BRPI0415476B1 - aparelho e método de combustão para a realização de combustão - Google Patents

Abstract

"aparelho e método de combustão para a realização de combustão". se refere a combustores (10) com fluxo de recirculação contendo uma câmara de recirculação geralmente curvada e fluxo não obstruído ao longo da periferia da camada fronteiriça do fluxo em vórtice nesta câmara. tais combustores (10) adicionalmente têm uma área de interface fronteiriça de baixa turbulência entre o fluxo em vórtice e o fluxo principal no combustor, no qual as reações químicas ocorrem, o que é altamente vantajoso para o processo de combustão, e também promove um efeito de bocal térmico dentro do combustor. um combustor (10) deste tipo pode ser utilizado para queimar misturas pobres e superpobres de ar e combustível para a utilização em motores de turbinas a gás, motores a jato e de foguetes e plantas térmicas como caldeiras, trocadores de calor, reatores químicos e similares. os aparelhos e os métodos da invenção também podem ser operados em condições tais que favoreçam a reforma de combustível ao invés da combustão, quando tal reação for desejada. mais particularmente, a invenção fornece um combustor (10) que compreende um reator (16); uma entrada (18) para admissão de um fluxo principal de fluido para tal reator (16); uma saída (20) para a descarga do fluido aquecido de tal reator (16); tal reator (16) posicionado entre tal entrada (18) e tal saída (20) e compreendendo uma zona de fluxo principal, através do qual a maioria de tal fluxo principal passa ao longo do caminho do fluxo principal, e uma zona de recirculação, através da qual uma porção menor de tal fluxo principal passa; no qual tal zona de recirculação é definida em parte por uma parede (22) tendo uma superfície interna (21) curvada em uma direção em uma maneira substancialmente contínua e seguindo de um ponto de retirada próximo a tal saída (20) para um ponto de retirada (22) próximo a tal entrada (18), tal superfície interna (21) sendo configurada e posicionada com relação a tal caminho do fluxo principal de modo a desviar parte do fluido em tal caminho de fluxo principal no tal ponto de retirada (22) para formar um fluxo de recirculação em vórtice em tal zona de recirculação durante a operação de tal reator; e no qual tal superfície interna (21) é adicionalmente caracterizada por uma falta de descontinuidades de forma a causar movimento substancialmente sem distúrbios de uma camada fronteiriça ao longo da periferia de tal fluxo de recirculação em vórtice. além disso, um efeito de bocal térmico resulta das reações químicas que ocorrem dentro da camada fronteiriça ou de 'interface' entre tal fluxo de recirculação em vórtice e o fluxo principal, linear, no reator (16). a invenção adicionalmente fornece métodos para reagir combustível em um combustor (10) como descrito acima, compreendendo as etapas de: passagem da maioria de tal fluxo principal em um caminho ao longo de tal zona de fluxo principal; passagem de uma porção menor de tal fluxo principal em um caminho através de tal zona de recirculação, de modo a formar um fluxo recirculação em vórtice, que retorna uma porção do fluido em tal zona de recirculação para uma área próxima a tal entrada; fazendo uma camada fronteiriça de fluido de recirculação fluir ao redor de tal superfície da parede interna de tal zona de recirculação sem turbulência substancial; fazendo uma porção periférica de tal fluxo de recirculação em vórtice intersectar tal fluxo principal em uma área próxima a tal entrada, no qual tal fluxo periférico tem uma velocidade superior a tal fluxo principal; tal fluxo periférico, seguindo o ponto de tal intersecção, movendo-se aproximadamente na mesma direção de tal fluxo principal; misturando tal fluxo periférico e tal fluxo principal por difusão térmica e não por mistura substancialmente mecânica; por meio disso, formando uma camada de interface entre tal fluxo principal e tal fluxo periférico e ocasionando uma transferência substancial de energia térmica do fluido em tal fluxo periférico através de tal camada de interface e dentro do fluido em tal zona de fluxo principal.

Description

“APARELHO E MÉTODO DE COMBUSTÃO PARA A REALIZAÇÃO DE COMBUSTÃO.” Esta aplicação reivindica o benefício da aplicação provisória dos EUA (U.S. Provisional Application) N° 60/508.405, solicitada em 03/10/03 e da Aplicação Provisória do dos EUA (U.S. Provisional Application) N° 60/585.958, solicitada em 06/07/04.

BASE DA INVENÇÃO

Campo de aplicação A invenção se refere a um aparelho e método de combustão para a queima de combustível em uma mistura com ar com o objetivo de produção de gás quente para diversas aplicações. Mais especificamente, a invenção se refere a um aparelho e método de combustão que utiliza um combustor com fluxo de recirculação. A invenção adicionalmente se refere a um aparelho e método para ignição e queima de uma mistura de combustível e ar. Um combustor deste tipo pode ser utilizado para a queima de misturas pobres e superpobres de ar e combustível para a utilização em motores de turbina a gás, motores a jato e de foguetes e unidades térmicas como caldeiras, trocadores de calor, reatores químicos e similares. Os aparelhos e métodos desta invenção também podem ser operados sob condições que favoreçam a reforma de combustível ao invés da combustão, quando tal reação for desejada.

Descrição do Estado da Técnica A seguinte descrição ou arte relacionada deverá ser lida considerando-se as definições de certos termos fornecidos na descrição detalhada abaixo.

Em um combustor típico, ar e combustível de combustão (que podem ou não estar pré-misturados) são introduzidos através de uma abertura de entrada num espaço de combustão, onde ocorre o processo de combustão. Pode haver fluxo de recirculação, no qual os gases de queima são recirculados dentro do combustor antes de juntar-se ao fluxo de combustão principal. A introdução de um fluxo de recirculação, de grande massa e alta temperatura e velocidade, injeta energia cinética e térmica no interior do fluxo de combustão principal, permitindo dessa forma uma combustão estável de misturas pobres e muito pobres de ar e combustível, diminuindo as emissões nocivas, entre outras vantagens.

Embora um fluxo de recirculação esteja presente em muitos aparelhos e métodos de combustão, o fluxo de recirculação nos combustores existentes ocorre dentro do espaço de combustão sem estar confinado em um espaço especial para um movimento organizado. Como resultado, os combustores existentes não maximizam a velocidade do fluxo de recirculação e, dessa forma, não maximizam a quantidade de energia térmica e cinética injetada no fluxo de combustão principal, o que seria desejado para uma combustão eficiente e confiável de misturas pobres e muito pobres de ar e combustível.

Por exemplo, a Patente EUA (U.S. Patent) de número N°4.586.328 para Howald expõe um combustor geralmente no formato toroidal no qual a mistura de combustão queima ao longo de um caminho de fluxo geralmente toroidal-helicoidal. Entretanto, o fluxo de recirculação (gás de combustão) que é alimentado na zona da abertura da entrada dentro da câmara de combustão não tem uma velocidade suficientemente grande; conseqüentemente, é fornecida muito pouca energia para a mistura fresca de ar e combustível. A saída da periferia do caminho de fluxo toroidal está dentro da turbina. Adicionalmente, em Howald, são introduzidos fluxos de resfriamento adicionais entre o fluxo de ar e o fluxo de gás de combustão recirculado.

Conseqüentemente, as condições para a injeção de gases de combustão dentro do fluxo de ar ou dentro do fluxo da mistura de combustível e ar são prejudicadas e a quantidade de energia fornecida pelo fluxo de recirculação para a mistura de combustível e ar é baixa. A solução é enriquecer a mistura de combustível e ar, o que não é desejável por resultar em uma temperatura de combustão mais elevada, combustão incompleta e aumento das emissões nocivas. A Patente dos EUA (U.S, Patent) número N° 3.309.866 para Kydd expõe um processo e aparelho para a combustão de gás sem chama, no qual ocorre a recirculação (i.e. gás quente, substancialmente completamente queimado dentro do combustor, é combinado com a mistura de combustível e ar que entra no combustor). Como Howald, o combustor exposto por Kydd não maximiza a velocidade do fluxo de recirculação, resultando, assim, em um baixo nível de fornecimento de energia ao fluxo de combustão principal. Com em Howald, o fluxo ao longo da periferia da área de circulação toroidal também é alimenta dentro da turbina.

Adicionalmente, o combustor em Kydd inclui uma chicana na forma de uma lâmina anular com orifícios, de forma que os gases de combustão não fluem diretamente para a mistura fresca de combustível e ar, e dessa forma prejudicando as condições para a injeção de gases de combustão na mistura de combustível. A principal desvantagem aqui é a mistura completa, com a mistura de combustível e ar admitida e completamente misturada com gases quase completamente queimados que estão em turbilhão.

Na Patente dos EUA (U.S. Patent) número N° 5.857.339 para Roquemore e a/., um combustor com vórtice aprisionado com recirculação de gás quente para a entrada do fluxo principal tem entradas de combustível e ar para admissão de combustível e/ou ar para os gases quentes recirculados, antes que os gases quentes encontrem o fluxo principal. Similarmente para outros combustores conhecidos, a temperatura dos gases quentes recirculados que alcançam a mistura fresca de combustível e ar diminui rapidamente devido, entre outras coisas, aos processos intensivos de reforma de combustível que estão ocorrendo na mistura fresca de combustível e ar. Neste caso, a adição de combustível e/ou ar aos gases quentes recirculados é contraproducente, uma vez que a temperatura dos gases quentes recirculados já será reduzida antes deles encontrarem o fluxo principal. A geometria do espaço da combustão é tal que os gases quentes recirculados encontram o fluxo principal praticamente na forma de um fluxo concorrente. Isto significa que o objetivo primário é alcançar as menores perdas hidráulicas possíveis quando o fluxo recirculado alcança o fluxo principal de entrada. Esta geometria de mistura dos dois fluxos é muito desvantajosa, pois as condições “suaves” na colisão dos dois fluxos resultam em uma transferência de energia muito pobre entre os fluxos, e a não-uniformidade ou as temperaturas na entrada do fluxo principal podem alcançar até 100%, e as camadas internas do fluxo principal de entrada podem não ser realmente aquecidas. Isto resulta em fraco aquecimento do fluxo principal de entrada com a resultante falha de combustão. Um típico perfil de temperatura para combustores deste tipo (ver Figura 19) mostra que a temperatura do fluxo principal de entrada em um combustor com vórtice aprisionado na entrada para o espaço de combustão mantém-se praticamente a mesma do fluxo principal alimentado no combustor. A consequência disto é uma elevada não-uniformidade da temperatura de combustão ao longo do eixo e raio do combustor, o que se traduz em baixa estabilidade da chama quando a mistura de combustível e ar torna-se mais pobre e também elevadas emissões de CO e NOx. Deve-se acrescentar que a utilização de ar adicional e/ou entradas de combustível no caminho do fluxo de recirculação é muito desvantajoso, pois criam uma não-uniformidade do perfil de velocidades dentro do fluxo de recirculação, o que se traduz em elevada não-uniformidade da transferência de energia entre os gases quentes recirculados e o fluxo principal de entrada.

