Em processos de combustão, uma determinação precisa dos parâmetros envolvendo transferência de calor influencia diretamente os demais fenômenos envolvidos. Dentre os mecanismos de transferência de calor presentes na combustão a radiação térmica é predominante, mas sua correta determinação impõe uma elevada complexidade, principalmente quando se trata da solução de meios participantes. O cálculo envolve propriedades de absorção que variam com a temperatura e o comprimento de onda, sendo então necessária a utilização de modelos espectrais para obter bons resultados com um baixo tempo computacional. Para o cálculo da transferência radiante, existem diversos modelos espectrais, desde modelos de simples implementação, como, por exemplo, o GG (gás cinza) e o WSGG (soma-ponderada-dos-gases-cinza), até modelos com um grau elevado de detalhamento, como o SLW (soma-ponderada-dos-gases-cinza baseado em linhas espectrais) e o CW (número de onda cumulativa). Como os modelos com maior grau de detalhamento são de complexa implementação, alguns autores preferem empregar modelos simplistas, como o GG (gás cinza), apenas por questões de conveniência, mesmo em detrimento da qualidade dos resultados. Uma forma de executar o cálculo da radiação térmica sem simplificações é levar em conta as absorções em cada comprimento de onda, sendo esses cálculos denominados integração linha-por-linha (LBL), por executar o cálculo da transferência radiante em cada linha de absorção, o que gera resultados benchmark, podendo ser utilizados para avaliar os diversos modelos existentes. Este trabalho tem por objetivo verificar e sintetizar a aplicação dos modelos espectrais, em configurações envolvendo concentração e temperatura não uniformes, onde são realizados cálculos em um meio contendo CO2, H2O e fuligem. São avaliados os modelos GG, WSGG, SLW e CW. Dentre os modelos avaliados, o que apresenta os melhores resultados para as condições apresentadas é o modelo WSGG. De forma a aprimorar o modelo WSGG, uma nova implementação para a solução de misturas é apresentada, a qual apresenta correlações para o H2O e para o CO2 geradas individualmente, possibilitando misturas com qualquer razão de concentração, mostrando que o modelo apresenta bons resultados em diversas situações e é uma boa opção para a solução de problemas de combustão. / In combustion processes a good determination of the heat transfer parameters are of great importance because of its direct influence in the computation of the chemical reactions rate in the process and, consequently, in the formation of the combustion products. Among the processes of heat transfer in combustion, thermal radiation is predominant, and their determination can be a very complex task, especially with participating medium. The analysis involves absorption properties that vary with the temperature and wavelength, and therefore it is necessary to use spectral models to ensure good results with low computational time. There are several spectral models developed along the years, since the simplistic models such as the GG (gray gas) and WSGG (weighted-sum-of-gray-gases), to more advanced methods such as the SLW (spectral line weighted-sum-of-gray-gases) and CW (cumulative wavenumber). Due advanced models are in general a hard task to implement, the option is to use simplified models, for example the GG, even working with considerably errors. In order to quantify these solutions, for temperature and concentration conditions of the absorbing species, it is necessary to implement the radiation heat transfer taking into account the absorption at each wavelength through line-by-line (LBL) integration, being this solution the exact one, or, the benchmark solution, which it is used to evaluate the spectral models. In this study, the LBL integration is carried out to evaluate some of the existing models in a non-isothermal and inhomogeneous medium containing CO2, H2O and soot. The work involves the GG, WSGG, SLW and CW spectral models. For the presented cases, the best results occur with WSGG model. In order to improve the WSGG model a new implementation for the mixture solution is presented, which solves the correlations for H2O and CO2 generated individually, enabling mixtures containing any concentration ratio, showing the good agreement of the spectral model at any condition, being the WSGG a good option to solve combustion problems.

