Dynamics of thermal ignition of spray flames in mixing layers

Conditions are identified under which analyses of laminar mixing layers can shed light on aspects of turbulent spray combustion. With this in mind, laminar spray-combustion models are formulated for both non-premixed and partially premixed systems. The laminar mixing layer separating a hot-air stream from a monodisperse spray carried by either an inert gas or air is investigated numerically and analytically in an effort to increase understanding of the ignition process leading to stabilization of high-speed spray combustion. The problem is formulated in an Eulerian framework, with the conservation equations written in the boundary-layer approximation and with a one-step Arrhenius model adopted for the chemistry description. The numerical integrations unveil two different types of ignition behaviour depending on the fuel availability in the reaction kernel, which in turn depends on the rates of droplet vaporization and fuel-vapour diffusion. When sufficient fuel is available near the hot boundary, as occurs when the thermochemical properties of heptane are employed for the fuel in the integrations, combustion is established through a precipitous temperature increase at a well-defined thermal-runaway location, a phenomenon that is amenable to a theoretical analysis based on activation-energy asymptotics, presented here, following earlier ideas developed in describing unsteady gaseous ignition in mixing layers. By way of contrast, when the amount of fuel vapour reaching the hot boundary is small, as is observed in the computations employing the thermochemical properties of methanol, the incipient chemical reaction gives rise to a slowly developing lean deflagration that consumes the available fuel as it propagates across the mixing layer towards the spray. The flame structure that develops downstream from the ignition point depends on the fuel considered and also on the spray carrier gas, with fuel sprays carried by air displaying either a lean deflagration bounding a region of distributed reaction or a distinct double-flame structure with a rich premixed flame on the spray side and a diffusion flame on the air side. Results are calculated for the distributions of mixture fraction and scalar dissipation rate across the mixing layer that reveal complexities that serve to identify differences between spray-flamelet and gaseous-flamelet problems.

Flamelet structures in spray ignition

In typical liquid-fueled burners the fuel is injected as a high-velocity liquid jet that breaks up to form the spray. The initial heating and vaporization of the liquid fuel rely on the relatively large temperatures of the sourrounding gas, which may include hot combustion products and preheated air. The heat exchange between the liquid and the gas phases is enhanced by droplet dispersion arising from the turbulent motion. Chemical reaction takes place once molecular mixing between the fuel vapor and the oxidizer has occurred in mixing layers separating the spray flow from the hot air stream. Since in most applications the injection velocities are much larger than the premixed-flame propagation velocity, combustion stabilization relies on autoignition of the fuel-oxygen mixture, with the combustion stand-off distance being controlled by the interaction of turbulent transport, droplet heating and vaporization, and gas-phase chemical reactions. In this study, conditions are identified under which analyses of laminar flamelets canshed light on aspects of turbulent spray ignition. This study extends earlier fundamental work by Liñan & Crespo (1976) on ignition in gaseous mixing layers to ignition of sprays. Studies of laminar mixing layers have been found to be instrumental in developing un-derstanding of turbulent combustion (Peters 2000), including the ignition of turbulent gaseous diffusion flames (Mastorakos 2009). For the spray problem at hand, the configuration selected, shown in Figure 1, involves a coflow mixing layer formed between a stream of hot air moving at velocity UA and a monodisperse spray moving at velocity USUA. The boundary-layer approximation will be used below to describe the resulting sl ender flow, which exhibits different igniting behaviors depending on the characteristics of t he fuel. In this approximation, consideration of the case U A = U S enables laminar ignition distances to be related to ignition times of unstrained spray flamelets, thereby pro viding quantitative information of direct applicability in regions of low scala r dissipation-rate in turbulent reactive flows (see the discussion in pp. 181–186 of Peters (2000)) . This report is organized as follows. Effects of droplet dispersion dynamics on ignition of sprays in turbulent mixing layers are discussed in Section 2. The formulation f or ignition in laminar mixing layers is outlined in Sections 3 and 4. The results are presented in Section 5. In Section 6, the mixture-fraction field and associated scalar dissipat ion rates for spray ignition are discussed. Finally, some brief conclusions are drawn in Section 7.

