao contrário dos limites de estabilidade que não mudam muito com a temperatura do ambiente, a eficiência de radiação diminui consideravelmente quando a temperatura do ambiente aumenta. Além disso, o aumento da temperatura do meio poroso observada na operação em ambiente confinado resulta num aumento das emissões de NOx e diminuição das emissões de CO. Estas questões devem ser levadas em consideração na aplicação de queimadores porosos radiantes em ambientes de elevada temperatura.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2012-10-24T00:49:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 258961.pdf: 2510986 bytes, checksum: 4b98a52e36c60dabbbb20ca8511d7dd9 (MD5) / Neste trabalho, analisa-se a utilização de um meio poroso simultaneamente como câmara de combustão e trocador de calor para uma fase líquida. Este conceito permite o desenvolvimento de um aquecedor de água de passagem de alta eficiência térmica. Além de mais compacto, este aquecedor resulta em grande faixa de regulagem de potência a fim de permitir economia de energia e segurança na sua utilização. Este trabalho se divide em duas etapas. Inicialmente, apresenta-se um experimento e analisa-se os resultados obtidos para a combustão em um meio poroso com perda de calor lateral (queimadores não adiabáticos). O material poroso utilizado no experimento foram cerâmicas de zircôniaalumina. O combustível testado foi o gás natural. Então, desenvolve-se um modelo numérico de um aquecedor de água de passagem com queimador poroso, onde foram avaliados parâmetros dimensionais e de operação, com o objetivo de otimizar o protótipo testado. Neste modelo a combustão em meios porosos inertes foi investigada através de uma simulação numérica, bidimensional (axissimétrica) em volumes finitos, utilizando um modelo global para a taxa de reação no interior do meio poroso. Os resultados são comparados com as medições e uma boa reprodução dos dados experimentais é obtida. Os resultados experimentais apontam para uma eficiência de até 75% para baixas potências de operação em razões de equivalência de 0,57 a 0,71. A máxima potência obtida para uma chama estável foi de 11 kW e a máxima energia térmica transferida para a água quente foi de 4,2 kW. O modelo numérico demonstrou que é possível obter um aquecedor mais eficiente reduzindo-se o diâmetro da câmara de combustão e aumentando o seu comprimento. Desta forma pode-se ampliar a área de troca de calor com a água e reduzir a potência específica (potência por área) utilizada para aquecer a água.

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.

A combustão pulsante tem despertado interesse nas pesquisas atuais devido a indicações de que sua aplicação na geração de energia pode oferecer diversas vantagens, tais como economia de combustível, redução na formação de poluentes, aumento na taxa de transferência de calor por convecção e investimento reduzido, em comparação com outras novas tecnologias de combustão. Um estudo experimental foi conduzido com o objetivo de investigar os efeitos da combustão com a presença de oscilações acústicas na formação de fuligem em uma chama difusiva laminar de jato livre. O queimador de escala laboratorial operou com gás liquefeito e petróleo (GLP) com e sem oscilação, para as mesmas situações de entrada. O escoamento de combustível foi excitado acusticamente, antes da saída do queimador, por um alto-falante estrategicamente posicionado. Os experimentos foram conduzidos para uma vazão de 0.14 g/s de GLP. Para quantificar a presença de fuligem foi utilizada a técnica de incandescência induzida por laser. Os resultados indicam que em alguns casos, a combinação de freqüência e amplitude de oscilação na chama reduz a presença de fuligem praticamente à zero.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2012 / Made available in DSpace on 2013-06-25T21:44:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 314238.pdf: 4958002 bytes, checksum: a0549314f5c9d5df3fc8192c24a52845 (MD5) / Neste trabalho foram aplicadas técnicas para processamento de cerâmica avançada para produzir células a combustível de óxido sólido planares. O processamento por tape casting foi aplicado sequencialmente usando suspensões aquosas, com Zircônia Parcialmente Estabilizada com Ítria (PSZ) como material do eletrólito. Foi desenvolvido um procedimento para obter peças planas por sinterização com uso de cargas, e foi implementado o teste eletroquímico das células em modo no-chamber. Estudou-se a integração das tecnologias de queimadores porosos com a de células a combustível, usando gás de síntese produzido por oxidação parcial de álcool. Para isso, foram feitos testes eletroquímicos em células produzidas neste trabalho com gás de síntese produzido em chama difusiva em meio poroso (no-chamber), e em células comerciais usando gás de síntese de composição similar ao produzido por um queimador poroso operado com etanol. Para as células próprias, suportadas no anodo, o teste eletroquímico no modo no-chamber foi efetuado a uma temperatura de 560°C, o potencial de circuito aberto (OCV) foi de ~800 mV, e a potência máxima (PMáx) obtida foi de 0,12 mW/cm² para uma densidade de corrente de 0,35 mA/cm². As células apresentaram alta resistência mecânica, permitindo mostrar também que o teste no-chamber é uma alternativa simples e de baixo custo para a caracterização eletroquímica. Para as células comerciais, suportadas no eletrólito, o teste eletroquímico foi feito convencionalmente, na temperatura de operação de 820°C. Quando o combustível foi 5% hidrogênio em mistura com hélio, o OCV foi de 600 mV, a PMáx foi de 21 mW/cm², para uma densidade de corrente de 69 mA/cm². Quando o combustível foi gás de síntese com 3% H2 e 2,9% CO, o OCV foi de ~500 mV, a PMáx foi de 9 mW/cm², para uma densidade de corrente de 35 mA/cm².<br> / Abstract : Advanced ceramics processing techniques were applied in this work to produce planar solid oxide fuel cells. Tape casting process was applied sequentially using aqueous suspensions, using Partially Stabilized Zirconia with Yttria (PSZ) as electrolyte material. A procedure for obtaining flat samples was developed by sintering using weights, and the electrochemical test for the cells was implemented in no-chamber mode. Integration of porous burners and fuel cell technologies was studied, using synthesis gas (syngas) produced by alcohol partial oxidation. For this, electrochemical tests were carried out for cells produced in this work with syngas produced in diffusive flame in porous media (nochamber) and commercial cells using syngas of similar composition to that produced by a porous burner operated with ethanol. For the anode-supported own cells, the electrochemical test in nochamber mode was done at 560 °C, the open circuit potential (OCV) was ~800 mV, and the maximum power (PMax) obtained was 0.12 mW/cm² for a current density of 0.35 mA/cm². The cells showed high mechanical strength, allowing also show that in the no-chamber mode is a simple and cost effective test for the electrochemical characterization. For the electrolyte-supported commercial cells, the electrochemical test was done conventionally, the operating temperature was 820 °C. When the fuel was 5% hydrogen in a mixture with helium, the OCV was 600 mV, PMax was 21 mW/cm² for a current density of 69 mA/cm². When the fuel was syngas with 3.0% H2 and 2.9% CO, the OCV was ~500 mV, PMax was 9 mW/cm² for current density of 35 mA/cm².