O uso de combustíveis fósseis para a geração de energia, especificamente carvão mineral, ainda dominará a matriz energética mundial por algumas décadas. No Brasil, entretanto, apesar de sua vasta disponibilidade, o carvão mineral segue ocupando uma tímida posição na matriz. Ao mesmo tempo, há uma considerável geração de resíduos de biomassa oriundos de atividades agrícolas, que poderiam ser incorporados ao uso do carvão na geração termoelétrica de energia. Sobre o uso de combustíveis fósseis na geração termoelétrica e a consequente emissão de CO2, a ainda insipiente tecnologia de oxicombustão aparece como possibilidade de geração de emissões quase-zero de CO2. Diante disso, esta tese tem como objetivo estudar os aspectos envolvidos na adaptação da combustão em leito fluidizado borbulhante para a oxicombustão de carvão mineral e biomassa. Para tanto, inicialmente, realiza-se uma estimativa da possibilidade do uso de resíduos de biomassa, especificamente os provenientes da cadeia produtiva de madeira e casca de arroz, em sistemas de combustão no estado do Rio Grande do Sul. Estes combustíveis são, então, utilizados na combustão com ar atmosférico em planta piloto, com capacidade de 0,25 MWt de leito fluidizado borbulhante, para posterior comparação com a oxicombustão dos mesmos combustíveis. As comparações foram realizadas quanto ao balanço de massa balanço de energia e questões fluidodinâmicas. A influência dos principais parâmetros de processo na transição de combustão com ar atmosférico para a oxicombustão foi analisada quanto à possibilidade de minimizar a entrada de ar falso no sistema. A manutenção de pressões negativas mostrou-se indesejável na oxicombustão, especialmente quando é realizada a adaptação de plantas já existentes. Os resultados indicaram uma forte influência do ajuste da válvula de recirculação dos gases, da potência do ventilador e da vazão de gases no sistema na minimização da entrada de ar falso. A partir do ajuste das condições operacionais, foi possível a obtenção de uma concentração de 59,6% vol. de CO2 nos gases de combustão. / The fossil fuels use for energy generation, especially coal, will dominate the world energy matrix for decades. However, in Brazil, coal still occupies a timid position in spite of its extensive disponibility. At the same time, there is a considerable generation of wastes from agricultural activities that could be incorporated to coal as fuels on thermoelectric energy processes, in special for a decentralized system configuration. Yet, by considering the use of fossil fuels on thermoelectric generation and the consequent CO2 emission, there is the oxyfuel combustion technology that has appeared as an option for near-zear CO2 emissions by promoting its capture. From this perspective, this work has the objective of studying the aspects that involve the retrofit of bubbling fluidized bed combustion to oxyfuel combustion by using coal and biomass wastes as fuels. In this sense, an estimative of the use of biomass wastes, especially wood wastes and rice husk, on combustion systems in the State of Rio Grande do Sul is firstly proceeded. These fuels are used on air combustion in a 0,25 MWt bubbling fluidized bed pilot plant for comparison to oxyfuel combustion with the fuels used. Such comparisons where done by applying material balance, energy balance and fluid dynamics analysis. The influence of the main process parameters on the retrofit of air combustion to oxyfuel combustion were analyzed concerning the air leakage minimization. Negative pressure maintenance in key points of the system was shown as an undesirable issue when retrofitting. The results indicated a strong influence of the recycling valve adjustment, fan power and gases flow on the air leakage. From operational conditions adjustment, 59,6 vol.% CO2 concentration could be achieved in the gases.

