Zinn (1996) define combustão pulsante como o processo de queima onde pressão, temperatura ou outras variáveis de estado que caracterizam a zona de queima mudam periodicamente com o tempo, ou seja, ocorrem sob condições oscilatórias.
Segundo Tyndall (1970), Higgins em 1777 observou que som era produzido pela queima difusiva de hidrogênio em um tubo aberto na extremidade inferior, a denominada “singing flame”, desencadeando o início do estudo sobre combustão pulsante. A “singing flame” ocorre pela excitação do modo acústico fundamental do tubo, ou de um de seus harmônicos.
Segundo Rayleigh (1945), Rijke (1859) percebeu que ao colocar uma tela metálica a ¼ do comprimento de um tubo vertical, aberto em ambas as extremidades, som era produzido pela expansão do ar. Rijke acreditou que a rápida expansão do ar ao passar pela tela, seguida de uma rápida compressão pelo contato com a parede fria do combustor, era o responsável pela produção desse som, concluindo ainda que o escoamento deveria necessariamente utilizar-se da convecção natural, pois o som cessava quando o tubo era colocado na horizontal. Porém, não conseguiu explicar o porque não havia a produção de som quando a tela era colocada a ¾ do tubo e o porque segundo Tyndall (1970), Sondhaus (1850) produziu som usando um tubo aberto em apenas uma das extremidades, sem utilizar-se da convecção natural.
Como foi descrito por Rayleigh (1945), paralelamente, Bosscha e Riess (1859), ao passar ar aquecido por uma tela refrigerada a ¾ de um tubo aberto na extremidade inferior, obtiveram oscilações acústicas.
Segundo Zinn (1986) e Carvalho et al.(1989) é possível pela geometria de alguns combustores, obter oscilação acústica através do próprio processo de combustão, como é o caso de Rijke e de Bosscha e Riess, mas esses combustores são operacionalmente instáveis, pois as instabilidades acústicas ocorrem apenas em algumas condições específicas, restringindo sua operação. Assim, segundo Botura (1998) podem ser utilizados processos onde a oscilação acústica é obtida por meio de atuadores externos, como alto-falantes, os quais poderão amplificar ou atenuar o sinal acústico
A ocorrência da amplificação ou atenuação do sinal acústico pela adição de calor pode ser definida pelo “critério de Rayleigh”, cuja forma matemática foi desenvolvida por Putnam e Dennis (1953), estabelecendo que ocorrerá amplificação na oscilação de pressão somente quando:
³
Q P’ dt >0 (3) onde:x Q é a taxa de energia instantânea adicionada; x P’ é a pressão acústica (pressão média); x t é o tempo;
denota a integração sobre um ciclo de oscilação.
³
x
Esta integral também foi obtida através das equações de conservação por Chu (1956), representando o aumento da energia total após cada ciclo de oscilação para um aquecedor plano.
Em seu critério, Rayleigh (1945), diz que ocorre uma amplificação da oscilação de pressão quando energia térmica é adicionada ao processo de combustão no instante de máxima compressão, ou retirado calor no momento de máxima rarefação e o contrário denota atenuação na oscilação de pressão. Esta é uma condição necessária mas não suficiente, pois não explica o mecanismo responsável pelo surgimento das oscilações.
Os problemas ambientais (redução da espessura da camada de ozônio, chuva ácida, efeito estufa, etc.), aliados à necessidade de economia de combustível e à escassez de energia elétrica, levam ao desenvolvimento de novas tecnologias e de novas formas de obtenção de energia que minimizem a emissão de poluentes e reduzam os custos de investimento. A combustão pulsante tem se mostrado como uma possibilidade para conciliar tais fatores em dispositivos que utilizam a combustão como fonte de energia térmica.
Segundo Carvalho et al. (1987) a combustão pulsante possui algumas vantagens sobre o processo de combustão convencional, pois se obtém uma melhor mistura entre combustível e oxidante, havendo uma redução na quantidade de combustível utilizada, uma diminuição nas emissões de poluentes, aumento nas taxas de transferência de calor convectiva e conseqüentemente, uma redução nos custos de investimento.
Segundo Chao e Jeng. (1992), a excitação acústica altera substancialmente as características da chama, como por exemplo, pode melhorar a estabilidade de uma chama suspensa “lifted flame”.
Em seus trabalhos com chama difusiva livre Bastos (2001) conseguiu estender o limite de “blowout” em mais de 25% e em algumas condições específicas de trabalho, obteve uma chama azul, onde outrora era amarela, devido a uma melhor taxa de mistura entre combustível e oxidante, diminuindo as quantidades de fuligem geradas.
Lacava et al. (1999), através do processo de tomografia em chamas pulsadas, observou que, com o aumento da amplitude, as pulsações acústicas promovem uma compactação na chama, enquanto que o aumento da freqüência pouco altera o comprimento da chama; entretanto, há uma dispersão da região de intensidade luminosa, as quais caracterizam as reações químicas, que passam a se desenvolver ao
longo de toda a região de recirculação, e não somente em uma estreita faixa, demonstrando a sensibilidade da estrutura da chama às oscilações.
Ferreira (2001) estudou a influência da atuação acústica sobre a linha de pré- mistura do queimador para chamas confinadas. Verificou-se que em chamas predominantemente difusivas (16 a 25% de pré-mistura), não houve muita alteração na
emissão de NOx com a atuação acústica, mas as emissões para chamas difusivas foram
um pouco menores que para as pré-misturadas com ou sem atuação. Para E=0,9 e E=1,0 em chamas difusivas, há redução de CO.
Amplitudes elevadas desfavoreceram a mistura entre combustível e oxidante, dispersando parte do desenvolvimento das reações das proximidades do queimador, conseqüentemente tem-se uma combustão incompleta com aumento nas emissões de
CO e diminuição nas de NOx. Notou-se ainda pela análise tomográfica que em chamas
parcialmente pré-misturadas (50 e 60% de pré-mistura), para E = 0,9 e E = 1,0, com e sem atuação, não houve presença de fuligem; entretanto, em chamas difusivas (15 e 25% de pré-mistura), a presença da fuligem foi reduzida pela presença do campo acústico, isso devido à melhor taxa de mistura entre os reagentes.
Em chamas difusivas, segundo Glassman (1987) há sempre uma extensa variação da razão de equivalência, variando de mistura muito rica à mistura muito pobre, o que possibilita a ocorrência de combustão rica com temperaturas elevadas, favorecendo a formação de fuligem nesse tipo de chama.