Modelagem da combustão de gás natural em um queimador industrial utilizando cadeia de reatores químicos

O presente trabalho trata da modelagem de combustão em um queimador industrial de gás natural utilizando cadeias de reatores químicos idealizados. A partir de simulações de CFD e dados experimentais do ensaio denominado BERL 300 kW, sucessivas cadeias de reatores são propostas, baseando-se em premissas sobre as condições de temperatura e fluxo de massa entre as diversas regiões do escoamento reativo. O objetivo é obter uma cadeia de reatores que reproduza as emissões de NOx do ensaio. O erro relativo das emissões é de 98,23% na primeira cadeia, de 82,30% na segunda cadeia e de 1,54% na terceira cadeia. A partir da terceira cadeia de reatores proposta, considerada representativa do ensaio, realiza-se uma análise de sensibilidade e um estudo paramétrico, para avaliar a sensibilidade do modelo aos ajustes de segmentação de correntes e a capacidade de reproduzir os dados experimentais de emissão em condições de pré-aquecimento do ar de combustão e em operação fora do ponto de projeto. O modelo produz resultados satisfatórios para os casos de pré-aquecimento do ar até 110°C e para potências térmicas até 33% superiores ao ponto de projeto, não oferecendo bons resultados para as demais condições de operação.This work shows the development and application of chemical reactor networks (CRN) to the modeling of a natural gas burner. The CRN development is based on experimental and CFD simulation results of the BERL 300 kW test. The CRN element arrangement, reactor volumes and flow splits are adjusted based on the best agreement with characteristic temperatures of the reactive flow, aiming to reproduce the experimental NOx emissions data. The relative error in the emissions predictions are 98,23% for the first CRN proposed, 82,30% for the second CRN and 1,54% for the third one. A sensitivity analysis and a parametric study of the third CRN are carried out to evaluate its sensitivity to the flow splits adjustments and its ability to predict emission with air preheat and turndown operation. The NOx emissions predicted by CRN are in good agreement until 110ºC preheating and for a turndown ratio of 1,33

Experimental and chemical kinetics modeling investigation of autoignition of jet fuel and surrogates

Tese (doutorado) Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2017.Diversos processos físicos e químicos que ocorrem em câmaras de combustão afetam a eficiência, durabilidade, confiabilidade e emissões de turbinas aeronáuticas. Além disso, metas globais de sustentabilidade resultaram em novas regulamentações que compelem os produtores de combustível a introduzir biocomponentes em suas formulações. O conhecimento dos efeitosda formulação do combustível no desempenho de turbinas a gás é de suma importância para o desenvolvimento de novos combustíveis drop-in. Este trabalho compreende o estudo experimental e a modelagem da oxidação de combustível de aviação e misturas substitutas utilizando mecanismos de cinética química detalhada. Primeiramente, apresenta-se uma extensarevisão das especificações de combustível de aviação, incluindo combustíveis alternativos, e de experimentos recentes, conduzidos para definir ?targets? e misturas substitutas. Medições do atraso de ignição de uma amostra de combustível de aviação comercial produzido no Brasil (QAV1) foram realizadas em tubo de choque, para temperaturas de 715 K a 1250 K, pressões de 15 bar e 30 bar, e razões de equivalência combustível/ar de 0,3 e 1,0. Uma curva de ajuste para os dados foi obtida e simulações de cinética química detalhada foram conduzidas, utilizando-se o mecanismo para três componentes (n-decano, iso-octano, tolueno), intitulado MURI 1, elaborado por Dooley et al. (2010). Em seguida, medições do atraso de ignição de misturas substitutas MURI 1 (n-decano, iso-octano, tolueno) e TRF (n-heptano, iso-octano, tolueno) foram obtidas em máquina de compressão rápida e tubo de choque, para temperaturas de 650 K a 1300 K, razões de equivalência combustível/ar de 0,5 e 1,0 e pressão de 15 bar, com opropósito de reproduzir o comportamento do combustível comercial QAV1. Foram realizadas simulações de cinética química detalhada, empregando mecanismos disponíveis na literatura e mecanismos ainda inéditos, buscando identificar a capacidade dos modelos em reproduzir comportamentos de coeficiente negativo de temperatura (NTC) e ignição em dois estágios. Por fim, uma análise de sensibilidade dos dois mecanismos para a mistura substituta TRF foi realizada para elucidar quais reações químicas eram críticas para que ambos exibissem atraso de ignição similar, porém ignição de primeiro estágio diferente. Não é de conhecimento do autor que estas medições e simulações já tenham sido realizadas para o combustível aeronáutico brasileiro.Abstract : Several chemical and physical processes in the combustion chamber affect the efficiency, durability, dependability, and emissions of aviation turbines. Moreover, global sustainability criteria has resulted in new regulations requiring fuel producers to increase the amount of biofuels in their aviation fuel formulations. The knowledge of the effects of the fuel formulation in the performance of the gas turbine is of paramount importance to the development of new drop-in fuels. This work comprises modeling and experiments on the oxidation of jet fuel and fuel surrogates from a detailed chemical kinetics perspective. First, a thorough review of jet fuel?s specification, including alternative fuels, and of recent experiments carried out to definefuel ?targets? and surrogate compositions is presented. Ignition delay time (IDT) measurements for a Brazilian commercial Jet A-1 fuel sample were performed in a high pressure shock tube (ST) spanning a temperature range from 715 K to 1250 K, pressures of 15 bar and 30 bar and fuel/air equivalence ratios of 0.3 and 1.0. An expression fitting the measurements was obtainedand a detailed chemical kinetics modeling of the autoignition was carried out using the three-component MURI 1 (n-decane, iso-octane, toluene) mechanism from Dooley et al. (2010). Then, the IDT of fuel surrogates MURI 1 (n-decane, i-octane, toluene) and TRF (n-heptane, iso-octane, toluene) was measured both in a shock tube and a rapid compression machine at thetemperature range of 650 to 1300 K, fuel/air equivalence ratio of 0.5 and 1.0, and pressure of 15 bar with the intent of reproducing behavior of the Jet A-1 fuel. Detailed chemical kinetics modeling of these experiments was performed employing literature and unpublished mechanisms, aiming at identifying their ability to reproduce negative temperature coefficient (NTC) and two-stage ignition behavior. A sensitivity analysis of the mechanisms for surrogate TRF was carried out in order to elucidate the critical reactions governing an overall similar ignition delay but different first-stage ignition. To the author?s knowledge, this is the first time that these measurements and simulations have been performed for the Brazilian Jet A-1 aviation fuel