A utilização de combustíveis fósseis é percebida, cada vez mais, de forma negativa, visto seus elevados níveis de emissão de gases de efeito estufa. Por conta disso, busca-se a ampliação do uso de combustíveis de origem renovável de forma a diminuir o impacto ambiental. Dentre esses, o etanol se destaca pelas excelentes características físico-químicas. Ao se reduzir o nível de pureza (diluição em agua) durante o processo de destilação desse combustível, obtém-se um sensível decréscimo da energia dispendida na sua produção. Isso se deve ao crescimento exponencial do consumo energético para obtenção de misturas com teor de etanol superiores à 80% v/v. Assim, a possível utilização de misturas superhidratadas, mesmo que apresentem menor poder calorífico, resultam em uma economia direta de energia no processo de obtenção. Dessa forma, esse trabalho avalia o impacto da utilização de misturas de etanol com elevadas concentrações de água em um motor monocilíndrico de testes, com volume deslocado de 0,668 L, injeção de combustível no coletor de admissão, e ignição por centelha. Inicialmente, avaliou-se via testes de bancada o efeito da substituição direta do etanol comercial por misturas com maior hidratação nos parâmetros de desempenho e emissões. Em seguida, buscou-se explorar as características anti-detonantes da água através do aumento da razão de compressão visando ao aumento de eficiência indicada do motor. Por fim, estudos numéricos foram conduzidos de forma a verificar o efeito da concentração de água sobre os valores de velocidade de chama e temperatura adiabática em uma chama livre unidimensional. Foram também determinados os valores de tempo de indução para condições de temperatura e pressão experimentais. Com isso, observou-se a possibilidade de operação com elevadas razões de compressão para maiores percentuais de água com sensível aumento da eficiência indicada e nível de emissões semelhantes ao etanol comercial. O aumento de água causou uma diminuição na velocidade de queima e na temperatura adiabática de chama, enquanto que o tempo de indução possuiu efeitos opostos dependentes da condição de operação. / The use of fossil fuels have faced several restrictions due its higher greenhouse gas emissions during the combustion process in internal combustion engines. Thus, there is an urge aiming to diversify the number of renewable fuels in order to decrease the environmental impact. Among them, ethanol is notorious, presenting excellent physico-chemical properties. Decreasing the ethanol level on ethanol-in-water mixtures after the distillation process, a lower energy expense can be achieved. This is related to the exponential growing in the energy consumption to obtain mixtures containing ethanol in water concentrations higher than 80% v/v. Therefore, the use of highly hydrated mixtures, despite the decrease in heat values, results in energy savings during its production process. This work evaluates the impact of using mixtures containing high water concentrations in a single cylinder engine, 0.668L, with port fuel injection, and spark ignition combustion. The direct replace of commercial ethanol by highly hydrated mixtures was evaluated through dynamometer tests, so performance and emissions parameters were obtained. After this, it was explored the knock resistance increase due to water addition by increasing the compression ratio, aiming at reaching higher indicated efficiency values. Finally, numerical studies were conducted in order to verify the effect of water concentration increase on laminar flame speed and adiabatic flame temperatures in a one dimensional free flame simulation software. In addition, the induction time for temperature and pressure conditions obtained from experimental results was assessed. As conclusions, the increase in water concentration enabled the use of high compression ratios resulting in higher indicated efficiency values than for commercial ethanol with the same exhaust emission concentrations. Higher water volumes resulted in lower laminar flame speeds and adiabatic flame temperatures. In addition, the induction time values presented two different behavior according to the operating conditions.

O carvão responde pela maior parte da produção da eletricidade em vários países, e é o combustível mais queimado em caldeiras de usinas termelétricas no mundo, sendo assim uma das principais fontes de gases de efeito estufa. A biomassa de madeira é um combustível renovável, e o dióxido de carbono tem um ciclo curto nos processos de oxidação das biomassas. Este estudo teve como principais objetivos comparar a combustão de dois carvões minerais (um brasileiro e outro colombiano) e um carvão vegetal em um forno tubular de queda livre, comumente chamado de forno DTF (Drop Tube Furnace). Um DTF consiste em um reator cilíndrico vertical, com aquecimento homogêneo, onde a combustão de partículas de um combustível sólido ocorre em condições semelhantes às que ocorrem em caldeiras de leito pulverizado. Recentemente foi construído no Laboratório de Combustão do Departamento de Engenharia Mecânica da UFRGS um forno DTF com 1,340 m de altura útil e que opera até 1200°C. A combustão foi avaliada a 1100°C em termos de burnout, análise de temperatura e espécies químicas ao longo do comprimento do reator. Dos resultados obtidos, o carvão colombiano mostrou-se mais reativo por ter sido consumido mais rapidamente, alcançando burnouts mais elevados do que o carvão brasileiro e o carvão