Na Patente dos EUA (U.S. Patente) número N° 6.295.801 para Burrus e a/., um combustor utiliza o princípio de operação de vórtice aprisionado para sustentar a chama piloto. Este projeto tem as mesmas desvantagens das descritas acima. A vantagem principal deste projeto de vórtice aprisionado é a estabilidade da chama piloto. Isto é feito porque a estabilidade da chama piloto não podería ser alcançada na arte anterior sem a utilização de dispositivos adicionais. A velocidade do vórtice não pode ser igual à velocidade do fluxo de entrada. O ar é alimentado na zona do vórtice através de portas que têm um coeficiente de velocidade de aproximadamente 0,75. O fluxo de ar principal é admitido para o combustor através de passagens perfiladas com um coeficiente de velocidade de aproximadamente 0,9. Com uma velocidade isentrópica ideal de 100 m/s, a velocidade do fluxo de ar principal será 90 m/s e a velocidade do vórtice será 75 m/s. A velocidade do fluxo alimentado ao vórtice poderia ser aumentada com o diferencial de pressão disponível antes de alimentar ar para o vórtice, ou o diferencial de pressão pode ser aumentado. Deve-se notar, entretanto, que a temperatura do fluido admitido no vórtice não deverá estar abaixo da temperatura do gás no vórtice, i.e., os produtos de combustão deverão ser adicionados ao vórtice. O fluxo principal sofre repentina expansão, o que resulta numa diminuição da velocidade. Em geral, o caráter turbulento do fluxo em vórtice resulta em uma diminuição da velocidade. Todos estes fatores não permitem que energia adicional seja fornecida ao fluxo principal de entrada.

Pode-se resumir que a utilização de vórtice aprisionado em combustores na arte anterior é principalmente caracterizada pelo aquecimento das camadas superficiais do fluxo principal de entrada, o que em si não é ruim e pode trazer algumas melhorias na sustentação da chama de uma mistura pobre. Por outro lado, o aquecimento superficial não pode resultar em nenhuma melhoria significativa da estabilidade da chama e redução das emissões.

Nestes combustores de fluxo de recirculação da arte anterior, o fluxo de recirculação dos gases quentes é diluído (Ad) (resfriado) com um fluxo de ar secundário (Ai) e, então, os gases resfriados recirculados são direcionados para a entrada de ar primário (Ap), que deveria ser aquecido (ver Figura 20). Combustível é adicionado aos gases recirculados quentes diluídos com o fluxo de ar secundário antes que alcance o fluxo de ar primário (Ap) principal. A admissão de combustível ao gás quente recirculado resulta em condições não muito uniformes para a combustão, pois uma quantidade muito pequena de combustível não pode ser misturada completamente com uma grande quantidade de gases recirculados e ar secundário (Ai). A reforma do combustível será muito intensa e não-uniforme neste caso com o resultante resfriamento. O combustível é então ignitado e a temperatura dos gases aumenta, mas este aumento será parcialmente utilizado para compensar a redução de temperatura, devido à reforma do combustível. O fluxo, então, encontra o fluxo de ar primário (Ap) principal - que é realmente um fluxo secundário (Ai) pois a mistura já está queimando - e é novamente resfriado. O fiuxo principal não pode ser aquecido na entrada pois os gases quentes recirculados já foram resfriados duas vezes (primeiramente com o fluxo de ar secundário e depois pela admissão de combustível), e o aquecimento do fluxo de recirculação foi parcialmente utilizado para compensar as perdas de temperatura da reforma. Não é possível aquecer uniformemente o fluxo principal na entrada sobre toda a seção transversal, pois o resultado depende inteiramente da mistura turbulenta dos dois fluxos, o que não pode garantir uma mistura uniforme do volume completo. Esta confiança na turbulência (mistura mecânica) é totalmente questionável, pois os dois fluxos movem-se praticamente de modo concorrente. A temperatura no fluxo de recirculação em todos os combustores acima descritos não pode ser maior que a temperatura de entrada na turbina (TIT - turbine iníet temperatura) - ver Figura 21. A temperatura preferencial no fluxo de recirculação baseada no balanço das emissões de NOxe CO é 1.100- 1.200°C, A adição de combustível e/ou ar aos gases quentes recirculados resulta na redução da temperatura do gás de recirculação. Há duas consequências importantes disto. Primeiro, as emissões de CO aumentarão. Segundo, mais produtos de combustão terão que ser adicionados ao fluxo de entrada a fim de aumentar a temperatura do fluxo de entrada, que causa um aumento na reforma do combustível, diminuindo assim a temperatura. Consequentemente, a utilização de vórtice aprisionado e fluxo recirculado nos combustores da arte anterior, ainda que tragam uma certa melhoria na estabilidade da chama e desempenho das emissões, não são capazes de resultar em nenhuma penetração. A Patente dos EUA (U.S. Patent) de número N° 5.266.024 para Anderson expõe a utilização de um bocal térmico para aumentar a energia cinética de um fluxo de oxidante para um maçarico através do fornecimento de calor ao fluxo. A Patente dos EUA (U.S. Patent) de número N° 1.952.281 para Ranque expõe o fenômeno, e aparelho para a criação do fenômeno, por meio do qual em um tubo de vórtice contendo um fluxo de entrada tangencial de fluido comprimido, o calor é transferido entre as camadas em rotação do fluido no tubo de vórtice, resultando na separação do fluido em rotação em um fluxo quente externo e um fluxo frio interno, que podem ser retirados em saídas independentes.

Breve Descrição dos Desenhos A Figura 1 mostra esquematicamente a interface entre o fluxo de mistura de combustível e ar e um fluxo de recirculação em vórtice em um combustor de acordo com a invenção; A Figura 1A mostra esquematicamente parte da camada de interface entre o fluxo de recirculação em vórtice e o fluxo de entrada da mistura de combustível e ar, no qual o símbolo X representa moléculas de CO “quentes” na camada periférica do fluxo de recirculação em vórtice; A Figura 2 é um gráfico que mostra CH4, T e CO versus o tempo de contato entre o fluxo de recirculação em vórtice e o fluxo de mistura de combustível e ar em um combustor de acordo com a invenção; A Figura 3 é um gráfico que mostra os níveis de emissão de NOx versus a temperatura de combustão; A Figura 4 mostra a temperatura no fluxo de mistura de combustível e ar versus a razão V2/Vi; A Figura 5 mostra as concentrações de CO e CH (%) versus o tempo de combustão; A Figura 6 é uma vista transversal de um combustor de acordo com a invenção, aplicado como um queimador; A Figura 7 é uma vista transversal parcial de acordo com a seta VII da Figura 6; A Figura 8 é uma vista transversal parcial esquemática de um combustor anular de acordo com a invenção; A Figura 9 é uma vista transversal longitudinal de uma outra incorporação de um combustor anular projetado ao longo das linhas da Figura 8; A Figura 10 é uma ilustração da incorporação do combustor mostrado na Figura 8; A Figura 11 representa uma vista transversal longitudinal esquemátioa de um pote combustor de acordo com a invenção; A Figura 12 é representa uma vista final de um combustor de acordo com a invenção olhando o lado interno, mostrando uma incorporação da abertura de entrada; A Figura 13 é representa outra incorporação da abertura de entrada na vista similar àquela mostrada na Figura 12; A Figura 14 mostra uma seção transversal longitudinal de um motor de turbina de gás incorporando um combustor anular de acordo com a invenção; A Figura 15 mostra uma seção transversal longitudinal de uma outra incorporação de um motor de turbina de gás incorporando um combustor anular de acordo com a invenção; A Figura 16 é uma vista tomada ao longo da seta XVI da Figura 16; A Figura 17 é uma vista parcial ampliada do combustor mostrado na Figura 15; A Figura 18 mostra o nível de monóxido de carbono (CO) versus o tempo de contato para diferentes razões de velocidade V2 do fluxo de recirculação em vórtice pela velocidade V] do fluxo de entrada, para uma temperatura de combustão de 600 graus Celsius; A Figura 19 mostra um perfil de temperatura típico para um combustor com vórtice aprisionado, conhecido do estado da técnica; A Figura 20 mostra uma distribuição de temperatura em um combustor de fluxo de recirculação da arte anterior; A Figura 21 mostra uma distribuição prevista de temperatura num combustor de fluxo de recirculação da arte anterior; e A Figura 22 mostra os pontos de medição de temperatura em uma camisa de um combustor.

Descrição Detalhada A invenção será agora descrita em detalhes adicionais e com referência aos desenhos de acompanhamento, ilustrando incorporações exemplares não limitadas do combustor de acordo com a invenção.

Como assunto preliminar, fornecemos algumas definições para propósitos de compreensão desta especificação e reivindicações.

Chama uma pequena área onde está sendo iniciada uma ráãção de oxidação.

Combustão uma reação em cadeia de oxidação de combustível.

Inflamação o estágio inicial de uma reação de oxidação (ou em cadeia. "acendimento”) Combustão o fenômeno de reações de oxidação sem chama uniformemente distribuídas por todo o volume do fluxo principal.

Reator dispositivo para a realização de reação química.

Esta especificação geralmente utiliza o termo “combustor” para referir-se ao aparelho descrito aqui, embora, como será descrito, o aparelho de acordo com a invenção possa ser operado sob condições tais que favoreçam uma reforma do combustível ao invés de uma combustão. O termo “reator” é, algumas vezes, utilizado como uma alternativa mais comum à "câmara de combustão” ou “espaço de combustão”, pois sob algumas condições, pela invenção, a reforma de combustível pode ser o processo predominante que lá ocorre.

Adicionalmente, deve-se ter em mente que a combustão e/ou a reforma são processos químicos complexos com cinéticas complicadas, e que mais de mil diferentes reações químicas ocorrerão em vários momentos em um dado reator. Geralmente, as reações dentro do reator incluem, além da oxidação direta do combustível a dióxido de carbono e água, numerosas reações intermediarias e alternadas, incluindo: a) Decomposição térmica do combustível, por exemplo, CH4 -> C + 2H2; b) Oxidação parcial do combustível, por exemplo, 2CH4 + 02 -»2CO + 4H2. O metano é fornecido como 0 exemplo mais elementar, com reações correspondentes ocorrendo com outros combustíveis. Estas reações ocorrem particularmente quando as temperaturas são inferiores às temperaturas dos combustores da arte anterior, e sem a utilização de um catalisador. Adicionalmente, também observamos (por exemplo): c) Reforma de combustível, C + C02 CO + CO (oxi-redução); d) Combustão de combustível, C + 02 -»C02 (oxidação); e) Reforma de combustível, H2 + C02 -> H20 + CO (oxi-redução); f) Combustão de combustível, 2CO + 02 -»2C02 (oxidação); g) Combustão de combustível, H2 + 02 -> H20 (oxidação); e h) Reforma de combustível, C + H20 -»H2 + CO (oxi-redução).

Observar também que a reforma e combustão de combustível são ambas algumas vezes caracterizadas aqui como um tipo de reação química, que são as reações de oxi-redução e oxidação. Isto porque em cada caso todos os produtos de reação “quentes” (H20 e CO) estão sendo formados por um processo de oxidação. Obviamente é entendido que durante a reforma do combustível também há produtos de reação “frios” (CO), que são formados por uma reação de redução.