Boletín diario del Instituto Central Meteorológico: Año VII Número 321 - 1899 noviembre 17

Este trabalho apresenta um estudo comparativo entre quatro sistemas de regaseificação de gás natural líquido. Os sistemas de regaseificação baseados em trocas térmicas com água do mar e com produtos de combustão de gás natural, utilizados industrialmente, são apresentados e discutidos. Outros dois sistemas alternativos são apresentados, um deles composto por um ciclo de Rankine orgânico e outro recuperando o calor de gases de combustão de outros processos. O parâmetro de comparação entre os sistemas foi estabelecido pela massa de GNL regaseificada, considerada fixa e igual a 1 kg/s. O equacionamento dos trocadores de calor através do método da média logarítmica de diferença de temperatura é solucionado e os resultados do dimensionamento dos equipamentos são apresentados. É apresentada uma avaliação de consumo energético e de emissões atmosféricas decorrentes da operação de cada sistema, demonstrando que os dois sistemas alternativos constituem uma solução mais adequada ambientalmente. Uma análise de sensibilidade de cada sistema à variação da temperatura da corrente quente é realizada. Os resultados obtidos mostram que o sistema proposto neste trabalho emite 7,639 quilogramas de CO2 por hora de operação, enquanto que o sistema de regaseificação mais utilizado, que utiliza combustão de gás natural, emite mais de 143 quilogramas de CO2 por hora. Conclui-se que os sistemas alternativos são, à primeira vista, viáveis tecnicamente.This work presents a comparative study between four liquid natural gas regasification systems. Two systems currently in use, which uses sea water and NG combustion as heat sources, are presented and their main caracteristics are described. Two alternative systems are explained, one that incorporates an organic Rankine cycle and another one, proposed on this work, that uses heat recovered from flue gas. The parameter of comparision between systems is the mass flow of LNG, considered as 1kg/s. A numerical modeling of heat exchangers is carried out using the log mean temperature difference method. The resulting equation set is solved and the results are presented. A evaluation of energy consumption and atmospheric emissions resulting from each system is shown, proving that the two alternative system are more environmentally friendly. A sensibility analysis of each system in respect of the inlet temperature of the hot stream is carried out. The system proposed in this work produces 7.639 kilograms of CO2 per hour while the most applied regasification system, which uses NG combustion as heat source, emits more than 143 kilograms of CO2 per hour. The conclusions indicate that the alternative systems are, at the first evaluation, technically viable