vegetal. O carvão vegetal e o carvão brasileiro obtiveram burnouts semelhantes ao longo do comprimento do forno. O carvão vegetal liberou mais CO que os carvões minerais no início da combustão. A emissão de NO foi mais alta na combustão do carvão colombiano e do carvão vegetal porque estes concentram mais nitrogênio em sua estrutura. As emissões de SO2 também foram proporcionais ao teor de enxofre nos carvões, de maneira que o carvão brasileiro apresentou as maiores concentrações, seguido pelo carvão colombiano e por último, o carvão vegetal. O ar comprimido afeta de forma regular a temperatura no forno, sendo maior a diferença de temperatura entre o perfil com ar comprimido e o perfil sem ar comprimido próximo ao ponto de injeção, o queimador. O perfil sem ar comprimido demostra que o aquecimento do DTF não é homogêneo. A combustão do carvão aumenta significativamente a temperatura no forno, chegando próximo ao perfil de temperatura sem a injeção de ar comprimido. Este trabalho incluiu ainda um estudo prévio do dosador de partículas, considerando diferentes tipos de carvão e carvão vegetal. / Coal is the main fuel in thermoelectric generation in many countries in the world, in spite of its well known being one of the main sources of greenhouse gases. On the other hand, wood biomass is a renewable energy source, associated to a short life cycle of the carbon dioxide produced in its oxidation processes. This study aimed at comparing the reactivity, in combustion atmosphere, of two coals, a Colombian one and a Brazilian one, as well as of a charcoal, by means of a drop tube furnace (DTF). A DTF consists in a vertical cylindrical reactor, capable of mantaining a homogeneously heated section along which combustion of solid fuel particles take place in similar heating rate and temperature conditions as those that are found in the operation of industrial-scale pulverized coal boilers. A DTF was built in the Combustion Laboratory of the Mechanical Engineering Department at Federal University of Rio Grande do Sul. The reactor measures 1340 mm in testing height and can be heated to provide inner temperatures up to 1200ºC. Combustion of samples of the selected fuels was evaluated in terms of the evolution of burnout, gas temperature and composition of the gas and of the char collected in a set of positions along the DTF axys. As main results, it was observed that the reactivity of the Colombian coal is higher than that of the other fuels all along the DTF height. Similar results for burnout were found for the Brazilian coal and the charcoal. Emissions were also investigated. It was observed that combustion of the charcoal releases more CO in the initial portion of the particles displacement inside the reactor. Emission of NO was found to be higher in the combustion of the Colombian coal as well as in the combustion of the charcoal, accomopanying the higher nitrogen content in the composition of the two fuels. Emissions of SO2 were also proportional to sulphur content in the fuels, so that the higher amounts of this species were found in the combustion of the Brazilian coal, followed by the Colombian coal and the charcoal. Temperature measurements were made with a probe specifically designed for that purpose. It was verified that the DTF provides a satisfactory testing length as long as combustion takes place. Discussion of the results includes the calibration of the dosing apparatus.

A injeção de carvão pulverizado na região das ventaneiras dos altos-fornos (Pulverized Coal Injection – PCI) é uma tecnologia amplamente praticada em altos-fornos com o objetivo de substituir parte do coque empregado por carvões não-coqueificáveis. O carvão injetado fornece energia e gases redutores para o processo de fabricação do gusa, além de contribuir para a redução da emissão de gases poluentes devido à menor produção de coque. Atualmente todo o carvão injetado em altos-fornos brasileiros é importado. O país possui grandes reservas de carvão, porém este carvão necessita passar por processos de beneficiamento para redução dos teores de matéria mineral e enxofre. A flexibilidade do processo PCI permite a utilização de ampla gama de carvões não-coqueificáveis, o que abre a possibilidade para utilização de carvão brasileiro. Este trabalho teve por objetivo avaliar propriedades de carvão brasileiro beneficiado com teor de cinzas de 18,9% para injeção em altos-fornos. O estudo foi conduzido através de ensaios de combustão empregando um moderno simulador de PCI projetado e desenvolvido pelo Laboratório de Siderurgia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (LaSid) e também uma termobalança de modo a ser possível traçar um comparativo entre ambos os equipamentos. Além do carvão brasileiro, de baixo rank, foram utilizados dois carvões importados já em uso para injeção, um de alto e um de baixo rank. A combustibilidade (ou eficiência de combustão) em simulador de PCI foi avaliada pela conversão (burnout), calculada pelo método ash tracer, um balanço de massa entre a quantidade de cinzas que entra e sai do reator. Em termobalança o parâmetro adotado foi a temperatura de pico, correspondente à taxa máxima de reação. Fez-se também a avaliação da reatividade ao CO2 dos chars gerados em simulador de PCI, visto que o char ao deixar a zona de combustão passa por uma zona rica neste gás. Análise estatística revelou que a técnica adotada de burnout mostrou-se bastante eficiente para diferenciar carvões de teores de matéria volátil