Seguindo para as Figuras 6 e 7 há duas vistas de uma incorporação da invenção. Esta incorporação fornece um combustor (10) tendo um espaço de combustão ou reator (16) entre uma entrada (18) para admissão de um fluxo principal de fluido para 0 espaço de combustão e uma saída (20) para a descarga do fluido aquecido do espaço de combustão, tal espaço de combustão compreendendo uma zona de fluxo principal, através da qual a maioria do fluxo principal passa ao longo de um caminho do fluxo principal, e uma zona de recirculação, através da qual uma porção menor do fluxo principal passa ao longo de um caminho. A zona de circulação é definida em parte por uma parede que tem uma superfície interna (21) em uma direção em um modo substancialmente contínuo, configurada em relação ao fluxo principal do fluido e ao caminho do fluxo principal e moldada de tal modo a causar um fluxo de recirculação em vórtice de uma parte do fluido no caminho do fluxo principal no ponto de retirada que são retornados do ponto de retirada próximo à saída para um ponto de retorno próximo à entrada antes do fluido ser descarregado do espaço de combustão, e adicionalmente configurada, sem nenhuma descontinuidade, de modo a causar um movimento substancialmente sem distúrbios da camada fronteiriça ao longo da periferia de tal fluxo de recirculação em vórtice.

Preferencialmente, o volume da zona de recirculação não deve ser menor que o volume da zona de fluxo principal quando o reator (16) funcionar como uma câmara de combustão. Entretanto, quando o reator (16) funciona como um reformador, o que será discutido a seguir, o volume da zona de recirculação não deve ser preferencialmente inferior ao dobro do volume da zona de fluxo principal.

Como descreveremos em detalhes a seguir, um efeito de bocal térmico resulta das reações químicas que ocorrem dentro da camada de “interface" ou fronteira entre tal fluxo de recirculação em vórtice e o fluxo principal, linear, de fluido no reator (16). O combustor (10) de acordo com a invenção fornece um fluxo de recirculação em vórtice. Na interface entre o fluxo neste vórtice e o fluxo principal na zona de fluxo principal, está a camada de “fronteira" ou “interface". Há também uma camada periférica ou fronteiriça entre a parede da zona de recirculação e o fluxo em vórtice, que tem um fluxo substancialmente laminar. Mais particularmente, a camada fronteiriça tem um grau de turbulência inferior a 0,2 (preferencialmente entre 0,008 e 0,01). O fluxo de recirculação sem distúrbios nas camadas periférica e fronteiriça fornece as seguintes vantagens: - As camadas em vórtice não são substancialmente misturadas radialmente dentro do vórtice, o que permite manter o perfil de distribuição de moléculas de gás quente no vórtice, com as moléculas ''quentes” de CO, CO2 e H2O movendo-se para a periferia do fluxo de recirculação em vórtice, e 0 CO é queimado lá, e as moléculas frias da reforma de combustível e produtos de dissociação, CO secundário, H2 e oxigênio, movendo-se da periferia para 0 centro do vórtice onde participam das reações de oxidação dentro do vórtice. Esta separação ocorre como resultado da difusão inercial no campo centrífugo de forças. Como resultado, a interface ou intersecção entre 0 fluxo de recirculação em vórtice e 0 fluxo principal de entrada do fluido estará na mais elevada temperatura possível, e 0 vórtice sempre terá um suprimento de material combustível sem nenhuma mistura das camadas. - A velocidade da camada interna para a periférica do vórtice é maior que a velocidade do fluxo principal de entrada do fluido por causa do efeito de bocal térmico e também por causa de um grau muito baixo de turbulência do fluxo de recirculação (que é alcançado devido à superfície circular configurada para garantir 0 fluxo natural e feito para garantir 0 fluxo sem distúrbios ao longo desta superfície), - A presença das camadas fronteiriça e periférica permite que a combustão do combustível seja completada em aproximadamente 2 m ou menos. - Uma reação de reforma ocorre ao longo da camada periférica do vórtice, envolvendo CO2 e C, reagindo para formar 2CO. Embora inicialmente formado como uma molécula “quente” e uma “fria” de CO, até lá esta camada reúne 0 fluxo principal na área de entrada que ela aqueceu substancialmente, devido, entre outros fatores, ao contato com a parede da câmara quente. Este fluxo em vórtice periférico de CO quente, que serve como um combustível, é extremamente vantajoso quando adequadamente misturado com a mistura de combustível e ar de entrada na entrada, como será descrito mais adiante. A razão do fluxo de recirculação para 0 fluxo principal (linear) no combustor pode variar. A razão do fluido de entrada no vórtice comparada ao fluido de saída do combustor na saída é preferencialmente não inferior a sete por cento (7%) no modo operacional no qual o reator funciona como uma câmara de combustão e não inferior a dez por cento (10%) no modo operacional no qual o reator funciona como um reformador.

Como discutido acima, um fluxo de fluido ou camada fronteiriça forma-se ao longo da periferia da zona de recirculação. Para manter este fluxo numa profundidade desejada, a superfície da câmara deverá ser curvada, mantendo-a curvada em uma direção (por exemplo, não para trás e para frente) de um modo substanciaimente contínuo. Esta profundidade da camada fronteiriça será aproximadamente 1 mm quando o fluido na saída tiver uma temperatura de aproximadamente 1.100°C, e aproximadamente 2 mm quando o fluido na saída tiver a temperatura de aproximadamente 800°C, e muito mais profunda a menores temperaturas, por exemplo, 380-420°C, até o ponto onde a camada fronteiriça terá uma profundidade maior que o diâmetro do núcleo central do fluido recirculante no fluxo de recirculação em vórtice.

Como resultado, as seguintes condições são obtidas em um ponto ou área de intersecção próximo à entrada onde a periferia do vórtice encontra a entrada do fluxo principal de fluido que é admitido no espaço de combustão: a temperatura mais elevada está na interface dos dois fluxos e há uma elevada velocidade relativa entre os dois fluxos, movendo-se na mesma direção seguindo o ponto de intersecção. O resultado destas duas condições é a transferência de calor altamente intensiva da periferia do vórtice para a superfície de interface do fluxo principal de entrada, caracterizada por uma taxa de transferência de calor muito elevada, devido às condições mencionadas acima. Conseqüentemente, o vórtice pode transferir energia térmica para a camada de interface do fluxo principal de entrada do modo mais eficiente. Por esta razão, a camada superficial do fluxo principal de entrada é ignitado e queima estavelmente, independentemente da razão de combustível e ar, atuando como uma chama piloto sem, entretanto, uma mistura turbulenta apreciável entre os dois fluxos, o que resultaria em formação de pontos “quentes” e “frios”, equilibrando as temperaturas, e outros fenômenos indesejados inerentes às melhores incorporações dos combustores com vórtice aprisionado anteriores. Deve-se observar que como resultado da difusão inercial, o combustível queimado alcança a camada superficial do fluxo de entrada primeiro, e as moléculas “frias” deixam a parte central do vórtice, dessa forma fornecendo condições para uma reação em cadeia, isto é, oxidação a taxas comensuráveis às taxas de combustão, e a taxa de combustão também pode aumentar com um acréscimo adicional na razão da velocidade do vórtice pela velocidade do fluxo de entrada, levando assim a uma combustão explosiva controlada com uma mistura muito mais pobre que a utilizada em combustores convencionais (ke de aproximadamente 0,5). Este fenômeno resulta em um repentino aumento na temperatura do fluxo de entrada e, como conseqüência disto, um rápido e uniforme aquecimento completo de todo o corpo do fluxo de entrada imediatamente na entrada do espaço de combustão, fazendo com que a velocidade ou energia cinética do fluxo de entrada comece a aumentar a partir da área de entrada, e este aumento continue até a área de saída, fornecendo desta forma o efeito de bocal térmico, que dá um impulso ao fluxo de recirculação em vórtice para que ele se movimente a uma velocidade maior. Deve-se também observar que o rápido aquecimento completo do fluxo de entrada ocorre sem mistura mecânica (turbulência) do fluxo de recirculação em vórtice e do fluxo de entrada de fluido, utilizando apenas o mecanismo descrito acima. A utilização do fenômeno de bocal térmico no combustor, de acordo com a invenção, permite aumentar a velocidade do fluxo de fluido através da saída do espaço de combustão enquanto quase elimina completamente a mistura turbulenta do fluxo (vórtice) de recirculação com o corpo principal do fluxo de fluido através do espaço de combustão. As perdas no espaço de combustão são, assim, substancialmente reduzidas. A utilização de uma superfície circular para a criação de um efeito de bocal térmico, com a superfície circular não tendo nenhum elemento para causar distúrbios ao fluxo, como orifícios, reentrâncias, protuberâncias, entradas de fluido e similares, garante a redistribuição das moléculas de gás no fluxo de recirculação em vórtice, entre outras coisas, em virtude da difusão inercial acima mencionada e do rápido aquecimento completo do corpo do fluxo de fluido de entrada combinado com uma interface de alta temperatura estável entre os dois fluxos. A ausência de mistura, que acarretaria na formação de pontos “quentes" e “frios”, garante níveis mínimos de formação de NO*. Uma vez que os produtos de combustão não são misturados com o fluido de entrada por turbulência (mistura mecânica), a mistura de combustível e ar de entrada, que pode ser muito pobre, não se torna mais pobre devido aos gases de combustão e a mistura de combustível e ar movimenta-se concorrentemente (na mesma direção a velocidades diferentes), sem uma mistura mecânica. Esta vantagem permite manter a combustão de misturas muito pobres a qualquer temperatura na qual a oxidação de um hidrocarboneto combustível seja teoricamente possível. A temperatura de combustão de um hidrocarboneto combustível pode ser inferior a 500°C, com a temperatura do gás de saída tão baixa quanto 350-330°C. Esta é a temperatura de oxidação, de modo que a taxa de formação de CO2 e H2O deveria diminuir mais de 1.000 vezes se um projeto de combustor convencional for utilizado. Entretanto, devido à difusão inercial acima descrita, a taxa de relocação de CO, CO2 e H2O recém-formados na área com maior teor de combustível (do centro para a periferia do vórtice) e então para a camada de interface é diversas vezes maior que a taxa de combustão normal, que é aproximadamente 1 m/s, e a taxa de oxidação do componente combustível no combustor de acordo com a invenção é da mesma ordem da taxa de combustão nos combustores da arte anterior.

