Estudo do elemento de um queimador de chama pobre com estabilização por chama piloto para queimadores de baixo NOx de 19 kW

Abstract

As emissões poluentes resultantes da queima de combustíveis fósseis são apontadas como um dos principais factores de poluição atmosférica. Os óxidos de azoto (NOx) são responsáveis pela formação de chuvas ácidas e nevoeiro fotoquímico. A sua redução é fundamental, tendo em conta a crescente preocupação ambiental que conduz à criação de legislação cada vez mais exigente quanto à limitação dos níveis de emissões nocivas. No que diz respeito aos equipamentos domésticos de produção de AQS, em especial os esquentadores, já existem algumas soluções em comercialização capazes de obter baixos níveis de emissões poluentes. No entanto, a complexidade dos sistemas utilizados torna o preço final do produto bastante mais elevado, dificultando a sua adopção em massa. Torna-se, assim, primordial a concepção e desenvolvimento de novas soluções mais simples e economicamente viáveis que cumpram os limites impostos pela legislação. Neste trabalho foi estudada a formação, evolução e comportamento da mistura arcombustível num queimador de gás do tipo flauta, de baixo NOx, de um esquentador doméstico. Para isso, foi desenvolvido e aplicado um modelo matemático que, mediante condições de entrada, permite prever a quantidade de ar arrastado Foram, previamente, efectuados estudos sobre os fenómenos de interacção de um jacto sobre o fluido vizinho e estabilização e comportamento de chama, bem como uma análise detalhada aos diversos tipos de flautas existentes no mercado. De modo a validar os resultados teóricos obtidos foram realizados ensaios experimentais. A utilização da anemometria laser por efeito de Doppler, permitiu determinar o caudal de ar induzido na flauta em estudo, bem como avaliar a influência do comprimento da garganta de uma tubeira na quantidade de ar arrastado. Foi, ainda, realizada uma análise paramétrica onde se avaliou a influência de algumas variáveis na quantidade de ar arrastado. Os resultados obtidos numericamente para o coeficiente de excesso de ar de uma flauta convencional ( 0, 645 ≤λ ≤ 0, 794 ) revelaram-se razoavelmente próximos do valor anunciado pelo fabricante ( λ = 0, 7 ). A análise numérica da flauta com ancoramento de chama permitiu obter valores que confirmam a diferença entre as riquezas das duas misturas. A variação da geometria interna da flauta possui, de modo geral, um peso reduzido na quantidade de ar arrastado, à excepção da variação do diâmetro dos orifícios de admissão e dos orifícios de chama principal.

Pollutant emissions from burning fossil fuels are mentioned as a major contributor to air pollution. Nitrogen oxides (NOx) from combustion are responsible for the formation of acid rain and photochemical smog. Its reduction is essential, given the growing environmental concern leading to the creation of rigorous legislation considering the levels of harmful emissions. Regarding domestic hot water production appliances, particularly water heaters, there are already some solutions in the market able to achieve low pollutant emissions. However, the complexity of the solutions makes the price tag significantly higher, hampering its mass adoption. It is therefore essential to design and develop new simpler and economical solutions to meet the limits imposed by legislation. In this work it was studied the formation, evolution and behavior of the air-fuel mixture in a water heater low NOx gas burner element. For that, it was developed and applied a mathematical model, which, upon initial settings, allows a prediction of the amount of drawn air. Studies on the interaction of a jet on a quiescent fluid and flame stabilization and behavior phenomena were conducted, as well as a detailed analysis of several burner element models on the market. To validate the theoretical results, experimental tests were performed. Laser Doppler Anemometry allowed to evaluate the influence of the length of the throat in the amount of entrained air, as well as, the air induced in the burner element under study. Furthermore it was performed a parametric analysis which evaluated the influence of some variables (geometry, physical properties of fluids, etc.) in the amount of entrained air. The numerical results for the air-fuel equivalence ratio of a conventional burner element ( 0, 645 ≤λ ≤ 0, 794 ) proved to be reasonably close to the value announced by the manufacturer ( λ = 0, 7 ). Numerical analysis of the burner element with pilot stabilization allowed to obtain values that confirm the difference between the richness of the two mixtures. The change in internal geometry of the burner element is, in general, negligible regarding the variation in the amount of entrained air, except the diameter variation of the inlet ports and the main flame ports.