Optical properties of ZnMgO films grown by spray pyrolysis and their application to UV photodetection

This work presents a comprehensive optical characterization of Zn1−xMgxO thin films grown by spray pyrolysis (SP). Absorption measurements show the high potential of this technique to tune the bandgap from 3.30 to 4.11 eV by changing the Mg acetate content in the precursor solution, leading to a change of the Mg-content ranging from 0 up to 35%, as measured by transmission electron microscopy-energy dispersive x-ray spectroscopy. The optical emission of the films obtained by cathodoluminescence and photoluminescence spectroscopy shows a blue shift of the peak position from 3.26 to 3.89 eV with increasing Mg incorporation, with a clear excitonic contribution even at high Mg contents. The linewidth broadening of the absorption and emission spectra as well as the magnitude of the observed Stokes shift are found to significantly increase with the Mg content. This is shown to be related to both potential fluctuations induced by pure statistical alloy disorder and the presence of a tail of band states, the latter dominating for medium Mg contents. Finally, metal–semiconductor–metal photodiodes were fabricated showing a high sensitivity and a blue shift in the cut-off energy from 3.32 to 4.02 eV, i.e., down to 308 nm. The photodiodes present large UV/dark contrast ratios (102 − 107), indicating the viability of SP as a growth technique to fabricate low cost (Zn, Mg)O-based UV photodetectors reaching short wavelengths.

Encapsulação de colecalciferol (vitamina D3) por spray chilling

A indústria de alimentos está constantemente desenvolvendo produtos que fornecem, além de nutrientes, benefícios adicionais à saúde, tais como os enriquecidos com vitaminas. A vitamina D3 (colecalciferol) é sintetizada na pele durante a exposição da luz solar, controla a homeostase de cálcio e fósforo, metabolismo ósseo, pressão arterial e reabsorção renal de cálcio. O processo de microencapsulação vem sendo bastante aplicado em alimentos e um dos objetivos principais é o controle da liberação do agente ativo no momento e local desejado. A tecnologia de spray chilling é interessante para a microencapsulação de vitaminas lipossolúveis. O objetivo deste trabalho foi microencapsular vitamina D3, utilizando o método de spray chilling para a produção das micropartículas lipídicas sólidas (MLS). Para produção das MLS utilizou-se gordura vegetal com ponto de fusão em torno de 48 °C como carreador. Três tratamentos foram estabelecidos: sem aditivos (T1), com adição de 1% de cera de abelha (T2) e com 1% de lecitina de soja (T3). As micropartículas foram caracterizadas quanto à morfologia por microscopia eletrônica de varredura, tamanho médio por difração a laser, espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) e foi analisada a estabilidade da vitamina D3 durante o armazenamento a 10 e 25 °C, por meio de quantificações periódicas em cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE). As micropartículas obtidas foram esféricas, semelhantes morfologicamente e com distribuição monocaudal de partículas. O tamanho médio das partículas variou em função dos seus ingredientes, sendo que as micropartículas produzidas apenas com vitamina e gordura foram menores em relação às demais (83,0% < 100 µm). A espectroscopia na região do infravermelho (FTIR) demonstrou que não ocorreu interação entre os ingredientes. A estabilidade da vitamina D3 encapsulada foi satisfatória ao longo de 65 dias com valores superiores a 87% para os três tratamentos e a temperatura apresentou influência na estabilidade. As MLS produzidas com cera apresentaram melhores resultados de estabilidade de vitamina D3 com valores de 90,18 ± 2,23 % após 65 dias de estocagem. Esses resultados são promissores e demostram a viabilidade da técnica de spray chilling na produção de MLS carregadas de vitamina D3, possibilitando uma futura aplicação em alimentos.

