Análise de estabilidade térmica de combustíveis de aviação em escoamentos em alto número de Reynolds

Abstract

O querosene de aviação, além de ser o combustível para a propulsão de aeronaves a jato, é também utilizado como ?uido lubri?cante, hidráulico e arrefecimento, funções estas que o submetem a elevadas temperaturas durante a operação da aeronave. À medida que o combustível é aquecido, ele sofre degradação térmica, que pode ge- rar depósitos de carbono nas superfícies (uma forma de incrustação) e particulados sólidos em suspensão, prejudicando a transferência de calor e aumentando o risco de obstrução de orifícios de válvulas e injetores. A degradação termo-oxidativa se desenvolve por um mecanismo em cadeia na presença de oxigênio dissolvido. Neste trabalho, desenvolveu-se uma atualização do método High Reynolds Number Thermal Stability Test (HiReTS), através da utilização de novas tecnologias de hardware, para investigar a estabilidade termo-oxidativa de combustíveis de aviação. Neste teste, um tubo metálico é aquecido por efeito Joule enquanto o combustível escoa em seu interior durante um período pré-de?nido. Com a degradação do combustível e o crescimento de uma camada de depósito na superfície interna do tubo, ocorre o aumento da re- sistência interna à transferência de calor e, como resultado, a temperatura externa do tubo cresce. A temperatura externa é medida e utilizada para calcular um índice de estabilidade térmica denominado número de HiReTS (HN). O método padrão foi atu- alizado para permitir a medição de temperatura no capilar por câmera de termogra?a no infra-vermelho, a recirculação de combustível, a retirada de amostras para análises químicas e a aplicação de modelos para estimar a espessura do depósito. Utilizou-se tubos circulares com comprimento 152 mm, diâmetro interno 0,26 mm, diâmetro ex- terno 1,66 mm e rugosidade relativa 1,2 %. Estes tubos se classi?cam como micro canais, ou mili canais, dependendo do critério utilizado. A taxa de aquecimento por efeito Joule é controlada para que o combustível deixe o tubo capilar na temperatura prescrita, que é de 563 K no teste padrão. O número de Reynolds do escoamento varia de 2000, na entrada do tubo, até 14000, na saída, caracterizando um escoamento na transição para plenamente turbulento. Foram realizados testes com 5 amostras, 2 com alta estabilidade e 3 com baixa estabilidade, sendo que os testes das amostras com baixa estabilidade empregaram a recirculação do combustível. Os testes com recirculação apresentaram deposição mais acentuada nas regiões centrais do capilar com espessuras de deposição, ao ?nal dos testes, entre 5 e 7,5 µm, revelando uma alta taxa de degradação e possivelmente o esgotamento da concentração de oxigênio antes da saída do escoamento do capilar. A modelagem desenvolvida neste trabalho incluiu modelos analíticos unidimensionais e modelo numérico com axissimetria. Os modelos foram avaliados e utilizados para estimar a espessura do depósito e para evi- denciar as características e limitações do método. A modelagem mostrou que efeitos transientes e de condução axial no capilar são negligenciáveis, mas a variação das propriedades com a temperatura e a inclusão de uma estimativa da perda de calor para o ambiente são necessários. Conclui-se que é necessário realizar testes com di- ferentes amostras de querosenes para avaliar a estabilidade termo-oxidativa, servindo inclusive como base na melhoria do método aplicado. Como melhoria proposta no mé- todo, recomenda-se a utilização de tubos com diâmetro maior, com menor rugosidade e a extensão da medição de temperatura para uma ragião maior do tubo capilar.

Abstract: Aviation kerosene, in addition of being the fuel for the propulsion of jet aircrafts, is also used as a lubricating, hydraulic and coolant ?uid, functions that subject it to temperature rises during an aircraft operation. While ?owing in contact with hot surfaces, the fuel undergoes thermal degradation, which can generate particulates and carbon deposits on the surfaces (a form of encrustation), impairing heat transfer and increasing the risk of clogging valves and injector ori?ces. The thermal degradation of fuel occurs in the presence of dissolved oxygen, through a chain reaction kinetics mechanism. The reactions lead to oxidation products (e.g., alcohols, ketones, and acids) which may later form solid-phase precursors. In this work, the High Reynolds Number Thermal Stability Test rig (HiReTS) was retro?tted with new technologies and the method was used to investigate the thermo-oxidative stability of aviation fuels. In this test, a metal tube is heated by Joule heating while the fuel ?ows within it for a set time. With the degradation of the fuel and the growth of a deposit layer on its inner surface, the in- ternal resistance to heat transfer increases causing the increase of the external tube temperature. The external temperature is measured and used to calculate a thermal stability index named the HiReTS number (HN). The update of the standard method included an infrared camera to measure the external tube temperature, fuel recircula- tion, the possibility of sample extraction during test and the application of theoretical models to estimate the deposit thickness. Circular tubes with length of 152 mm, internal diameter 0.26 mm, external diameter 1.66 mm, and relative roughness of 1.2 % were used. These tubes are classi?ed as microchannels, or millichannels, depending on the criteria used. The Joule heating rate was controlled so that the fuel leaves the tube at a prescribed temperature, which is 563 K for the standard test. The fuel ?ow Reynolds number varied from 2000 to 14000, varying from a transition to a fully developed turbu- lent ?ow regime. Five tests were performed, which 2 of them were considered thermally stable samples and 3 of them, thermally unstable samples. The tests for the unstable samples were performed applying recirculation, presenting heavy deposits formation, with estimated thickness at the end of the capillary tube between 5 µm and 7.5 µm. The results also indicated a higher formation of deposits in intermediate positions along the tube, revealing a possible mechanism of exhaustion of oxygen and degradation precur- sors. The modeling includes one-dimensional analytical models and a two-dimensional, axisymmetric, numerical model. The models were used to evidence key characteristics of the ?ow, the estimation of the deposit thickness, and the limitations of the method. Whitin the correlations for the Nusselt number, the Pethukov correlation appeared to be the most suitable model for the internal heat transfer coef?cient, resulting in a deviation of the predicted and measured external surface temperature smaller than 1 %. The modeling revealed that transient and axial conduction effects are negligible, however, the temperature-dependent properties and heat loss to the external environment must be considered. It is concluded that it is still necessary to carry out tests with different kerosene samples to evaluate the thermo-oxidative stability, serving even as a basis for improving the applied method. As an improvement for the method, it is recommended to increase the inner tube diameter with reduced internal roughness and extend the external surface temperature measurement to a larger region of the capillary tube.