A transformação de uma massa líquida em pequenas partículas (gotas) é um processo aplicado em diversos ramos de atividade como indústria, agricultura e medicina.
Para a indústria aeronáutica e aeroespacial, têm se mostrado de fundamental importância no processo de combustão de propelentes líquidos em aeronaves e foguetes.
O elemento responsável pela introdução de propelentes líquidos e gasosos na câmara de combustão de foguetes e pela transformação de massas líquidas em “sprays” é o INJETOR que converte a energia potencial dos propelentes em energia cinética, pela queda de pressão em seu interior, formando um jato ou folha líquida que se desintegra então em gotas.
Faz também a conexão entre o sistema de alimentação e a região de atomização e combustão.
Suas características determinam se esta transformação ocorrerá no sentido de obter os melhores resultados possíveis que, para foguetes, entre outros, são a obtenção do máximo impulso específico e a redução das dimensões da câmara de combustão do foguete e de sua massa, da quantidade de propelentes necessários, das perdas de propelentes pela exaustão devido sua combustão inadequada, dos desgastes do sistema injetor, da câmara de combustão, do sistema exaustor dos gases gerados e da instabilidade de queima dos propelentes. A própria máquina contém várias fontes de intensas flutuações de pressão devido ao fluxo turbulento nas linhas de alimentação, trepidação nas lâminas das bombas, vibrações das válvulas de controle, e movimento instável na câmara de combustão e gerador de gás, sendo que a união destas oscilações com as frequências naturais da estrutura do sistema representa frequentemente uma fonte de instabilidade, às vezes com consequências danosas.
Para obter os resultados acima, os tamanhos das gotas obtidas pelo injetor durante a atomização dos propelentes, que antecede à fase gasosa e a sua distribuição na câmara de combustão, são parâmetros fundamentais para os fenômenos de transferência de calor e massa, que ocorrem no processo de combustão.
As formas de “sprays”, que mais se destacam, são os jatos axiais e as folhas que podem ser planas ou cônicas, sendo que os jatos axiais são as mais utilizadas pois são os mais fáceis de serem obtidos, os mais conhecidos em termos de teorias sobre seu comportamento de ruptura e modelos matemáticos que simulam seu comportamento além da extensa experiência prática.
“Sprays” em forma de folhas planas ou cônicas não são fáceis de serem obtidos devido à maior complexidade dos injetores, não são tão difundidos e nem muito conhecidos em termos de teorias sobre seu comportamento de ruptura e modelos matemáticos, que simulam seu comportamento, mas suas vantagens são comprovadas em determinadas aplicações.
Assim sendo, na indústria aeroespacial, o interesse por injetores que propiciam a formação de “sprays” de folhas cônicas dos propelentes é grande, pois promovem uma alta razão entre a área superficial e a massa na fase líquida devido à obtenção de uma grande quantidade de gotas em um largo espectro de diâmetros, que quanto menores, mais favorecem a evaporação, altas razões de mistura e melhor distribuição, otimizando a combustão.
Notadamente o injetor do tipo “swirl” destaca-se pelas razões acima, pois promove a obtenção de um “spray” de folha cônica, impondo ao propelente um movimento em “redemoinho” em seu interior e que ao sair apresentará componentes axiais e transversais de velocidade que favorecerão a desintegração da folha líquida cônica, a atomização e a distribuição das gotas.
No injetor do tipo “swirl” o fluido é introduzido em uma câmara de vórtice através de orifícios circulares que a tangenciam perfeitamente, induzindo ao mesmo uma alta velocidade angular, criando assim um vórtice de ar centralizado como é mostrado na Figura abaixo.
Como a câmara de torção é aberta somente na direção do orifício de saída do injetor (bocal), o fluido em movimento de rotação adquire também um deslocamento axial no seu sentido.
Quando o fluxo atinge o orifício de saída, estando sob efeito de forças axiais e radiais, este emerge na forma de uma folha líquida cônica, de ângulo determinado pela magnitude destas forças.
Injetor Swirl: esquema de deslocamento de flux
A figura abaixo, mostra um motor foguete a propelente líquido em corte, evidenciando a ação dos injetores de combustível, neste caso axiais.
Motor Foguete a Propelente Líquido, Injetores Axiais
A figura abaixo, mostra um injetor do tipo “Swirl” duplo produzido na FlowTest Engenharia e Pesquisa para ensaios de injeção de parafina e análise de tamanho de gotas produzidas.
Injetor do tipo “Swirl” duplo com adaptador.
A figura abaixo, mostra o resultado de alguns ensaios com o Injetor do tipo “Swirl” duplo no ângulo do cone formado pelo injetor interno e pelo injetor externo
Injetor do tipo “Swirl” duplo: ângulo do cone formado pelo injetor interno e pelo injetor externo.
Em termos de injetores para propelentes gasosos, a figura abaixo evidencia o efeito do oxigênio gasoso de acordo com o tipo de injetor sobre o combustível sólido durante ensaios na Flowtest Engenharia e Pesquisa.
Efeito do oxigênio gasoso de acordo com o tipo de injetor sobre o combustível sólido