Como mencionado acima, nenhum fluido (incluindo combustível) é adicionado aos produtos de combustão no fluxo de recirculação (pelo menos não dentro da porção maior da superfície circular do fluxo de recirculação entre a entrada e a saída do espaço de combustão), e 0 grau de turbulência do fluxo de recirculação é muito baixo (abaixo do valor mais baixo de qualquer combustor convencional). Como resultado, nenhum carbono particulado é formado no vórtice. A conseqüência favorável disto é a ausência de elevadas perdas por radiação térmica do fluxo de recirculação para a parede do combustor e uma relativamente baixa temperatura da parede do combustor dentro da área do ponto de separação do fluxo de recirculação para o fluxo de produtos de combustão que deixam o combustor para a área de entrada. Deve-se observar que a temperatura da parede do combustor antes do ponto de separação não tem nenhum efeito substancial nos níveis de CO. O processo de troca térmica entre a superfície do vórtice e a mistura quimicamente reativa de combustível e ar não é determinado apenas pelos campos de temperatura; ele também depende da composição química do vórtice e da mistura de combustível e ar. Há uma diferença entre as temperaturas dos dois fluxos (a temperatura do vórtice é maior) e uma diferença entre suas composições químicas (o vórtice contém mais C02 e H20, e a mistura fresca contém mais combustível e oxigênio). Assim, se os dois fluxos movimentam-se na mesma direção sem mistura mecânica, são criadas condições para processos de difusão, mais especificamente, para a difusão térmica e difusão por concentração. A difusão barométrica é negligenciável, e seria importante apenas na transição para uma combustão explosiva controlada. A razão entre a difusão térmica e a difusão por concentração varia durante a operação do combustor; entretanto, a difusão por concentração sempre prevalecerá na troca térmica entre 0 vórtice e a mistura combustível e ar. A difusão por concentração realmente tem um efeito decisivo na intensidade do processo de troca térmica. É problemático avaliar 0 gradiente real de concentração durante a troca térmica se as reações químicas precisarem ser decompostas. Deve-se observar que uma mudança na concentração de CH4 (ou outro combustível) e 02 nas camadas de interface do fluxo de vórtice e fluxo de combustível e ar não apenas influencia 0 processo de transferência de energia térmica, mas também a direção da reação (direta ou reversa). Se, por exemplo, a concentração de CH4 na mistura de combustível e ar aumenta (como resultado de um aumento do coeficiente de equivalência comparado ao valor de setpoint de projeto), os processos de reforma de combustível começarão a prevalecer nas camadas de interface. Isto, em combinação com as especificidades do suprimento de oxigênio para o vórtice, resultará em diminuição da temperatura periférica do vórtice, e como conseqüência, a temperatura das moléculas que alcançam a parte central do vórtice também começará a diminuir. Ambos os processos, que podem ocorrer simultaneamente, resultariam em uma diminuição na temperatura do vórtice para um valor subcrítico, resultando em uma falha de combustão. É por isso que o problema de combustão estável de uma mistura pobre não podería ser resolvido através de simples mistura mecânica do fluxo em vórtice e do fluxo da mistura de combustível e ar como vinha sendo feito anteriormente, porque o fornecimento de energia térmica para a mistura de combustível e ar em tal caso é acompanhado por um aumento concorrente no fornecimento de CO2 e H20 (resultando em reforma intensificada de combustível), com uma diminuição da temperatura do vórtice e da mistura de combustível e ar. De acordo com a invenção, 0 processo de difusão prevalece entre os dois fluxos (sem sua mistura mecânica), e a fonte de energia térmica na entrada onde os fluxos se encontram (0 vórtice) tem uma velocidade aumentada em relação à velocidade do consumidor de energia térmica, a mistura de combustível e ar. O vórtice intensivo para a transferência de calor da mistura de combustível e ar inicia 0 efeito de bocal térmico do modo explicado a seguir. A camada periférica do fluxo da mistura de combustível e ar sempre receberá energia térmica da periferia do vórtice a uma elevada taxa de transferência de calor, bem como as moléculas “quentes” de C02, CO e H20. Dessa forma, são fornecidas as condições para ignitar a periferia do fluxo de combustível e ar e sustentar a combustão desta camada. Tão logo a camada periférica é ignitada, a combustão se propaga a uma velocidade muito elevada através de todo 0 corpo do fluxo de combustível e ar e a velocidade do fluxo começa a aumentar devido ao efeito de bocal térmico. Como resultado, a energia cinética do fluxo de combustível e ar aumenta. A queima estável (chama estável) da camada periférica do fluxo de combustível e ar é garantida não apenas pela elevada temperatura do fluxo de vórtice e pela elevada taxa de transferência de calor da periferia do vórtice para a periferia do fluxo de combustível e ar, que forma uma espécie de “chama piloto”. O fornecimento contínuo e suficiente de moléculas de CO2, CO e H2O para esta camada de “chama piloto” garante uma chama sustentada em qualquer estado, com mínimas razões de combustível e ar, e sob repentinas flutuações de fornecimento de combustível.

Moléculas de combustível e oxigênio movem-se em oposição às moléculas “quentes” que se movem do vórtice para a mistura de combustível e ar por difusão. Esta é a difusão por concentração. As moléculas de nitrogênio se difundem do vórtice para a mistura de combustível e ar em uma quantidade muito pequena {difusão térmica), e a maior parte do nitrogênio não se movimenta da mistura de combustível e ar para 0 vórtice, pois as concentrações de nitrogênio no vórtice e na mistura de combustível e ar são substancialmente as mesmas. Uma parte do combustível que alcança a camada de interface entre 0 fluxo do vórtice e 0 fluxo de combustível e ar é ignitada, visto que a maior parte do combustível naquela camada está sendo reformada. As moléculas primárias (“quentes”) de CO, bem como uma parte do hidrogênio, permanecem na camada de interface.

Algumas moléculas que permanecem são oxidadas a C02e H20 com retorno para a mistura de combustível e ar. A maior parte das moléculas primárias (“quentes”) de CO e hidrogênio retornam à mistura de combustível e ar na forma de CO e H2. Elas formam a “força de ataque” do vórtice. As moléculas “frias” (obtidas como um resultado da reforma), assim chamadas CO, H2 bem como 0 oxigênio, se movimentarão para 0 centro do vórtice (elas têm menor inércia por causa de uma menor velocidade de movimentação térmica). Nem todas elas irão para 0 centro. Uma parte delas será oxidada a C02 e H20 no seu caminho para 0 centro, e retornarão pelas forças centrífugas para a periferia do vórtice (pela difusão inercial), e assim por diante.

Este processo é ilustrado nas Figuras 1 e 1 A, nas quais os pontos representam moléculas “quentes” de CO, CO2, H2O e H2 e os sinais positivos representam moléculas de combustível “frias” e oxigênio. As setas mostram as direções do movimento das moléculas como descrito acima, e o ponto no qual o fluxo de recirculação em vórtice e o fluxo de entrada da mistura de combustível e ar se encontram é mostrado como “0”.

Uma vista ampliada, esquemática e parcial da camada de interface entre o fluxo de recirculação em vórtice e o fluxo de entrada da mistura de combustível e ar é mostrado na Figura 1A. Os símbolos “X" representam o CO formado pela reforma, transportado na camada periférica do vórtice. A Figura mostra o CO sendo difundido na mistura de entrada de combustível e ar na zona de entrada, auxiliando fortemente a combustão. Como se deve observar, embora a velocidade V2 do fluxo de recirculação em vórtice seja maior que aquela do fluxo da entrada da mistura de combustível e ar Vi, a velocidade V3 da camada periférica do fluxo de recirculação em vórtice é muito menor do que aquela do fluxo de entrada da mistura de combustível e ar (há um gradiente de velocidade a partir da superfície, e a velocidade média nesta camada está na faixa de aproximadamente 1/5 de Vi).

Os processos que ocorrem na camada da interface são ilustrados no gráfico da Figura 2. Pode-se observar que o nível de combustível (CH4) decai com o tempo, mas a temperatura (T) permanece quase inalterada (ela não aumenta como normalmente aumentaria em combustores convencionais) pois uma reforma intensiva de combustível está ocorrendo, com formação tanto de moléculas "quentes" quanto “frias. A temperatura T começa a aumentar aproximadamente depois de um lapso de 2/3 do tempo de contato ou, nesta incorporação, aproximadamente 0,7 a 0,8 m após o encontro dos dois fluxos. O meio atualmente preferido para conduzir o método de combustão de acordo com a invenção é um combustor projetado para atender as seguintes dimensões: I onde: r é o raio da superfície circular (ver a Figura 6); a é a distância entre a entrada e a saída do espaço de combustão; b é a altura da seção de entrada; c é a máxima dimensão do espaço de combustão na direção do raio r, d é a altura da seção de saída.

Se d for maior do que 2.2 b, a área da seção transversal do bocal térmico será muito grande, e a velocidade do fluxo de combustível e ar que confere o impulso inicial no vórtice não será alcançado. Se c for maior do que 2r + b, a área da seção transversal será muito grande, a velocidade do fluxo de combustível e ar não será alcançada, seu efeito no vórtice será reduzido e a velocidade do vórtice na área de sua interface com o fluxo de combustível e ar será muito baixa. Preferencialmente, a área da seção transversal de saída não é maior do que 2,2 vezes a área de seção transversal de entrada. Quando for desejado mudar para o modo operacional no qual o reator funciona como um reformador, a área da seção transversal da entrada é reduzida com relação à área da seção transversal de entrada utilizada no modo operacional no qual o reator funciona como uma câmara de combustão. A dimensão a determina o tempo de contato do vórtice com o fluxo de combustível e ar. Preferencialmente, este tempo não deverá ser superior a 1 min. A dimensão a pode ser obtida com base na velocidade de entrada do fluido na entrada, preferencialmente de 10 a 20 m/s.

Quando mistura fresca de combustível e ar é aquecida (com aumento de temperatura de aproximadamente 150°C), o que normalmente ocorre quando a mistura é aquecida com gases quentes recirculados em um combustor convencional antes da ignição, há normalmente uma não-uniformidade do perfil de temperatura dentro do fluxo de combustível e ar. A não-uniformidade de temperatura pode sertão elevada quanto 100%, o que significa que jatos individuais do fluxo podem permanecer praticamente à mesma temperatura que a do fluxo de ar antes de entrar no combustor. A não- uniformidade da temperatura será aproximadamente a mesma no final da combustão do combustível. Se a temperatura de saída do combustor deveria ser aproximadamente 1.200°C, temperaturas dentro do fluxo podem ser tão elevadas quanto 1.500°C, devido à não-uniformidade mencionada acima. Ainda que os níveis de N02 a 1.200°C possam ser aceitáveis, as emissões de óxido nitroso a altas temperaturas são substancialmente maiores. Isto é ilustrado na Figura 3, onde a Curva I mostra as emissões de óxido nitroso para uma camada mais quente da mistura de combustível e ar e a Curva 11 mostra as emissões de óxido nitroso para uma camada mais fria de mistura de combustível e ar. Pode ser observado que ο N02 pode estar no nível de 1 ppm e 10 ppm e maior no mesmo combustor. A Curva lll mostra um caso para perfil uniforme de temperatura na mistura de combustível e ar aquecido antes da ignição.

Tentativas de eliminar a não-uniformidade da temperatura ao trazer mais gases quentes para o fluxo fresco de combustível e ar resultam no fato de que a parte da mistura de combustível e ar que recebe mais produtos da combustão será aquecida a uma temperatura menor do que o restante da mistura que recebe menos produtos de combustão, contrariamente ao que pode ser esperado. Isto é explicado pelo fato de que excessivas quantidades de produtos quentes de combustão causam mais reforma intensiva de combustível, que é a causa da redução de temperatura. Este fenômeno torna-se mais pronunciado com uma mistura pobre de combustível e ar, de forma que as áreas de fluxo com níveis de combustível mais elevados diminuirão ainda mais a temperatura devido às elevadas taxas de reforma. Isto pode ser visto na Figura 4, que mostra a temperatura no fluxo de mistura de combustível e ar versus a velocidade periférica do vórtice. Pode ser visto que o aumento da temperatura no fluxo de combustível e ar aumenta até que a velocidade periférica do vórtice torna-se 1,2 a 1,25 vezes a velocidade do fluxo de fluido de entrada, e após esse ponto a temperatura diminui, independentemente das grandes quantidades de energia térmica injetada no fluxo de fluido de entrada.