Made available in DSpace on 2017-07-10T15:14:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissertacaoWellingtonTondo.pdf: 2411575 bytes, checksum: a09d8d70644fa4223666d8c7ff42a3ac (MD5) Previous issue date: 2015-03-09 / The large consumption of fossil fuels that still today predominates the world's energy supply is one of the great villains in greenhouse gases emissions (GHG), that are largely responsible for global warming. The oil reserves tend to depletion, and the growing demand of energy needed to feed the technological advances, the search for solutions to minimize emissions of pollutants and waste recovery, discarded improperly by man, became an opportunity to add value and produce energy from raw materials, that cause major environmental impacts. The biodiesel from waste frying oil has been shown to be effective alternative in renewable energy production, as well as having large potential energy, generates by-products that may be incorporated in the processing of raw materials, adding final value. This work evaluated the use of blends of diesel oil with oil and biodiesel from waste frying, in fixed and varying proportions of 10% for each treatment, B0 being the absence of biodiesel and B100 being entirely, as an alternative renewable fuel in burners for heating of pools. The conduct of the experiment occurred in the thermal pool block physiotherapy State University of Western Paraná (UNIOESTE), during the month of August 2014, in the Cascavel campus, using entirely randomized design. The fuels were evaluated for their behavior at room temperature and passing through a heating process, which on average was 50,63 °C, before to combustion in the burner. We evaluated data: percentage of water and impurities, viscosity, density, calorific value, emission of CO2, O2, and the exhaust temperature in the produced blends. Were also collected input and output temperature information in the boiler, flow water, flow and fuel temperature, to determine the specific consumption and efficiency. There was a reduction in thermal efficiency of the system, as increased the percentage of biodiesel contained in mixtures, operating at room temperature. However, with the pre-heating, we obtained a significant improvement. KEYWORDS: / O grande consumo de combustíveis fósseis que ainda hoje predomina na oferta de energia mundial é um dos grandes vilões nas emissões de gases de efeito estufa (GEE), que são os grandes responsáveis pelo aquecimento global. As reservas de petróleo tendem ao esgotamento, e com a crescente demanda de energia necessária para suprir os avanços tecnológicos, a busca por soluções para minimizar as emissões de poluentes e o aproveitamento de resíduos, descartados de forma indevida pelo homem, tornou-se uma oportunidade de agregar valores e produzir energia a partir de matérias-primas, que causam grandes impactos ambientais. O biodiesel de óleo residual de fritura tem se mostrado como alternativa eficaz na produção de energia renovável, pois além de possuir alto potencial energético, gera subprodutos que podem ser incorporados no processamento da matéria-prima, agregando valor final. Este trabalho buscou avaliar a utilização de blendas de óleo diesel com óleo e biodiesel de resíduos de fritura, em proporções fixas e variadas em 10% para cada tratamento, sendo B0 a ausência de biodiesel e B100, sua totalidade, como alternativa de combustível renovável em queimadores para aquecimento de piscinas. A condução do experimento ocorreu na piscina térmica do bloco de fisioterapia da Universidade Estadual do Oeste do Paraná (UNIOESTE), durante o mês de agosto de 2014, no campus de Cascavel, utilizando delineamento experimental inteiramente casualizado. Os combustíveis foram avaliados quanto ao seu comportamento à temperatura ambiente e passando por um processo de aquecimento, que em média foi de 50,63 ºC, antes da combustão no queimador. Foram avaliados dados de: percentual de água e impurezas, viscosidade, densidade, poder calorífico, emissão de gases CO2, O2, e a temperatura de escape nas blendas produzidas. Também foram coletadas informações da temperatura de entrada e saída da caldeira, vazão de água, fluxo e temperatura do combustível, para determinação do consumo específico e eficiência. Verificou-se uma redução na eficiência térmica do sistema, à medida que aumentou o percentual de biodiesel contido nas misturas, operando na temperatura ambiente. Porém, com o pré-aquecimento, obteve-se uma melhora significativa. PALAVRAS-