Investigação experimental de chamas de difusão com diferentes diâmetros de orifícios de placa defletora

Por que pequenos furos em queimadores são importantes

De aquecedores domésticos a usinas e motores de navios, muitos dispositivos queimam gás para produzir calor. Este estudo examina um detalhe surpreendentemente simples que pode afetar fortemente quão limpa e eficiente é essa queima: o tamanho dos pequenos orifícios de ar em uma placa de metal dentro do queimador, chamada placa defletora. Alterando apenas o diâmetro desses furos enquanto mantém o fornecimento de combustível constante, os pesquisadores demonstram como a forma da chama, a temperatura, a poluição e a eficiência mudam — insights que podem ajudar a projetar aparelhos a gás mais seguros e eficientes.

Um olhar mais atento a uma chama de gás comum

A equipe concentrou-se em “chamas de difusão”, o tipo de chama em que combustível e ar se encontram e se misturam à medida que queimam, em vez de estarem totalmente misturados antes da queima. Chamas de difusão são populares na indústria porque tendem a ser estáveis e confiáveis, mas frequentemente desperdiçam mais combustível e emitem mais poluentes do que chamas bem misturadas. Aqui, o combustível foi Gás Liquefeito de Petróleo (GLP), uma mistura comum de butano e propano. Os pesquisadores construíram uma câmara de ensaio metálica — um combustor cilíndrico simples — e colocaram uma placa defletora plana com oito furos circulares de ar pouco antes do ponto de injeção do gás. Testando cinco diâmetros diferentes de orifício, de 8 a 15 milímetros, e quatro razões ar–combustível, eles puderam observar de forma controlada como essa única feição geométrica altera o comportamento completo da chama.

Como o experimento foi conduzido

O ar foi impulsionado para a câmara por um soprador e cuidadosamente medido; o GLP foi alimentado a partir de um cilindro pressurizado através de um bocal central. O fluxo total de combustível foi mantido constante para que a entrada de calor permanecesse em 32 quilowatts, similar a um queimador industrial de porte médio, enquanto o fluxo de ar foi ajustado para alcançar diferentes razões ar–combustível. A equipe mediu a estabilidade da chama — quão facilmente a chama acende e se apaga — assim como mapas de temperatura dentro do combustor, temperaturas de pico da chama, comprimento da chama e as quantidades de oxigênio, dióxido de carbono, monóxido de carbono e óxido nítrico nos gases de exaustão. Eles também rastrearam para onde o calor foi: para a água de resfriamento, para fora com os gases quentes ou perdido pelas paredes metálicas, para poder calcular a eficiência global da combustão.

O que mudar o tamanho do furo faz com a chama

O tamanho do furo mostrou-se um poderoso controle. Furos maiores reduziram a velocidade dos jatos de ar que entram e ampliaram a gama de condições sob as quais uma chama estável podia ser mantida, fornecendo uma “janela de estabilidade” mais ampla. No entanto, esses mesmos furos maiores deslocaram a região mais quente para mais perto da placa defletora e reduziram tanto as temperaturas máximas da chama quanto o comprimento visível da chama. Furos menores produziram jatos de ar mais rápidos que misturaram combustível e ar de forma mais vigorosa no centro da câmara, elevando as temperaturas máximas da chama e estendendo a chama mais longe a jusante, mas ao custo de uma faixa de operação segura mais estreita. Os pesquisadores capturaram essas tendências em uma equação simples que prevê o comprimento da chama apenas a partir da razão ar–combustível e do diâmetro do furo, correspondendo às suas medições em cerca de 2,5 por cento.

Compromissos entre poluição e eficiência

Os gases na exaustão contaram uma história semelhante de compensações. Furos maiores, que resfriavam a chama, tenderam a reduzir o óxido nítrico (NO), um poluente sensível à temperatura que contribui para o smog, mas aumentaram os níveis de dióxido de carbono e monóxido de carbono ao longo da extensão da chama. Furos menores, com suas chamas mais quentes e vigorosas, produziram mais NO, mas permitiram que o monóxido de carbono fosse queimado de forma mais completa. Quando a equipe combinou todos os fluxos de calor em um único valor de eficiência de combustão, descobriram que a eficiência caía de forma perceptível conforme o diâmetro do furo aumentava. Por exemplo, aumentar o diâmetro do furo de 10 para 15 milímetros reduziu a eficiência em cerca de 10 a 11 por cento sob algumas condições ar–combustível, em grande parte porque mais calor era transportado para fora ou perdido nas paredes em vez de ser aproveitado de forma útil.

O que isso significa para queimadores reais

Para um não-especialista, a mensagem principal é que escolhas de projeto minúsculas dentro dos queimadores — como o diâmetro dos orifícios de ar em uma placa de metal simples — podem deslocar o equilíbrio entre estabilidade, eficiência e poluição. Furos menores podem extrair mais calor útil da mesma quantidade de GLP, mas exigem controle mais preciso para evitar problemas de chama e podem aumentar alguns poluentes; furos maiores tornam a chama mais tolerante, porém desperdiçam mais combustível e calor. As medições detalhadas e a regra de projeto simples desenvolvidas neste trabalho dão aos engenheiros um guia prático para ajustar o hardware do queimador a objetivos específicos, seja máxima eficiência, menores emissões ou operação robusta em sistemas compactos de aquecimento e geração de energia.

Citação: Mohammed, E.S., Gad, H.M., Ibrahim, I.A. et al. Experimental investigation of diffusion flames with different baffle-plate air-hole diameters. Sci Rep 16, 7479 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38141-2

Palavras-chave: combustão de GLP, chamas de difusão, placa defletora, eficiência do queimador, estabilidade da chama