Será, dessa forma, aparente que a não- uniformidade de temperatura descrita acima permanece dentro do fluxo de combustível e ar até o momento da ignição. Quando a mistura de combustível e ar ignita, as partes mais frias queimarão antes e se tornarão mais quentes que a parte que era mais quente antes da ignição. Com as velocidades periféricas do vórtice, que são desejáveis para a redução de emissões, a não-uniformidade de temperatura dentro da mistura de combustível e ar em queima (após a ignição) se tornará maior devido ao efeito de reforma mencionado acima. Isto é explicado pelo fato de que as partes mais quentes da mistura de combustível e ar estarão ainda queimando após a queima da parte mais fria da mistura ter sido realizada. A não-uniformidade de temperatura neste momento pode ser tão elevada quanto 500°C. A diferença acima mencionada entre os processos de combustão é explicada pela diferente química de combustão nos jatos do fluxo com diferentes temperaturas, Uma vez que os jatos mais frios contêm mais produtos de combustão, a taxa de oxidação de CO nesses jatos é determinada pela equação de reação química de primeira ordem, bem conhecida pelos especialistas na arte: - x é o nível atual de CO nos produtos de combustão (mol); - ai é o nível inicial de CO (mol); - k é a constante cinética de reação (2,15 mol/s); - bi é o coeficiente de temperatura; -t éo tempo de combustão (s).

Os jatos mais quentes do fluxo, que contém menos produtos de combustão, queimam de acordo com uma equação de reação química de segunda ordem, que reflete o efeito da transferência de massa por difusão no processo de combustão em tais jatos: (2) onde: - x, a2, b2, k e t, têm os mesmos significados de x, ai.bi.ket; - Deff, é o coeficiente de difusão efetiva (mol/cm2.s); - m, é o coeficiente de colisões não binárias (cm'1.s'1).

Os trabalhos destas duas equações são explicados com a referência da Figura 5 mostrando as concentrações de CO e CH (%) versus o tempo de combustão. A Curva I representa a cínética que é descrita pela equação (1) e pode-se observar que o combustível queima rapidamente, com um breve tempo de combustão, o que é bom para abaixar as emissões de NOx, com níveis mínimos de CO ao mesmo tempo, A Curva II ilustra a cínética descrita pela equação (2), e pode-se observar que o processo de combustão exige mais que o caso anterior, o qual, acoplado com temperatura de combustão mais elevada, aumenta para elevadas emissões de NOxe queima muito baixa de CO. Deve-se observar que a Curva II é fornecida com a hipótese de uma mistura homogênea de combustível e ar, o que é um caso ideal. Com as mistura de combustível e ar obtidas nos combustores in arte anterior, o resultado seria ainda muito pior.

Para eliminar as desvantagens acima da arte anterior, é necessário aumentar a temperatura do fluxo de ar principal bem próximo à entrada da zona de combustão, uniformemente sobre a seção transversal da entrada onde o fluxo de fluido é admitido para o combustor. É importante que substancial parte de todo o corpo do fluxo de entrada tenha recebido substancialmente a mesma quantidade de energia térmica antes de entrar na zona de combustão. Se este for o caso, as condições de reforma do combustível sobre o corpo inteiro da mistura de combustível e ar serão substancialmente as mesmas. A vantagem deste método é apresentada a seguir. Uma vez que o fluxo ignitado não tinha a não-uniformidade de temperatura antes da ignição da mistura de combustível e ar, a combustão ocorre substancialmente à mesma temperatura sobre todo o corpo do fluxo e, neste caso, a temperatura do setpoint máximo de projeto na saída do combustor será, por exemplo, 1.200°C, e a temperatura não pode estar acima deste nível em nenhum ponto dentro do combustor. É sabido que esta é a temperatura de mínima formação de NO2 e queima mais intensiva de CO. Isto permite que um combustor seja projetado para a temperatura de combustão que equivale à TIT quando utilizado em um motor de turbina a gás. O perfil uniforme de temperatura na zona de combustão garante a ausência de pontos quentes e áreas localmente superaquecidas no combustor, dessa forma tornando 0 combustor mais barato e mais simples de fabricar, além de estender a sua vida útil. A uniformidade do perfil de temperatura no fluxo de entrada permite que 0 combustor trabalhe bem utilizando a equação (1) ou (2). Como mostrado na Figura 4, com a velocidade periférica do vórtice de até 1,2 vez a velocidade do fluxo de fluido de entrada, 0 processo de combustão ocorre predominantemente pela equação (2) com baixas emissões de NOx na saída do combustor e relativamente baixas emissões de CO. Com as razões de velocidade entre 1,4 e 2, as emissões de NOx e CO na saída do combustor serão baixas (ver a Figura 5). É preferido que a temperatura do ar para combustão seja aumentada em 50°C a 550°C na zona de entrada. Se as exigências de emissão de CO não forem muito rigorosas, um aumento de temperatura maior pode ser utilizado, 0 que simplifica muito 0 projeto do combustor. Neste caso, a equação (2) determinará a operação do combustor, e 0 processo não exigirá grandes quantidades de gases quentes recirculados, 0 que diminui a carga térmica nos componentes do combustor. Se for exigido um baixo nível de CO, então 0 aumento de temperatura pode ser diminuído, mas a razão da velocidade periférica do vórtice na área próxima à entrada mas fora da camada fronteiriça para a velocidade do fluxo principal de entrada entrando na zona de fluxo principal deverá ser aumentada, trabalhando dentro da faixa de 1,4 a 2,2. Neste caso, 0 combustor trabalha com a equação (1), novamente com baixas emissões de NOx, e os níveis de CO são significativamente reduzidos, como mostrado na Curva 1 da Figura 5. A razão da velocidade periférica do vórtice na área próxima à entrada mas fora da camada fronteiriça pela velocidade do fluxo de fluido principal de entrada entrando na zona de fluxo principal varia de 1,4 a 2,2. Como mostrado acima, há uma relação entre esta razão e o aumento de temperatura no fluxo de fluido de entrada. Como pode ser visto na Figura 4, há duas áreas, uma dominada pela equação (2) e outra dominada pela equação (1). Uma área de transição aproximadamente entre os valores de razão de 0,8 e 1,5 é descrita por ambas equações (1) e (2), nas quais os níveis de NOx serão maiores que os níveis nas áreas à direita e à esquerda, e o nível de CO será maior somente comparado à área à direita. Esta área transacional ocorrerá, por exemplo, em condições provisórias, e pode ser eliminada, por exemplo, alterando a razão de velocidade (por exemplo, alterando a seção transversal de entrada ou o ângulo β no ponto de separação). O combustor (10) de acordo com a invenção pode ser feito com um dispositivo para provocar turbulência posicionado após a saída do espaço de combustão para melhorar as condições para a oxidação do CO residual. Em tal caso, o combustor (10) pode trabalhar de acordo com a equação (2) com uma temperatura de combustão menor e ainda ter um bom desempenho de emissão de CO. A mesma instalação pode ser utilizada quando trabalhar de acordo com a equação (1) a fim de reduzir ainda mais o nível de CO.

Figura 6 mostra um combustor de acordo com a invenção aplicado como um queimador, uma vista de seção transversal. Como mostrado na Figura 7, o combustor tem um projeto alongado, e pode ser feito com um comprimento exigido para cobrir, por exemplo, uma parede de forno para uma caldeira. O combustor (10) tem uma facilidade definida por uma parede (12) (que também pode funcionar como uma camisa). A parede 12 e as paredes externas (14) (somente uma, a parede direita (14) é mostrada na Figura 7) definem um espaço de combustão (16), no qual ocorre a combustão do combustível, O espaço de combustão (16) tem uma entrada (18) e uma i salda (20) espaçadas uma da outra, e é entendido que o fluido (por exemplo, ar sob pressão) é admitido a uma velocidade V1 para o espaço de combustão (16) através da entrada (18) e movimenta-se através do espaço de combustão 16 em direção à saída (20) para ser utilizado em um dispositivo (não mostrado) posicionado após o combustor (10). De acordo com a invenção, o espaço de combustão tem uma parede circular (21) que define um caminho para o fluxo de recirculação em vórtice, o qual é separado do fluxo de fluido que é descarregado através da saída (20) do espaço de combustão (16). Uma parte do fluxo de fluido é separada do fluido antes que tenha sido descarregada do espaço de combustão (16) através da saída (20) no ponto de separação (22), e a superfície circular (21) estende-se entre o ponto de separação (22) e a área de entrada (24) dentro da qual a entrada (18) está localizada. O termo “circular1’ é utilizado aqui com o significado “ter uma forma ou contorno exato ou aproximado de um círculo" (Webster's Third New International Dictionary of the English Language, Merriam-Webster, Inc.). É entendido que o círculo exato é preferido para os propósitos da invenção, mas uma forma que se aproxime de um círculo, como uma elipse ou similar, também pode ser utilizada para alcançar os objetivos da presente invenção. O fluxo de fluido de entrada move-se através do espaço de combustão (16) ao longo de um caminho mostrado pela linha O-O. O ângulo α entre a direção do movimento da entrada de fluxo de fluido e uma porção (26) da parede (12) na entrada (18) ou a direção do vórtice de recirculação na entrada (18) é preferencialmente entre aproximadamente 85° e 175°, e é mostrado aqui como um ângulo reto. A função deste ângulo será descrita a seguir. O ângulo β entre a direção do movimento do fluxo de fluido de entrada 0-0 e o plano tangente T-T para a parede (12) no ponto de separação/retirada (22) ou a direção do vórtice de recirculação no ponto de retirada (22) é preferencialmente entre aproximadamente 100° e 15°. A função deste ângulo será explicada abaixo. As dimensões a, b, c, d e r são explicadas acima na descrição do método de combustão de acordo com a invenção.

Este combustor funciona da seguinte maneira. O fluido como ar para combustão é admitido através da abertura de entrada (18), por exemplo, a partir de um soprador ou compressor, e é entendido que o ar pode ser admitido com combustível já pré-misturado, ou o combustível pode ser fornecido independentemente no fluxo de fluido na entrada (não mostrado). Este fluido admitido através da entrada 18 movimenta-se em uma direção geral 0-0 em direção à saída (20) a partir do espaço de combustão 16, e a velocidade inicial deste fluxo de fluido é Vi. 0 combustível é ignitado através de um ignitor (que não é mostrado e que pode ser instalado, por exemplo, antes da entrada (18) ou dentro do espaço de combustão (16) e inicia a queima dentro do espaço de combustão (16), resultando na formação de produtos quentes de combustão, que são descarregados através da saída (20), por exemplo, para utilização em uma caldeira ou qualquer outro dispositivo de troca térmica.

Preferencialmente, o ignitor não deverá ser disposto dentro do vórtice de recirculação, para evitar a interferência com o fluxo naquela área. Em uma incorporação de pote combustor, tubos de queima cruzada podem conectar os potes no ponto de cada pote além da área de recirculação, ou antes da área de recirculação (mas não dentro da área de recirculação, como é algumas vezes convencionalmente praticado). Alternativamente, o ignitor podería ser mesmo disposto dentro da câmara de recirculação se for adaptado de forma a não interferir substancialmente com o fluxo.