distintos, porém não no caso de carvões com teores de matéria volátil similares. No simulador de PCI a influência da matéria volátil do carvão foi mais pronunciada do que o rank e em termobalança o rank teve mais efeito sobre a combustibilidade do que a matéria volátil. O carvão brasileiro apresentou propriedades comparáveis às do carvão importado de baixo rank utilizado para PCI. Isto representa uma grande vantagem, visto que possibilitaria a utilização do mesmo na siderurgia. / Pulverized coal injection through blast furnace tuyeres (PCI) is a widely practiced technology in blast furnaces to replace part of coke by non-coking coal. Injected coal provides energy and reducing gases for pig iron production process, as well as contributes to reducing pollutants gases emission due to coke saving. Currently all coal injected into Brazilian blast furnaces is imported. The country has large reserves of coal, but this coal needs to undergo beneficiation to reduce mineral matter and sulfur contents. PCI process flexibility allows the employment of a wide range of non-coking coals, which opens the possibility to use Brazilian coal. This work aimed to evaluate properties of Brazilian coal benefited with 18.9% ash content for injection into blast furnaces. The study was conducted through combustion tests employing a modern PCI test rig designed and developed by the Iron and Steelmaking Laboratory (LaSid) of the Federal University of Rio Grande do Sul (UFRGS) and also a thermobalance in order to draw a comparison between both equipments. In addition to low rank Brazilian coal, two imported coals which are already used for injection were used, one high and one low rank. The combustibility (or combustion efficiency) in a PCI test rig was evaluated by burnout, calculated by the ash tracer method, a mass balance between the amount of ash that enters and leaves the reactor. Peak temperature was the parameter adopted to evaluate combustibility in thermobalance, corresponding to the maximum rate of reaction. It was also evaluated the CO2 reactivity of chars generated in the PCI test rig, since char leaving the combustion zone passes through a CO2 rich area. Statistical analysis revealed that burnout technique proved to be efficient enough to differentiate coals with different volatile matter contents, but not in the case of coals with similar volatile matter contents. In PCI test rig the influence of volatile matter was more pronunced than rank and in thermobalance rank had more effect on combustibility than volatile matter. Brazilian coal showed properties comparable to the ones of imported low rank coal already in use for PCI. This is a great advantage, since it would make it possible to use it in ironmaking.

A simulação numérica de escoamentos reativos, como a combustão, tem um caráter altamente não-linear devido a presença de diversas reações químicas que acontecem entre as espécies que descrevem o processo de oxidação do combustível. Além disso, tais processos ocorrem a nível molecular, tornando o sistema de equações governantes rígido, o que implica na necessidade de esquemas numéricos de alta ordem bem como malhas finas e passo de tempo pequeno, aumentando consideravelmente o custo computacional. Neste sentido, o uso de mecanismos de oxidação detalhados na simulação numérica é proibitivo, e técnicas de redução química são necessárias de modo a desenvolver modelos reduzidos com menos variáveis e rigidez moderado, mantendo a precisão e abrangência do modelo detalhado. O objetivo do presente trabalho é obter uma comparação dos resultados obtidos para duas técnicas de redução química diferentes, Directed Relation Graph - DRG, baseada no desenvolvimento de mecanismos esqueletos, e a Reaction Diffusion Manifolds - REDIM, baseada na separação das escalas de tempo. Como validação dos modelos propostos, simulações numéricas 1D de chamas pré-misturadas e não pré-misturadas, bem como de reatores homogêneos, são desenvolvidas. Além disso, uma estratégia que une as duas técnicas de redução é apresentada, com o objetivo de ser aplicada em mecanismos cinéticos grandes. / Numerical simulation of reactive flows, such as combustion, has a highly non-linear character due to the presence of several chemical reactions that occur among the chemical species that describe the process of fuel’s oxidation. Besides, such processes occur at a molecular level, making the system of governing equations stiff, which implies in the need of high order numerical schemes as well as fine meshes and small time step, enhancing considerably the computational cost. In this sense, the use of detailed oxidation mechanisms in the numerical simulation is prohibitive, and chemical reduction techniques are needed in order to develop reduced models with less variables and moderate stiffness, while maintaining the accuracy and comprehensiveness of the detailed model. The objective of the present works if to obtain a comparison between two chemical reduction techniques, the Directed Relation Graph - DRG, based on the skeletal mechanisms generation, and the Reaction Diffusion Manifolds - REDIM, based on the separation of time scales. As validation of the proposed models, one-dimensional numerical simulations of premixed and non-premixed flames, as well as homogeneous reactors, are carry out. Besides, a coupled methodology between DRG and REDIM is presented, that will provide a useful tool for simulation of fuels with very large detailed kinetic mechanisms.

