aquecimento magnético de uma gota de combustível(1)

AQUECIMENTO MAGNÉTICO DE UMA GOTA DE COMBUSTÍVEL(1)
Régis Zorzo(2), Fernando Fachini Filho(3), Cesar F. Da Cruz Cristaldo(4)
(1)
Trabalho executado com recursos do Edital PIBIC/INPE 2015.
Graduando em eng. mecânica e bolsista PIBIC/INPE; Universidade Federal do Pampa; Alegrete, RS;
[email protected];
(3)
Pesquisador titular do INPE; Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais; Cachoeira Paulista, SP;
[email protected];
(4)
Orientador; Universidade Federal do Pampa; [email protected] ;
(2)
RESUMO: Pesquisas recentes mostram que a utilização de nanopartículas magnéticas em combustíveis melhora a
condutividade térmica proporcionando uma queima mais eficiente, com menos emissão de poluentes. O objetivo do
presente estudo é propor a utilização de nanopartículas magnéticas atuando como uma nova fonte de calor dentro da
gota de combustível (ferrofluido combustível). O modelo avalia o aquecimento e vaporização de uma gota de ferrofluido
combustível, sob um campo magnético alternado de alta potência. O campo magnético alternado gera um processo de
relaxação magnética nos dipolos das nanopartículas, gerando calor dentro da gota. A metodologia estende um modelo
já existente de camada limite térmica (na qual há perda da geometria esférica) para um modelo completo que recupera
a geometria esférica através de modelo matemático representado pelas equações de conservação e suas devidas
condições de contorno, utilizando método numérico para obter sua solução. Os resultados mostram que o efeito
geométrico da gota é importante na solução e como já obtido em trabalhos anteriores, o processo de aquecimento
diminui o tempo de aquecimento da gota e aumenta a taxa de vaporização para alta frequência de campo magnético.
Diminuir o tempo de aquecimento do combustível resulta em uma queima com menos geração de fuligem.
Palavras-Chave: combustão, ferrofluido, aquecimento magnético.
INTRODUÇÃO
Combustíveis com nanopartículas magnéticas, ferrofluidos, vem sendo estudado na área da
combustão devido a possibilidade de controlar o transporte de energia por meio de um campo magnético e
devido as alterações causadas nas propriedades do fluido, como viscosidade, condutividade térmica e calor
específico. Dessa forma, há melhorias no processo de combustão, como aumento da taxa de transferência
de calor e redução de emissões de poluentes.
Recentemente um processo de aquecimento magnético no combustível tem sido investigado. Neste
processo uma gota de combustível com nanopartículas magnéticas uniformemente distribuídas no seu
interior, sob a aplicação de um campo magnético externo alternado é aquecida. A fonte de calor é resultado
da rotação do dipolo magnético das nanopartículas (ROSENSWEIG, 2002). O primeiro modelo de
aquecimento magnético aplicado a combustíveis mostrou uma redução no tempo de aquecimento de uma
gota de fero fluido isolada sem interferência do ambiente (FACHINI; BAKUZIS, 2010). Em trabalhos
posteriores o fluxo de calor do ambiente para a gota foi incluído e diferentes condições foram analisadas:
aquecimento e vaporização sob diferentes condições de temperatura ambiente (CRISTALDO; FACHINI,
2013a) e posteriormente a combustão foi adicionada ao modelo (CRISTALDO; FACHINI, 2013b). Em ambos
os modelos a condição de ambiente quase estacionário foi imposta. Esta condição representa somente
condições de ambiente de baixa pressão. A condição de aquecimento e vaporização em ambiente de alta
pressão foi analisada posteriormente (CRISTALDO et. al., 2015).
Até o momento os modelos de aquecimento, vaporização e combustão de gotas consideram a
hipótese de camada limite térmica próximo a superfície da gota, na fase líquida, devido a condição de alta
potência magnética. Sob esta hipótese os efeitos geométricos são desprezados e as equações que
descrevem o aquecimento da gota esférica são representados em geometria plana por um modelo
assintótico de camada limite térmica.