Avaliação sistemática do uso do Dried Blood Spot para determinação de elementos químicos em sangue capilar visando estudos de biomonitoramento no Brasil

A biomonitorização humana ou biomonitoramento (BH) é definido como a medida periódica de determinada substância química ou seu metabólito em fluidos biológicos, principalmente sangue e urina, de uma população com o objetivo de avaliar a exposição e os riscos à saúde. Tal método tem se tornado comum em países desenvolvidos, porém ainda é uma prática pouco utilizada no Brasil. Isso ocorre pela dificuldade de coleta, armazenamento e transporte das amostras, principalmente em regiões sem infraestrutura e de difícil acesso. Diante disso, alguns procedimentos alternativos de coleta de amostra vêm sendo propostos. Um destes procedimentos é o Dried Blood Spot (DBS) ou coleta e armazenamento de amostra em papel-cartão. Este método oferece uma série de vantagens sobre os procedimentos de coleta convencionais, principalmente por reduzir consideravelmente o volume de amostra coletada. Entretanto, pouco se sabe sobre a estabilidade dos analitos após a deposição da amostra no cartão e do risco de contaminação da amostra pelo substrato sólido. Além disso, procedimentos de extração dos analitos do papel, para posterior quantificação, ainda não estão totalmente estabelecidos. Neste sentido, o presente trabalho avaliou de forma sistemática o procedimento de coleta de sangue por DBS visando sua futura aplicação em programas de biomonitoramento no Brasil para determinação dos elementos químicos As, Cd, Cu, Hg, Mn, Pb, Se e Zn por espectrometria de massas com plasma indutivamente acoplado (ICP-MS). Para isso, no estudo foram utilizadas três diferentes marcas comerciais de cartão coletor: Whatman 903(TM), Munktell(TM), e DMPK-C(TM). Todas as marcas de cartão apresentaram baixas concentrações dos elementos químicos. Após a deposição da amostra no papel cartão verificou-se que a concentração dos elementos químicos manteve-se estável por um período de pelo menos 60 dias (temperatura ambiente e ao abrigo da luz). Foi otimizado o método de extração dos analitos do substrato, com melhor condição obtida após a imersão do papel (corte circular de diâmetro de 1/2´´) por 60 minutos em solução extratora (0,5% v/v HNO3 e 0,01% v/v Triton(TM) X-100) na proporção de 1:50 v/v, seguida de 10 segundos de agitação por vortex. Após a extração, a solução resultante contendo os analitos foi diretamente injetada no ICP-MS. Cabe também destacar que não foram observadas diferenças estatísticas nas concentrações dos elementos químicos com coleta de sangue da veia do antebraço (sangue venoso) ou do dedo (sangue capilar). Os resultados obtidos no presente estudo, devem contribuir para a implementação deste procedimento em análises de elementos químicos (biomonitoramento da população brasileira), principalmente considerando as dificuldades de coleta, armazenamento e transporte de amostras clínicas em nosso país por sua extensão territorial. Além disso, este procedimento pode facilitar estudos com populações vulneráveis e que vivem em áreas remotas e de difícil acesso.

Total oxidation of naphthalene using palladium nanoparticles supported on BETA, ZSM-5, SAPO-5 and alumina powders

A range of catalysts based on Pd nanoparticles supported on inorganic supports such as BETA and ZSM-5 zeolites, a silicoaluminophosphate molecular sieve (SAPO-5) and γ-alumina as a standard support have been tested for the total oxidation of naphthalene (100 ppm, total flow 50 ml/min) showing a conversion to carbon dioxide of 100% between 165 and 180 °C for all the analysed catalysts. From the combined use of zeolites with PVP polymer protected Pd based nanoparticles, enhanced properties have been found for the total abatement of naphthalene in contrast with other kinds of catalysts. A Pd/BETA catalyst has been demonstrated to have excellent activity, with a high degree of stability, as shown by time on line experiments maintaining 100% conversion to CO2 during the 48 h tested.