A velocidade de queima laminar adiabática de reações de combustão é um parâmetro chave, relacionado à cinética química do combustível, a qual define características importantes como a forma e a faixa de estabilidade de uma chama. Nos últimos anos, um grande esforço vem sendo direcionado para a determinação precisa desse parâmetro para diferentes combustíveis, porém a grande diversidade de técnicas e metodologias de medição existente acarreta em uma grande dispersão entre os resultados encontrados na literatura. Dentre as várias técnicas disponíveis, o método do fluxo de calor destaca-se por fornecer medidas de velocidade de chama adiabática com boa precisão. O método, diferentemente dos demais existentes, não depende de extrapolações e é capaz de obter chamas aproximadamente adiabáticas. Neste estudo, foi construída uma bancada de trabalho baseada no método do fluxo de calor com a finalidade de medir a velocidade de chama plana laminar adiabática de diferentes misturas entre combustível e comburente. Foram realizadas medições para pré-misturas metano/ar e gás natural/ar em diferentes razões de equivalência (0,65 a 1,5) para a temperatura de 298 K e pressão atmosférica. Uma análise das possíveis fontes de erro é apresentada utilizando-se 95 % de intervalo de confiança, resultando em uma incerteza de 2,8 % para a pré mistura estequiométrica metano/ar para a qual a velocidade de chama encontrada foi de 35,4 cm/s. Nas mesmas condições, para a mistura gás natural/ar foi obtido o resultando de 34,8 cm/s, para a proporção estequiométrica com uma incerteza de 3,1 %. O experimento apresenta incertezas de medição tanto maiores quanto mais afastadas da condição estequiométrica a chama se apresenta, chegando a 20 % para chamas ricas com razão de equivalência 1,5. As medições obtidas para diferentes razões de equivalência mostram-se de acordo com os resultados encontrados na literatura, apresentando valor absoluto e de incertezas dentro dos padrões do método. / The adiabatic laminar burning velocity of a fuel/oxidant mixture is a key parameter in combustion. It defines important flame characteristics like its shape and stability range. In the last years, a great effort has been employed on the precise determination of this parameter for different fuels. The diversity of techniques and extrapolation methods for achieving adiabatic flame data results in the large scatter found in literature. Among various techniques available, the heat flux method is known to provide adiabatic burning velocity measurements with good accuracy. The method does not depend on extrapolations and is able to produce flames that closely reach the adiabatic condition. In this study, a workbench was built based on the heat flux method aiming at measuring the adiabatic laminar flame velocity of different fuel and oxidant mixtures. Data were obtained for methane/air and natural gas/air mixtures for different equivalence ratios (0.65 to 1.5) at 298 K and 1 atm. An analysis of possible error sources is also presented using 95% of confidence interval. For a soichiometric methane/air mixture the flame speed was found to be 35.4 cm/s with 2.8% of uncertainty. Under the same conditions, for a stoichiometric natural gas/air mixture the value obtained was 34.8 cm/s with an uncertainty of 3.1%. The experiment shows that the uncertainties increase as the premixture deviates from the stoichiometric condition, reaching 20% for an equivalence ratio of 1.5. The measurements obtained for different equivalence ratios are consistent with results found in the literature and with acceptable uncertainties for the method.

