Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 Cristiane Martins Simulação de Escoamentos Reativos AC 290.

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1 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 Cristiane Martins Simulação de Escoamentos Reativos AC 290

2 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 Não existe nenhuma possibilidade de sucesso na simulação de quaisquer fenômenos caso não seja realizada uma avaliação anterior coerente.

3 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 O que é a combustão?? ‘’Oxidação’’ auto-sutentável de um combustível combustível – tipicamente hidrocarboneto oxidante - tipicamente ar

4 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 Visão Global Revisão  termodinâmica química – equilíbrio, cálculo temperatura, pressão, composição, propriedades de transporte  teoria cinética: taxas de colisão Cinética química  teoria da cinética estendida para taxas de reações químicas  mecanismo de reações (série de reações) Modelagem de acoplamento térmico/químico  reatores químicos (sem mecânica de fluidos), por exemplo reatores bem misturados (taxa infinita de mistura)

5 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 A composição dos produtos de exaustão provenientes das reações de combustão dependem de inúmeros fatores, incluindo tipo de oxidante, composição, temperatura dos gases e razão de equivalência. Processo reacional – equilíbrio adiabático

6 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 Objetivo - fluência Modelagem de taxas de reações químicas Modelos de reatores simplificados baseados na análise química e térmica acoplada Equações de conservação e transporte para fluxos reativos Estrutura e limite de propagação de onda de combustão premisturada laminar Estrutura e mecanismos controladores em chama difusiva laminar Escala temporal e espacial em chamas turbulentas.

7 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 Exemplos de configurações Chama laminar - vela

8 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 Exemplo de configurações - Explosão

9 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 Chama turbulenta tipo jato de GNV

10 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 Combustão confinada

11 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 Queimador industrial - álcool

12 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 Queimador Industrial - Queimador para caldeira utilizando gás de alto forno

13 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 Fácil simular combustão? Fenômeno de combustão envolve a interação de fenômenos Físicos e Químicos.

14 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 Vejamos o exemplo de Flare

15 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 Quem é o fenômeno majoritário? Reynolds crescente

16 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 Programa de cinética Chemkin

17 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 CHEMKIN - Estrutura http://www.ca.sandia.gov/chemkin/

18 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 CHEMKIN 3.7 - Equil

19 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 Cálculos de equilíbrio no Chemkin Chemkin equilibrium é fácil de se utilizar mas não é tão poderoso quanto outros programas de equilíbrio como NASA-LEWIS e GASEQ. Estes últimos pesquisam sua base de dados e determinam quais espécies serão consideradas no cálculo de equilíbrio. O Chemkin exige que o usuário entre com todas as espécies a serem consideradas. Por exemplo na combustão CH 4 /ar, NO e NO 2 não serão considerados a menos que sejam introduzidas no arquivo de entrada. CO muito menos será considerado se não incluído.

20 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 Arquivo chem.inp ELEMENTS H O N END SPECIES H2 H O2 O OH HO2 H2O N2 H2O2 END

21 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 REAC H2 2 REAC O2 1 REAC N2 3.76 REAC – Especifica os reagentes e sua fração molar ou mássica. HP TEMP 300 TEMP – Entrada obrigatória, Temp de entrada (K) PRES 1 PRES - Pressão de partida em atm CNTN CNTN – Diz ao programa para procurar um problema adicional após comando END. END REAC H2 2 REAC O2 1 REAC N2 3.76 HP TEMP 400 TEST 2000 TEST – Estime uma temperatura de equilíbrio em K PRES 1 CNTN END REAC H2 2 REAC O2 1 REAC N2 3.76 HP TEMP 500 TEST 2000 PRES 1 END

22 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 Exemplo - Calcule a temperatura adiabática de chama e composição de equilíbrio do CO com ar nas razões de equivalências de 0,5, 1, 1,2. Desconsidere NO. Condições de entrada – 300K, 1 atm. Utilize o comando CNTN para salvar no mesmo arquivo todas as razões de equivalências. 2. Repita o problema 1 considerando formação de NOx. 3. Repita o problema 2, mas considere que a entrada contém 10% de H 2. 4. Compare com resultados obtidos no GASEQ e TEQWORKS.

23 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 Chemkin - Equil Por que utilizar a subrotina de Equil do Chemkin se você tem acesso a outros programas de equilíbrio mais completos?

24 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 CHEMKIN -

25 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 Existem muitos tipos diferentes de problemas que podem ser resolvidos utilizando subrotinas Chemkin. Diferentes programas coordenam subrotinas e controlam os arquivos de entrada/saída.

26 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 Equilíbrio considera que a reação teve tempo suficiente para ocorrer. Cinética considera taxas de reações químicas.