Antes que os produtos de combustão (gases quentes) deixem o espaço de combustão (16), uma parte deles é separada no ponto de separação ou retirada (22) do fluxo principal movendo-se geralmente ao longo da linha 0-0, para formar um fluxo de recirculação em vórtice mostrado pela seta (28) na Figura 6. Este fluxo tem uma velocidade V2 que depende das razões entre as dimensões internas do espaço de combustão (16) e também do caráter do fluxo de recirculação em vórtice ao iongo da superfície circular (21), Com ângulo β entre a direção do movimento do fluxo de fluido 0-0 e 0 plano tangente T-T com a parede (12) no ponto de separação (22) de 45°, 0 grau de turbulência do fluxo em vórtice ao longo da superfície circular 21 será aproximadamente 0,008, e se 0 ângulo β for aproximadamente 100°, 0 grau de turbulência será aproximadamente 0,2. O valor preferencial do ângulo β é aproximadamente 65° para um grau de turbulência de aproximadamente 0,03 a 0,025. Será entendido que os baixos valores de grau de turbulência acima fornecidos podem ser obtidos somente se a superfície circular (21) (pelo menos sobre a porção maior da sua superfície começando a partir do ponto de separação (22) e estendendo-se em direção à entrada (18) for polida, ou seja, sem nenhum orifício, reentrância, protuberância, entradas de fluido e similares. Qualquer irregularidade dessa natureza na superfície causaria positiva e inevitavelmente distúrbios ao fluxo em vórtice ao longo da superfície (21), tornando turbulento, e aumentando o grau de turbulência, acima dos limites anteriormente mencionados, para 0,2 e mesmo superior, tornando-o similar àquele que existe nos combustores convencionais de vórtice aprisionado. O grau de turbulência pode ser aumentado (dentro dos limites acima especificados) a fim de aumentar a temperatura do vórtice quando a aplicação exigir. O ângulo α é selecionado dentro da faixa de 85° a 175°, com base nas condições sob as quais o fluxo de recirculação em vórtice encontra a entrada de fluxo de fluido na zona (24) da entrada (18). Um aumento no valor deste ângulo resulta em uma menor turbulência dos dois fluxos quando eles se encontram.

Quando o fluxo de recirculação em vórtice tendo uma velocidade V2 encontra a entrada de fluxo de fluido tendo uma velocidade V1 na zona de entrada (V2 > Vi), os dois fluxos definem uma camada de interface entre si, como descrito em detalhes acima para ilustrar os processos que ocorrem no espaço de combustão (16).

Será entendido que a velocidade V2 é maior que a velocidade V1 como descrito acima por causa do efeito de bocal térmico descrito acima, e por causa do baixo grau de turbulência ao longo da parede circular (21) e ausência de elementos que causam turbulência ao longo deste caminho, e a elevada velocidade V2 permanece mais alta que a velocidade V1 até o momento em que os dois fluxos se encontram na zona de entrada, i A Figura 8 mostra uma vista transversal esquemática parcial de um combustor anular de acordo com a invenção, com as partes idênticas mostradas nos mesmos números de referência das Figuras 6 e 7, com a adição de (100), Nesta incorporação, a superfície (130) ao longo da qual os fluxos de fluido de entrada tem uma porção (132) na entrada (118), que é inclinada com relação à direção geral 0-0 da entrada de fluxo de fluido num ângulo γ de aproximadamente 0o a 15o. Este projeto pode ser utilizado em aplicações nas quais é exigida a manutenção da razão entre as velocidades V1 e V2, e o tamanho radial do combustor é limitado. Em tal caso, a velocidade V1 não pode ser diminuída pelo aumento da área da seção transversal de entrada simplesmente através do alargamento da dimensão b, porque isto resultaria em um fluxo de entrada que interferiría com o fluxo de recirculação em vórtice de baixa turbulência. Utilizando um ângulo γ superior a 0o, a dimensão b é deixada praticamente inalterada, mas a área da seção transversal do fluxo é ampliada, sem interferir no fluxo de recirculação em vórtice. Para o restante, esta incorporação funciona na mesma linha da incorporação descrita acima com referência às Figuras 6 e 7. A Figura 9 é uma vista da seção longitudinal do combustor anular projetado na mesma linha da Figura 8, com as partes idênticas mostradas com os mesmos números de referência das Figuras 6 e 7, com a adição de (200). A diferença aqui é que o ângulo α é aumentado, fornecendo condições de turbulência muito suavemente baixas para os dois fluxos (o fluxo de recirculação em vórtice e a entrada de fluxo de fluido) para diminuir o nível de CO. A Figura 10 mostra uma incorporação do combustor mostrado na Figura 8, com as partes idênticas mostradas com os mesmos números, com a adição de (300), para ilustrar como as incorporações do combustor mostrado nas Figuras 8 e 9 são utilizadas conjuntamente. Pode ser visto aqui que o ângulo γ é superior a 0o, e o ângulo α é superior a 90°. Com o combustor de acordo com a invenção assim projetado, o nível de CO pode ser reduzido com um pequeno tamanho radial do combustor. A Figura 11 mostra um pote combustor projetado de acordo com a invenção. As partes idênticas são mostradas com os mesmos números de referência, com a adição de (400). A diferença aqui é que o fluxo de entrada é admitido na direção radial e move-se ao longo de um caminho curvado 01-01. A parede (434) que define a superfície (430) pode ser movimentada (da esquerda para direita ou vice-versa no desenho) em uma conexão guia (436). Isto permite que o mesmo combustor seja utilizado em diferentes aplicações pois ao mudar as condições de entrada, a razão das velocidades V1 e V2 pode ser alterada, mudando, assim, a temperatura máxima de projeto do combustor. A parede (434) também pode ser configurada para movimentar-se durante a operação do combustor (10) (através de um mecanismo que não é mostrado), e em tal caso, a temperatura máxima do combustor (10) podería ser variada, por exemplo, dependendo das condições de carga.

As Figuras 12 e 13 mostram incorporações do combustor de acordo com a invenção, com modificações da entrada (18). Como mostrado na Figura 12, a abertura de entrada projeções radiais internamente estendidas 13 espaçadas ao longo da circunferência da abertura, e na Figura 13, a abertura de entrada tem uma reentrância radial (15) espaçada ao longo da circunferência da abertura.

Em ambos casos, as projeções e reentrâncias garantem a estruturação da superfície periférica do fluxo de fluido de entrada pelo aumento da área de sua superfície. Isto permite que a área superficial de contato entre o fluxo de fluido periférico de entrada e o fluxo de recirculação em vórtice seja ampliada com a mesma razão entre as velocidades V1 e V2 dos dois fluxos. Com esta configuração, o combustor pode ser menor, ou a interação entre os dois fluxos pode ser intensificada com o mesmo comprimento de combustor. A Figura 14 mostra uma vista da seção longitudinal de um motor de turbina a gás incorporando um combustor anular de acordo com a invenção, no qual as partes idênticas são mostradas com os mesmos números de referência, com a adição de (500). O combustor anular (510), o qual é geralmente construído de modo similar ao combustor mostrado e descrito com a referência da Figura 11, é montado em um motor de turbina a gás, do qual uma turbina (540) com um conjunto de bocais (541) são mostrados, montado em um eixo (542). 0 ar é fornecido para o combustor através de um duto (519) de um compressor (não mostrado) para a entrada 518 do espaço de combustão (516). A entrada (518) tem um difusor (544), que mantém um redemoinho residual circunferencial que foi formado para o fluxo de ar a fim de ampliar a interação entre a superfície periférica do fluxo de ar de entrada e o fluxo de recirculação em vórtice (528) no espaço de combustão (516). O combustível é admitido no espaço de combustão (516) através das portas (546) para pré-mistura com o ar, É entendido que o combustível pode ser pré-misturado com o ar antes do combustor. Uma entrada adicional para o combustível e/ou ar é fornecido na porção da parede (526), na zona de entrada (524), como mostrado em (548) a fim de modificar a composição do fluxo de recirculação em vórtice até antes de ele encontrar a periferia do fluxo de ar admitido através da entrada (518). Se o combustor for projetado para trabalhar numa baixa temperatura de combustão temperatura, ou seja 1.000°C, a adição de ar e combustível através das portas (548) resultará no aumento da temperatura para, por exemplo, 1.500°C.

Se, pelo contrário, o combustor for projetado para trabalhar a uma temperatura de 1.500°C, uma temperatura inferior, ou seja 1.000°C, pode ser obtida pelo fornecimento adicional de ar através das portas (548). Ambos, ar e combustível, podem ser fornecidos através das portas (548) em quantidades controladas e em razões controladas a fim de manter o combustor em qualquer temperatura desejada ao redor de um certo setpoint sob condições de carga flutuantes. O combustor tem uma outra entrada para ar de combustão (550) para adicionar ar fresco (por exemplo, oxigênio) aos produtos de combustão, que são separados do fluxo de gases quentes descarregados através da saída (520) para utilização na turbina (540). Se a razão de equivalência for muito baixa, o fluxo de exaustão necessita mais oxigênio para oxidar o CO.

Se o combustor trabalhar com uma razão de equivalência muito elevada, o fluxo de exaustão conterá produtos da oxidação incompleta de componentes do combustível, CH e CO, e a adição de ar fresco neste caso acentuará as reações de oxidação, até aumentando a temperatura do gás de exaustão.

Deve-se acrescentar que a adição de ar através das portas (550) cria turbulência no fluxo de exaustão e amplia a combustão de CO. O conjunto de bocais (541) também causa turbulência no fluxo de exaustão. Será evidente que dispositivos especiais para a geração de turbulência, bem conhecidos pelos especialistas da arte, podem ser instalados após a saída do espaço de combustão.

Será entendido que as etapas acima descritas de adição de ar e/ou combustível através das portas (548) e a adição de ar através das portas 550 podem ser alcançadas com a utilização de um sistema de controle que tenha sensores de temperatura e/ou carga e dispositivos adequados de controle para variar, ligar ou desligar os suprimentos adicionais de ar e combustível para o combustor, utilizando métodos e equipamentos bem conhecidos pelos especialistas da arte. A Figura 15 mostra uma vista da seção longitudinal de uma outra incorporação de um motor de turbina a gás que incorpora um combustor anular de acordo com a invenção. Esta incorporação utiliza um compressor centrífugo (600) e uma turbina centrípeta (610) em um disco de rotor comum (612) montado num eixo (614) encaixado em um invólucro (615). Um combustor (616) de acordo com a invenção tem um invólucro (618) e uma camisa (619) definindo o espaço de combustão (620) que tem uma entrada (622) no lado do compressor e uma saída (624) no lado da turbina. O combustor tem um ignitor (626). Uma parede de separação entre o compressor (600) e a turbina (610) tem uma superfície circular (630) para o fluxo de recirculação em vórtice, estendendo-se entre o ponto de separação (632) na saída (624) e entrada (622) do espaço de combustão (620). Será evidente a partir da Figura 16 (a qual é uma vista cortada a partir da seta XVI da Figura 15) que um fluxo de recirculação em vórtice formado por uma parte dos produtos de combustão move-se ao longo da linha 02-02, seta (634), estará, neste caso, localizado dentro do fluxo de entrada, movendo-se ao longo do caminho 02-02 na mesma direção, como mostrado no desenho.

Com as condições de turbulência do fluxo em vórtice sendo as mesmas descritas acima para as incorporações anteriores, a vantagem adicional aqui é que este fluxo move-se sobre um lubrificante gás” fornecido pelo fluxo de mistura de combustível e ar, o que reduz tanto as perdas hidráulicas quanto as térmicas. Como pode ser visto na Figura 17, a superfície circular (630) é dividida em segmentos por hélices (636), mostradas na Figura 16, que transformam a velocidade circunferencial do fluxo de fluido sobre o eixo longitudinal 03-03 do motor na velocidade de vórtice V2.

