Análise de uma mistura substituta da gasolina com diferentes concentrações de etanol utilizando um queimador de chama plana
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Tipo de documento
Dissertação
Data
2024
Modalidade de acesso
Acesso aberto
Centro
CCT
Instituição
Programa
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
Área do conhecimento
Engenharias
Editora
Autor
Bongoski, Fábio
Orientador
Francisco Junior, Roberto WolfCoorientador
Resumo
A pesquisa no campo da combustão está intrinsicamente ligada à eficiência energética, à redução de emissões e à compreensão de fenômenos fundamentais que ocorrem durante o processo de queima dos combustíveis. O estudo da velocidade de chama adiabática em misturas líquidas que representem combustíveis de uso geral é crucial para desenvolvimento de modelos de cinética química, bem como para o projeto otimizado de motores e dispositivos de combustão. Entre os combustíveis mais utilizados atualmente, destaca-se a gasolina, devido à sua importância na utilização em automóveis de combustão interna. No Brasil, a gasolina comum recebe um acréscimo de 27% de etanol em sua composição, este teor é definido por lei e definições de macropolítica econômica que imperam nesta decisão. Por ser um produto derivado do petróleo, existem muitas espécies químicas em sua composição e. por esse motivo, inviável desenvolver um mecanismo de cinética química detalhado que reproduza todos os comportamentos do combustível em todas as condições de interesse tecnológico e que possa ser utilizado em aplicações de projeto e análise de motores. Uma solução é utilizar a combinação de componentes químicos chamada de mistura substituta, com as mesmas características físico-químicas, para representar o combustível derivado do petróleo. Nesse contexto, o objetivo do trabalho utilizar um queimador de chama plana para avaliar experimentalmente a velocidade de chama adiabática e a energia de ativação global aparente de uma mistura de iso-octano, n-heptano, tolueno e etanol A análise foi realizada na condição estequiométrica, com temperatura dos reagentes de 358 K e pressão atmosférica. Uma análise numérica utilizando o software Python com o pacote CANTERA foi realizada para obter os valores de velocidade de chama adiabática e energia de ativação global aparente utilizando dois mecanismos de cinética química. O resultado para a velocidade de chama adiabática do combustível substituto foi de (50.8 ± 1,5) cm/s e o valor da energia de ativação global aparente ide (239.92 ± 7.23) J/mol. Os resultados foram condizentes com a simulação numérica que apresentou um valor de 48.86 cm/s com mecanismo de cinética química LLNL e 49,09 cm/s com o mecanismo CRECK.
Abstract
Research in the field of combustion is intrinsically linked to energy efficiency, emission reduction, and the understanding of fundamental phenomena that occur during the combustion process of fuels. The study of adiabatic flame speed in liquid mixtures that represent general-use fuels is crucial for the development of chemical kinetics models, as well as for the optimized design of engines and combustion devices. Among the most widely used fuels today, gasoline stands out due to its importance in internal combustion engine vehicles. In Brazil, regular gasoline is mixed with 27% ethanol by law, a level determined by legislation and economic macro-policies that govern this decision. As a petroleum-derived product, gasoline contains many chemical species in its composition. Therefore, it is unfeasible to develop a detailed chemical kinetics mechanism that can replicate all the behaviors of the fuel under all conditions of technological interest, which could be used in engine design and analysis applications. One solution is to use a combination of chemical components called a surrogate mixture, with the same physicochemical characteristics, to represent the petroleum-derived fuel. In this context, the objective of this work was to use a flat flame burner to experimentally evaluate the adiabatic flame speed and the apparent global activation energy of a mixture of iso-octane, n-heptane, toluene, and ethanol. The analysis was carried out under stoichiometric conditions, with reactant temperatures of 358 K and atmospheric pressure. A numerical analysis using Python with the CANTERA package was performed to obtain the values for adiabatic flame speed and apparent global activation energy using two chemical kinetics mechanisms. The result for the adiabatic flame speed of the surrogate fuel was (50.8 ± 1.5) cm/s, and the apparent global activation energy value was (239.92 ± 7.23) J/mol. The results were consistent with the numerical simulation, which showed a value of 48.86 cm/s with the LLNL chemical kinetics mechanism and 49.09 cm/s with the CRECK mechanism.
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