27 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 Cinética Química – Conceitos Básicos Experimentos envolvendo reações tem como objetivo descrever a taxa de reação para a qual os reagentes são transformados em produtos. O termo taxa é muitas vezes utilizado para descrever variações de determinada quantidade no tempo. (taxa de inflação, variação de distância no tempo) A taxa de reação consequentemente é a variação da concentração de um dos reagentes (  x) no tempo (  t).

28 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 Cinética – taxa de reação Todas as reações químicas ocorrem em uma taxa finita (lenta ou rápida) dependendo de parâmetros experimentais tais como composição, temperatura e pressão. A taxa de uma reação é a medida quantitativa do número de moles de produto produzido (ou reagente consumido) por unidade de tempo por unidade de volume. Taxa = [  em moles de espécies] / [  t * volume].

29 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 Quando uma reação ocorre? Somente uma pequena fração de moléculas reagentes convertem reagentes em produto. Depende:  Colisão adequada  Energia que as moléculas possuem ao colidir

30 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 Reação ocorre se: 1. colisão favorável ClNO2(g) + NO(g)  NO2(g) + ClNO(g)

31 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 Reação ocorre 2. energia suficiente Nem todas as moléculas possuem mesma energia cinética. Isto é importante porque a energia cinética que a molécula carrega quando colide é a principal fonte de energia para se iniciar a reação mesmo sistema, moléculas com energia diferente.

32 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 Reação ocorre ClNO2(g) + NO(g)  NO2(g) + ClNO(g) Go = -23.6 kJ/mol A energia livre padrão da reação acima nos diz que esta reação é favorável. Isto é suficiente para que a reação ocorra?? Antes que qualquer reação ocorra é necessário que a energia livre do sistema supere a energia de ativação para a reação. Ea mede a variação no potencial de energia de um par de moléculas que é exigido para se iniciar o processo de conversão de um par de moléculas reagentes em um par de moléculas produto.

33 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 ClNO2(g) + NO(g)  NO2(g) + ClNO(g) Go = -23.6 kJ/mol Moléculas de NO e ClNO2 que colidirem na orientação correta, com energia suficiente para superar a barreira da energia de ativação, podem reagir e formar NO2 e ClNO. Quando a temperatura do sistema aumenta, o número de moléculas que carregam consigo energia suficiente para reagir quando colidirem também aumenta. Reação ocorre somente quando:

34 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 taxa de reação x temperatura como explicar a relação entre a taxa de reação e a temperatura? A saída é assumir que a constante da taxa depende da temperatura para a qual a reação ocorre. Em 1889, Svante Arrhenius demonstrou que a relação entre temperatura e a constante da taxa para uma reação obedece a seguinte equação: k é a constante da taxa para a reação A é fator de proporcionalidade que varia com cada reação Ea é a energia de ativação para a reação R é a constante do gás e T a temperatura

35 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 Constante da taxa? Um resultado interessante é obtido quando se determinou taxas de reações instantâneas para vários pontos ao longo de uma curva. A taxa de reação para cada ponto na curva é diretamente proporcional a concentração do reagente em determinado momento no tempo. Taxa = k(reagente) Visto se tratar de uma lei experimental que descreve a taxa de reação, é conhecida como lei da taxa. A constante de proporcionalidade, K, é conhecida como constante da taxa.

36 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 Modelagem matemática Modelagem matemática – habilidade de generalizar, extrair o que é comum em diversos problemas, e construir algoritmos efetivos para dar suporte na caracterização, análise e predição de problemas de engenharia. Modelos matemáticos conduzem a ‘’experimentos virtuais’’, os quais no mundo real poderiam ser muito caros, perigosos ou mesmo impossíveis.

37 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 Simulação numérica

38 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 Importante na modelagem – escalas de tempo PASSO 1- Definição da escala de tempo – Antes de iniciar a simulação do seu escoamento você deverá ter noção ou definir quem é o fenômeno majoritário. tempo mecânico (mistura) x tempo químico

39 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007

40 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 Como saber? As vezes temos diferentes condições de escoamento em um único processo. Zone 1: Zona de recirculação plana & estabilização ppor vórtices Zona 2: Zona de mistura não – reativa & Região de combustível não-queimado Zona 3: ‘’Rabo’’ aximétrico

41 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 Mistura x reação química Tem que se definir quem ‘manda’ taxa de reação ou taxa de mistura?

42 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 Chemkin representa ligação de análise matemática, métodos numéricos e desenvolvimento de software.

43 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 Heat and mass transfer

44 Cristiane Martins AC290-Escoamento Reativo – 08/2007 Sites – Mecanismos e Manual http://www- cmls.llnl.gov/?url=science_and_technology- chemistry-combustion-mechanisms http://www.osc.edu/PET/CCM/skeleton/softw are/chemkin/chemkin.html http://www.osc.edu/PET/CCM/skeleton/softw are/chemkin/chemkin.html

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