Deve-se observar que a razão da velocidade do vórtice para a velocidade do fluxo de entrada (V2/V1) tem um efeito no nível de CO nos gases de exaustão. A Figura 18 mostra a concentração de CO versus o tempo de residência (min) para três diferentes valores da razão V2/V1. Pode ser visto que a melhor solução é ter a mais elevada razão de velocidade, ou seja 2,2, mas neste caso, a temperatura máxima alcançável diminui. Isto significa que, para aplicações que exijam altas temperaturas na saída do combustor (10), a razão de velocidade deverá ser reduzida, com subseqüente aumento na concentração de CO.

Os métodos que podem ser utilizados para controlar concentrações mais elevadas de CO foram discutidos acima.

Protótipos de combustores anulares de acordo com a invenção foram fabricados e testados. Um combustor #1 tinha uma capacidade de 760 cm3 e a combustão ocorreu com a máxima velocidade possível V2. A temperatura máxima no combustor foi aproximadamente 1,650°C. 0 outro combustor #2 tinha uma capacidade de 690 cm3 e a combustão ocorreu com a velocidade preferencial V2, garantindo a temperatura máxima de aproximadamente 1.260°C. O combustor tinha as seguintes especificações: Diâmetro interno 100 mm Fluxo 0,06 kg/s Pressão 1,2 kg/cm2 Tsaída 650-1.260°C

Os testes conduzidos na queima de gás natural forneceram os resultados apresentados a seguir: - O combustor garantiu uma ignição estável sem uma composição especial de mistura de combustível de partida. - O combustor garantiu uma partida a frio estável, sem nenhum aquecimento preliminar. - O metal dentro do combustor não mostrou nenhum sinal de dano após 500 ciclos de partida. - Combustão estável em toda a faixa de condições de combustão com razões de equivalência de 0,7 a 0,17.

Nenhum material particulado visível foi observado na exaustão durante todo o período de testes com razões de equivalência de 0,7 a 0,17.

Alguns resultados dos testes são fornecidos abaixo.

Tabela 1 - Resultados dos testes de emissão para o combustor protótipo #1 (760 cm3) Nota: todos os dados nas Tabelas 1 a 4 referem-se a 15% de 02.

Tabela 2 - Resultados dos testes de emissão de CO para o combustor protótipo #2 (690 cm3) Tabela 3 - Resultados dos testes de emissão de NOx para o combustor protótipo #2 (690 cm3) (Analisador de Gás HCLD 400) Tabela 4 - Resultados dos testes de emissão de NOx utilizando um Analisador de Gás mais preciso API200A; combustor protótipo #2 (690 cm3) Os combustores protótipos foram testados com um combustível com a seguinte composição: Metano 15-22% abs.

Nitrogênio 10-30% Dióxido de carbono 20-25% Água (vapor) até 40% Outros gases até 7% Os resultados dos testes foram os mesmos daqueles mostrados acima para o combustível gás natural.

Utilizando uma razão normal equivalente para um combustor concreto, por exemplo, na Figura 22, a reação direta de combustão predomina sobre a reação reversa.

Entretanto, as reações reversas de reforma de combustível ocorrem na cobertura do vórtice e, neste caso, o processo é acompanhado pela redução de temperatura do vórtice e como um resultado causa uma redução da temperatura das paredes do combustor (ao longo da corrente de gás) - ver a Tabela 6.

Deve-se observar que uma mudança na concentração de CH4 e 02 nas camadas de interface do fluxo em vórtice com o fluxo de combustível e ar influencia não apenas o processo de transferência de energia térmica, mas também a direção da reação (direta ou reversa).

Se a concentração de CH4 for maior que a normal para a combustão da mistura de combustível e ar (como resultado de um coeficiente de equivalência aumento comparado ao valor de setpoint de projeto), os processos de reforma de combustível serão preferencialmente iniciados nas camadas de interface.

Isto, em combinação com as especificidades do fornecimento de oxigênio para o vórtice, resultarão na diminuição da temperatura periférica do vórtice e, como consequência, a temperatura das moléculas que seguem para a parte central do vórtice também cairá.

Ambos processos, que ocorrem de forma simultânea, resultariam em uma diminuição da temperatura do vórtice para um valor subcrítico, resultando em uma falha de combustão.

Esta é uma razão pela qual o problema de combustão estável de uma mistura pobre não podería ser resolvido por simples mistura mecânica do fluxo de vórtice e do fluxo de mistura de combustível e ar, como foi realizado antes, porque o fornecimento de energia térmica para a mistura de combustível e ar em tal caso é acompanhado por um aumento concorrente no fornecimento de C02 e H20 (resultando em reforma intensificada de combustível), com uma diminuição na temperatura do vórtice e da mistura de combustível e ar.

Entretanto, devido às reações que ocorrem na camada fronteiriça da “interface” da presente invenção, um combustor (10) de acordo com a presente invenção pode ser estavelmente operado sob tais condições - ver a Tabela 7.

Tal “modo de reforma” pode ser estável e continuamente conduzido, mesmo sem a presença de uma chama.

Tabela 5: Resultados do teste de estabilidade do combustor #2 (690 cm3) com uma camisa de metal (X) (testes realizados com gás combustível). * Litro padrão por minuto. A razão de equivalência não foi determinada. Somente o fluxo de combustível foi modificado e o fluxo de ar permaneceu inalterado. ** 60 l/min = consumo preferencial de combustível para combustor de 690 cm3. Tabela 6 : Resultados do teste de estabilidade do combustor #2 (690 cm3) com uma camisa de metal (testes realizados com gás combustível).

Nota: as temperaturas do metal foram medidas na superfície externa do metal pois a camisa não tinha nenhum resfriamento.

Tabela 7: As incorporações preferidas da invenção foram descritas acima. Entretanto, entende-se que há várias modificações e mudanças possíveis para as incorporações aqui apresentadas, sem desviar-se do espírito e do escopo da invenção definida nas reivindicações anexas.

Claims (37)

1a)“APARELH0 E MÉTODO DE COMBUSTÃO PARA A REALIZAÇÃO DE COMBUSTÃO”, caracterizado por um combustor (10) compreendendo: um reator (16); uma entrada para admissão (18) do fluxo principal do fluido para tal reator (16); uma saída para descarga (20) do fluido aquecido de tal reator (16); tal reator (16) posicionado entre tal entrada(18) e tal saída (20) e compreendendo uma zona de fluxo principal, através da qual a maioria de tal fluxo principal passa ao longo do caminho do fluxo principal, e uma zona de recirculação, através da qual uma porção menor de tal fluxo principal passa; no qual tal zona de recirculação é definida em parte por uma parede (12) tendo uma superfície interna (21) curvada em uma direção em um modo substancialmente contínuo e seguindo desde o ponto de retirado próximo a tal saída para um ponto de retorno próximo a tal entrada, tal superfície interior sendo configurada e posicionada com relação a tal caminho de fluxo principal de modo a desviar parte do fluido em tal caminho de fluxo principal em tal ponto de retirada para formar um fluxo de recirculação em vórtice em tal zona de recirculação durante a operação de tal reator (16); e no qual tal superfície interna (21) é adicionalmente caracterizada por uma ausência de descontinuidades de forma a gerar um movimento substancialmente sem distúrbios da camada fronteiriça ao longo da periferia de tal fluxo de recirculação em vórtice.

2a)“APARELHO E MÉTODO DE COMBUSTÃO PARA A REALIZAÇÃO DE COMBUSTÃO” de acordo com a reivindicação 1, onde o combustor (10) é caracterizado pelo volume de tal zona de recirculação não ser inferior ao volume de tal zona de fluxo principal, no modo operacional no qual o reator (16) funciona como uma câmara de combustão.

3a)“APARELHO E MÉTODO DE COMBUSTÃO PARA A REALIZAÇÃO DE COMBUSTÃO” de acordo com a reivindicação 1, onde o combustor (10) é caracterizado pelo volume de tal zona de recirculação não é inferior ao dobro do volume de tal zona de fluxo principal, no modo operacional no qual o reator (16) funciona como um reformador.

4a)“APARELHO E MÉTODO DE COMBUSTÃO PARA A REALIZAÇÃO DE COMBUSTÃO” de acordo com a reivindicação 1, onde o combustor (10) é caracterizado pelo volume do fluido entrando em tal zona de recirculação comparado com o fluido descarregado em tal saída não é inferior a sete por cento (7%) no modo operacional no qual o reator (16) funciona como uma câmara de combustão.

5a)“APARELHO E MÉTODO DE COMBUSTÃO PARA A REALIZAÇÃO DE COMBUSTÃO” de acordo com a reivindicação 1, onde o combustor (10) é caracterizado pelo volume do fluido entrando em tal zona de recirculação comparado com o fluido descarregado em tal saída não é inferior a dez por cento (10%) no modo operacional no qual o reator (16) funciona como um reformador.

6a)“APARELHO E MÉTODO DE COMBUSTÃO PARA A REALIZAÇÃO DE COMBUSTÃO” de acordo com a reivindicação 1, onde o combustor (10) é ça: racterizado pelo fluido dentro de tal camada fronteiriça ter um grau de turbulência inferior a 0,2.

7TAPARELHO E MÉTODO DE COMBUSTÃO PARA A REALIZAÇÃO DE COMBUSTÃO” de acordo com a reivindicação 6, onde o combustor (10) é caracterizado pelo grau de turbulência estar na faixa entre 0,008 e 0,01.

8a)“APARELHO E MÉTODO DE COMBUSTÃO PARA A REALIZAÇÃO DE COMBUSTÃO” de acordo com a reivindicação 1, onde o combustor (10) é ça: racterizado pela direção de tal fluxo de recirculação em tal ponto de retirada estar em um ângulo de entre 15° e 100° com a direção de tal caminho de fluxo principal no tal ponto de retirada.

9a)“APARELHO E MÉTODO DE COMBUSTÃO PARA A REALIZAÇÃO DE COMBUSTÃO” de acordo com a reivindicação 1, onde o combustor (10) é caracterizado pela direção de tal fluxo de recirculação em tal ponto de retorno estar em ângulo de entre 85° e 175° com a direção de tal caminho de fluxo princi- pal em tal ponto de retorno.

10a)“APARELHO E MÉTODO DE COMBUSTÃO PARA A REALIZAÇÃO DE COMBUSTÃO” de acordo com a reivindicação 1, onde o combustor (10) é caracterizado pela razão da velocidade de tal fluxo de recirculação em vórtice na área próxima a tal entrada mas fora da camada fronteiriça pela velocidade de tal fluxo principal entrando em tal zona de fluxo principal está na faixa de não menos do que 1,4:1, no modo operacional no qual tal reator (16) funciona como uma câmara de combustão.

11a)“APARELHO E MÉTODO DE COMBUSTÃO PARA A REALIZAÇÃO DE COMBUSTÃO” de acordo com a reivindicação 1, onde o combustor (10) é caracterizado pela razão da velocidade de tal fluxo de recirculação em vórtice na área próxima a tal entrada mas fora de tai camada fronteiriça pela velocidade de tal fluxo principal entrando em tal zona de fluxo principal está na faixa de não menos do que 2:1, no modo operacional no qual o reator (16) funciona como um reformador.