Modelos numéricos envolvendo a transferência de calor por radiação em gases participantes são bastante complexos de ser resolvidos devido à dependência espectral das propriedades radiantes. Contudo, a radiação térmica não pode ser negligenciada em processos de combustão, onde as elevadas temperaturas envolvidas tornam a radiação o principal fenômeno de transferência de calor. O cálculo da transferência de calor por radiação envolve propriedades de absorção que variam de forma complexa com a temperatura e número de onda, sendo assim necessária a utilização de modelos espectrais para obtenção de resultados confiáveis com baixo tempo computacional. Neste trabalho, o método da soma-ponderada-degases- cinzas (WSGG) foi aplicado na resolução da transferência de calor radiante em um sistema unidimensional formado por duas placas finitas, paralelas e negras, para diferentes perfis de temperatura e de concentração de espécies químicas. Foram obtidas novas correlações para misturas de vapor d’água e dióxido de carbono, além de correlações para as espécies químicas individuais de vapor d’água, monóxido de carbono, dióxido de carbono e metano. A partir do banco de dados HITEMP 2010, as correlações foram geradas para três, quatro e cinco gases-cinzas. A partir das correlações obtidas para o modelo da somaponderada- de-gases-de-cinzas seus resultados são comparados com a solução benchmark obtida pela integração linha-por-linha (LBL). Para todos os casos propostos, é possível verificar uma boa concordância entre os resultados do método da soma-ponderada-de-gasescinzas com o método linha-por-linha. / Problems involving radiation heat transfer in participating media are in general very complex to be solved due to the dependence of the radiative properties with the wavenumber. However, thermal radiation cannot be neglected, especially in combustion processes due to the high temperatures that are involved, making radiation the main heat transfer mode. Calculating the heat transfer by radiation involves absorption properties which varies with the temperature and wavelength, therefore the use of spectral models are required to obtain good results with low computational time. In this dissertation, the weighted-sum-of-gray-gases (WSGG) model was applied to resolve the radiation heat transfer in a one-dimensional finite system formed by two parallel plates with black walls, for different temperature profiles and concentrations of the participating species. New WSGG correlations were obtained for mixtures of vapor water and carbon dioxide, besides correlations for the individual chemical species of vapor water, carbon monoxide, carbon dioxide and methane. From the HITEMP 2010 database correlations were generated for three, four and five gray gases. From the correlations obtained for the weighted-sum-of-gray-gases (WSGG) model, their results are compared with the benchmark solution obtained by integrating line-by-line (LBL). For all the proposed cases, in general, it is possible to observe a satisfactory agreement between the results of the weighted-sum-of-gray-gases with the line-by-line method.

A radiação térmica é um mecanismo de transferência de calor muito importante em processos que envolvem gases participantes, como CO2 e H2O, em temperaturas elevadas. A dependência altamente irregular do coeficiente de absorção em relação ao número de onda torna a integração linha-por-linha (LBL) da equação da transferência radiativa (RTE) impraticável, sobretudo em situações onde a radiação pode ser apenas parte de um problema mais complexo. Modelos espectrais globais, como a soma-ponderada-de-gases- cinza (WSGG) e a soma-ponderada-de-gases-cinza baseada em linhas espectrais (SLW), representam alternativas à integração LBL. Entretanto, alguns modelos requerem o uso da aproximação de escala (que assume que as dependências espacial e espectral da seção transversal de absorção são separáveis). Essa aproximação pode produzir erros consideráveis, principalmente quando existem gradientes elevados de temperatura e de concentração. Neste trabalho, os resultados de alguns modelos espectrais globais foram comparados com os da solução LBL. E, a partir de algumas proposições dos modelos WSGG e SLW (integração espectral através de gases cinza e intervalos espectrais fixos por meio da definição de uma temperatura de referência), foi desenvolvida a soma-ponderada-de-gases-cinza com coeficientes não constantes (NCC-WSGG). Nesse modelo, os coeficientes de absorção e de emissão para cada gás cinza são funções polinomiais da temperatura. O modelo NCC-WSGG foi aplicado em problemas unidimensionais e bidimensionais, envolvendo CO2, H2O e mistura dessas espécies químicas. Comparações