O presente trabalho tem como objetivo obter a solução para o aquecimento e vaporização de uma
gota de ferrofluido nas mesmas condições apresentadas por Cristaldo e Fachini (2013a), porém resolvendo
as equações completas em geometria esférica. Tem-se a finalidade de avaliar o efeito da geometria na
solução do problema sob a condição de alta potência magnética. Este modelo será nomeado solução
completa (modelo CS).
METODOLOGIA
As equações de conservação de massa, energia e espécie (FACHINI, 1999) para a fase líquida e
gasosa, equações 1 e 2, em sua forma adimensional e em geometria esférica são integradas considerando
determinadas condições de contorno no interior, na superfície e na região afastada da gota.
Anais do VII Salão Internacional de Ensino, Pesquisa e Extensão – Universidade Federal do Pampa
,
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Onde
é a temperatura adimensional na superfície,
a fração mássica de vapor combustível,
é a taxa de vaporização adimensional,
é o tempo de relaxação efetivo,
,e
é um
parâmetro do campo magnético. A solução das equações 1 e 2 é obtida numericamente por diferenças
finitas e shooting method (PRESS, 2007), sendo este processo selecionado com base em trabalhos
anteriores (CRISTALDO; FACHINI, 2013a).
RESULTADOS E DISCUSSÃO
O combustível utilizado é o n-heptano, o ambiente está a 2200K sob campo alternado de alta
frequência e potência magnética,
. O modelo de solução completa (CS) é comparado com o
modelo de camada limite térmica (BLS) (CRISTALDO; FACHINI, 2013a). A temperatura da superfície da
gota e a taxa de vaporização em função do tempo para os dois modelos são mostradas na figura 1.
Figura 1 – Temperatura da superfície da gota e taxa de vaporização em função do tempo.
Percebe-se que a temperatura da superfície da gota
é inferior no modelo BLS em relação ao
modelo CS. Dessa forma os efeitos geométricos nas condições de análise,
, ainda são
significativos. Devido a isso espera-se também uma taxa de vaporização
inferior no modelo BLS, como
mostra a figura 1, o que demonstra que os efeitos geométricos são importantes na superfície da gota.
CONCLUSÕES
Os resultados mostram que a perca da geometria esférica para solução de camada limite térmica é
considerável na condição de alta potência magnética. Além disso, o presente modelo pode ser utilizado para
descrever condições mais realistas, como a de baixa potência magnética, o que não é valido para o modelo
BLS.
REFERÊNCIAS
CRISTALDO, C. F. C.; FACHINI, F. F. Ferrofluid droplet heating and vaporization under very large magnetic power: A thermal boundary
layer model. Physics of Fluids, 25, 037101, 2013a.
CRISTALDO, C. F.; FACHINI, F. F. Analysis of ferrofluid droplet combustion under very large magnetic power. Combustion and Flame,
160, 1458, 2013b.
CRISTALDO, C. F.; VARGAS, M. M.; FACHINI, F. F. “Ferrofluid droplet vaporization under very large magnetic power: Effects of
pressure and effective thermal conductivity of liquid. Proceedings of the Combustion Institute, 35, 1613, 2015.
FACHINI, F. F. An Analytical Solution for the Quasi-Steady Droplet Combustion. Combustion and Flame, 306, 302, 1999.
FACHINI, F. F.; BAKUZIS, A. F. Decreasing nanofluid droplet heating time with alternating magnetic fields. Journal of Applied
Physics, 108, 084309, 2010.
PRESS, William H. Numerical recipes 3rd edition: The art of scientific computing. Cambridge university press, 2007.
ROSENSWEIG, R. Heating magnetic fluid with alternating magnetic field. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 252, 370,
2002.
Anais do VII Salão Internacional de Ensino, Pesquisa e Extensão – Universidade Federal do Pampa