12TAPARELHO E MÉTODO DE COMBUSTÃO PARA A REALIZAÇÃO DE COMBUSTÃO” de acordo com a reivindicação 1, onde o combustor (10) é caracterizado pela camada fronteiriça ter uma profundidade de aproximadamente 1 mm quando tal fluido aquecido em tal saída tem uma temperatura de aproximadamente 1.1 oo°c

13a)“APARELHO E MÉTODO DE COMBUSTÃO PARA A REALIZAÇÃO DE COMBUSTÃO” de acordo com a reivindicação 1, onde o combustor (10) é ça; racterizado pela tal camada fronteiriça ter uma profundidade de aproximadamente 2 mm quando tal fluido aquecido em tal saída tem uma temperatura de aproximadamente 800°C.

14a)“APARELHQ E MÉTODO DE COMBUSTÃO PARA A REALIZAÇÃO DE COMBUSTÃO” de acordo com a reivindicação 1, onde o combustor (10) é caracterizado pela tal camada fronteiriça ter uma profundidade maior do que o diâmetro do núcleo central do fluido de recirculação em tal fluxo de recirculação em vórtice quando tal fluido aquecido em tal saída tem uma temperatura na faixa de 380° a 420°C.

15a)“APARELHO E MÉTODO DE COMBUSTÃO PARA A REALIZAÇÃO DE COMBUSTÃO” de acordo com a reivindicação 1, onde o combustor (10) é caracterizado pelo fluido dentro de tal fluxo de recirculação em vórtice move-se em camadas e tais camadas não são substancialmente misturadas radialmente dentro do vórtice.

16a)“APARELHO E MÉTODO DE COMBUSTÃO PARA A REALIZAÇÃO Dp COMBUSTÃO” de acordo com a reivindicação 15, onde o combustor (10) é caracterizado pela energia térmica ser transferida das zonas internas de tais camadas para as zonas externas de tais camadas.

17a)“APARELHO E MÉTODO DE COMBUSTÃO PARA A REALIZAÇÃO DE COMBUSTÃO” de acordo com a reivindicação 1, onde o combustor (10) é ca^ racterizado por apresentar uma elevada temperatura em relação às demais temperaturas dentro de tal reator (16) na intersecção de tal fluxo em vórtice periférico e tal fluxo principal passando através de tal entrada, e tal fluxo em vórtice periférico move-se na mesma direção de tal fluxo principal após tal fluxo principal passar através de tal intersecção, formando uma camada de interface entre tal fluxo em vórtice periférico e tal fluxo principal, e no qual a energia térmica é transferida do fluido em tal fluxo em vórtice periférico através de tal camada de interface e para dentro do fluido em tal zona de fluxo principal.

18a)“APARELHO E MÉTODO DE COMBUSTÃO PARA A REALIZAÇÃO DE COMBUSTÃO” de acordo com a reivindicação 17, onde o combustor (10) é caracterizado pelo fluido passando através de tal entrada, na área superficial de tal fluido próximo a tal camada de interface, é ignitado pelo contato com tal camada de interface e atua como uma chama piloto para o combustor (10).

19a)“APARELHO E MÉTODO DE COMBUSTÃO PARA A REALIZAÇÃO DE COMBUSTÃO” de acordo com a reivindicação 17, onde o combustor (10) é caracterizado pela ausência de mistura turbulenta apreciável entre o fluido em tal fluxo principal e o fluido em tal fluxo em vórtice periférico.

20a)“APARELHO E MÉTODO DE COMBUSTÃO PARA A REALIZAÇÃO DE COMBUSTÃO” de acordo com a reivindicação 17, onde o combustor (10) é caracterizado pela tal camada de interface causa um efeito de bocal térmico a ser estabelecido e mantido em tal zona de fluxo principal.

21 a)“ APARELHO E MÉTODO DE COMBUSTÃO PARA A REALIZAÇÃO DE COMBUSTÃO” de acordo com a reivindicação 17, onde o combustor (10) é caracterizado pelo fato de que tanto a combustão quanto a reforma de combustível ocorrem dentro de tal camada de interface onde tal camada de interface se encontra com tal fluxo principal, e tal combinação de combustão e reforma é mantida durante tal operação do combustor (10).

22a)“APARELHO E MÉTODO DE COMBUSTÃO PARA A REALIZAÇÃO DE COMBUSTÃO” de acordo com a reivindicação 20, onde o combustor (10) é caracterizado pela área da seção transversal de tal saída não ser superior a 2,2 vezes a área da seção transversal de tal entrada.

23a)“APARELHO E MÉTODO DE COMBUSTÃO PARA A REALIZAÇÃO DE COMBUSTÃO” de acordo com a reivindicação 1, onde o combustor (10), cuja mudança para o modo no qual o reator (16) funciona como um reformador ser caracterizada pela redução da área da seção transversal em relação a tal área da seção transversal de entrada empregada no modo operacional no qual tal reator (16) opera como uma câmara de combustão.

24a)“APARELHO E MÉTODO DE COMBUSTÃO PARA A REALIZAÇÃO DE COMBUSTÃO” cujo método é caracterizado pela reação de combustível em um combustor (10), tal combustor (10) compreendendo um reator (16); uma entrada (18) para a admissão de um fluxo principal de fluido para tal reator (16); uma saída (20) para a descarga do fluido aquecido de tal reator (16); tal reator (16) posicionado entre tai entrada (18) e tal saída (20) e compreendendo uma zona de fluxo principal e uma zona de recirculação, tal método compreendendo as etapas de: - passagem da maioria de tal fluxo principal em um caminho ao longo de tal zona de fluxo principal; - passagem de uma porção menor de tal fluxo principal em um caminho através de tai zona de recirculação, de modo a formar um o fluxo de recirculação em vórtice que retorna uma parte de fluido em tal zona de recirculação para uma área próxima a tal entrada (18); - determinação de uma camada fronteiriça de fluido de recirculação a fluir ao longo da superfície (21) da parede interna de tal zona de recirculação sem turbulência substancial; - determinação de uma porção periférica de tal fluxo de recirculação em vórtice a intersectar tal fluxo principal em uma área próxima a tal entrada (18), na qual, tal fluxo periférico tem uma velocidade maior que o tal fluxo principal; tal fluxo periférico, seguindo a área de tai intersecção, esta se movendo aproximadamente na mesma direção de tal fluxo principal; misturando tal fluxo periférico e tal fluxo principal por difusão, e não por substancial mistura mecânica; - por meio disso, formando uma camada de interface entre tal fluxo principal e tal fluxo periférico e causando uma substancial transferência de energia térmica do fluido em tal fluxo periférico através de tal camada de interface e para dentro do fluido em tal zona de fluxo principal.

25a)“APARELHO E MÉTODO DE COMBUSTÃO PARA A REALIZAÇÃO DE COMBUSTÃO” de acordo com a reivindicação 24, onde o método é caracterl· zado pelo o volume de fluido entrando em tal zona de recirculação comparado ao fluido descarregado em tal saída não é inferior a sete por cento (7%) no modo operacional no qual o reator (16) funciona como uma câmara de combustão.

26a)“APARELHO E MÉTODO DE COMBUSTÃO PARA A REALIZAÇÃO DE COMBUSTÃO” de acordo com a reivindicação 24, onde o método é caracterizado pelo o volume de fluido entrando em tal zona de recirculação comparado com o fluido descarregado em tal saída (20) não é inferior a 10 por cento (10%) no modo operacional no qual o reator (16) funciona como um reformador.

27a)“APARELHO E MÉTODO DE COMBUSTÃO PARA A REALIZAÇÃO DE COMBUSTÃO” de acordo com a reivindicação 24, onde o método é caracterizado pela tal camada fronteiriça do fluxo de fluido de recirculação ao longo de tal superfície (21) da parede interna de tal zona de recirculação tem um grau de turbulência inferior a 0,2.

28a)“APARELHO E MÉTODO DE COMBUSTÃO PARA A REALIZAÇÃO DE COMBUSTÃO” de acordo com a reivindicação 27, onde o método é caracterizado pela tal camada fronteiriça de fluxo de fluido de recirculação ao longo de tal superfície (21) da parede interna de tal zona de recirculação tem um grau de turbulência de entre 0,008 e 0,01.

29a)“APARELHO E MÉTODO DE COMBUSTÃO PARA A REALIZAÇÃO DE COMBUSTÃO” de acordo com a reivindicação 24, onde o método é caracterizado pela razão de tal velocidade mais elevada de tal fluxo em vórtice periférico pela velocidade de tal fluxo principal entrando em tal zona de fluxo principal está na faixa não inferior a 1,4:1, no modo operacional no qual o reator (16) funciona como uma câmara de combustão.

30a)“APARELHO E MÉTODO DE COMBUSTÃO PARA A REALIZAÇÃO DE COMBUSTÃO” de acordo com a reivindicação 24, onde o método é caracterizado pela razão de tal velocidade mais elevada de tal fluxo em vórtice periférico pela velocidade de tal fluxo principal entrando em tal zona de fluxo principal está na faixa não inferior a 2:1, no modo operacional no qual o reator (16) funciona como um reformador.

31a)“APARELHO E MÉTODO DE COMBUSTÃO PARA A REALIZAÇÃO DE COMBUSTÃO” de acordo com a reivindicação 24, onde o método é caracterizado por adicionalmente fazer com que o fluido dentro de tal fluxo de recirculação em vórtice mova-se em camadas, no qual tais camadas não são substan- cialmente misturadas radialmente dentro do vórtice,

32a)“APARELHO E MÉTODO DE COMBUSTÃO PARA A REALIZAÇÃO DE COMBUSTÃO” de acordo com a reivindicação 24, onde o método é caracterizado pelo a energia térmica ser transferida das camadas internas de tais camadas para as camadas externas de tais camadas.

33a)“APARELHO E MÉTODO DE COMBUSTÃO PARA A REALIZAÇÃO DE COMBUSTÃO” de acordo com a reivindicação 24, onde o método é caracteri: zado por adicionalmente fazer o fluido entrar através de tal entrada, na área superficial de tal fluido próxima a tal camada de interface, ser ignitado pelo contato com tal camada de interface e, dessa forma, atuando como uma chama piloto para o combustor (10).

34a)“APARELHO E MÉTODO DE COMBUSTÃO PARA A REALIZAÇÃO DE COMBUSTÃO” de acordo com a reivindicação 24, onde o método é caracterl· zado por adicionalmente compreender a mistura do fluido em tal fluxo principal com o fluido em tal fluxo em vórtice periférico sem causar uma turbulência significativa.

35a)“APARELHO E MÉTODO DE COMBUSTÃO PARA A REALIZAÇÃO DE COMBUSTÃO” de acordo com a reivindicação 24, onde o método é caracterl· zado por adicionalmente causar um efeito de bocal térmico a ser estabelecido e mantido em tal zona de fluxo principal.

36a)“APARELHO E MÉTODO DE COMBUSTÃO PARA A REALIZAÇÃO DE COMBUSTÃO” de acordo com a reivindicação 24, onde o método é caracterizado pelo adicionalmente fazer tanto a combustão quanto a reforma de combustível ocorrer dentro de tal camada de interface, e mantendo tal combinação de combustão e reforma durante a operação do combustor (10).

37a)“APARELHO E MÉTODO DE COMBUSTÃO PARA A REALIZAÇÃO DE COMBUSTÃO” de acordo com a reivindicação 24, onde o método é caracteri- zado por adicionalmente compreender a mudança do modo operacional no qual o reator (16) funciona como uma câmara de combustão, para um modo operacional no qual tal reator (16) funciona como um reformador, pela redução da área da seção transversal de tal entrada.