com a solução LBL mostraram que o NCC-WSGG pode fornecer resultados muito satisfatórios para o fluxo de calor e para o termo fonte radiativos em problemas não isotérmicos e não homogêneos. / The thermal radiation is a very important mechanism of heat transfer in processes that embody participating gases, as CO2 and H2O, at high temperature. The highly irregular dependence of the absorption coefficient with respect to the wavenumber makes the application of line-by-line (LBL) integration of the radiative transfer equation (RTE) prohibitive, principally in situations where the radiation can be only part of a more complex problem. Global spectral models, like the weighted-sum-of-gray-gases (WSGG) and the spectral line based weighted-sum-of-gray-gases (SLW), are alternatives to the LBL integration. However, some models demand the application of the scaling approximation (which assumes that the spatial and spectral dependences of the absorption cross-section are separable). This approximation can lead to pronounced errors, mainly under high gradients of temperature and concentration. In this work, some results obtained from global models were compared with the LBL solution. And, applying some proposals from WSGG and SLW models (spectral integration through gray gases and fixed spectral intervals by the definition of a reference condition), it was developed the nonconstant coefficient weighted-sum-of-gray-gases (NCC-WSGG). In this model, the absorption and emission coefficients of each gray gas are polynomials functions of the temperature. The model was applied to solve one and two dimensional problems, which were comprise of CO2, H2O and mixtures of these chemical species. Comparisons with the LBL solution showed that the NCC-WSGG can provide very good results for the heat flux and for the radiative heat source under nonisothermal and nonhomogeneous conditions.

Submitted by LIVIA FREITAS (livia.freitas@ufba.br) on 2016-05-11T13:24:51Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Eduardo Santana_PEI_versão final.pdf: 1505303 bytes, checksum: 0c4497af6d85e3698965ed5d7011dde7 (MD5) / Approved for entry into archive by LIVIA FREITAS (livia.freitas@ufba.br) on 2016-05-11T13:24:58Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Dissertação_Eduardo Santana_PEI_versão final.pdf: 1505303 bytes, checksum: 0c4497af6d85e3698965ed5d7011dde7 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-05-11T13:24:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertação_Eduardo Santana_PEI_versão final.pdf: 1505303 bytes, checksum: 0c4497af6d85e3698965ed5d7011dde7 (MD5) / Veículos automotores constituem mundialmente a maior fonte poluidora do ar nas grandes regiões urbanas, respondendo por cerca de um quinto das emissões antropogênicas de CO2. Concomitantemente, o modal rodoviário responde por mais de um quarto de toda energia final consumida. Este cenário motiva o estudo comparativo para um veículo leve multicombustível, nacional, equipado com motor de combustão interna (MCI) de ignição por centelha, propelido à combustíveis líquidos e gasoso, mantendo-se suas características originais de fábrica. São analisados aspectos como desempenho, eficiência, consumo e emissões veiculares, comparativamente para cada tipo de combustível utilizado: gasolina, álcool, misturas com diferentes proporções entre gasolina e álcool e gás natural. A metodologia empregada consiste em ensaios experimentais do veículo em um sistema preparado com um dinamômetro de chassi, que possibilita a obtenção dos dados utilizados na modelagem matemática. A abordagem remete à aplicação de conceitos termodinâmicos em processos nos quais propriedades químicas e características de combustão, para os diferentes combustíveis utilizados, interagem com características de projeto do motor de combustão interna, em diferentes condições de operação às quais o mesmo é submetido, apresentando diferentes índices aos parâmetros de análise estudados. Análises realizadas compõem taxas de eficiências energética e exergética, curvas de desempenho com medições de torque e potência e taxa de emissões de poluentes para cada combustível, conduzindo à análise de viabilidade dos combustíveis analisados, conforme características de projeto e condições operacionais do motor avaliado. Resultados demonstram as viabilidades técnicas, ambientais e econômicas dos combustíveis alternativos etanol e gás natural comprimido (GNC), comercializados em escala comercial no Brasil. Indicam que a consolidação da expansão do uso desses combustíveis passa necessariamente pelo alinhamento das características do MCI de veículos multicombustíveis utilizados no Brasil às respectivas propriedades desses combustíveis