asa 2- teoria da propulsÃo cristiane aparecida martins agosto/2012
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ASA 2- TEORIA DA PROPULSÃO
Cristiane Aparecida Martins
Agosto/2012
C.A.Martins, ITA
Classificação dos Sistemas de Propulsão
• Motores ‘Perfeitos' a eficiência de conversão de energia é de 100% mas nem toda a energia é convertida em trabalho, o que significa que parte da energia é desperdiçada na exaustão.
• No motor elétrico o mínimo valor (na exaustão) é o zero (Terra), o que significa que teoricamente é possível obter 100% de eficiência na exaustão da carga elétrica, a qual não deixará nenhum resíduo.
• No motor hidráulico a mínima pressão de exaustão é a atmosférica, o que significa que parte da energia será desperdiçada na exaustão.
• No motor térmico, 'máquina térmica' a mínima temperatura é obtida nas condições ambientes, ou seja da ordem de 300K, significando que também existirá uma energia residual na saída. Se a saída fosse de Zero absoluto conseguiríamos extrair toda a energia contida.
• MÁQUINAS TÉRMICAS UTILIZAM FLUIDO DE TRABALHO
MÁQUINA TÉRMICA: CADEIA PROPULSIVA
EnergiaQuímica
Calor(Energia Térmica)
Potência Mecânica
PotênciaMec. paraFluxo Gás
Empuxo
A eficiência global para cadeia propulsiva é dada:
Combustão Térmica Propulsiva
propulsivamecânicatérmicacombustãooverall ηηηηη
Mecânica
Cristiane MartinsASA 2 – 2-2012
– Termoquímica – Conceitos Básicos Balanço de Massa Balanço de Energia
Cristiane MartinsASA 2 – 2-2012
Cristiane Martins ASA2 – 2-2012
Balanço de Massa (sem reação química)
Sem reação química
ENTRADA = SAÍDA
Qs + Qw = C
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Fundamentos da Combustão
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Conservação de Massa
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Processo de Combustão
Combustível + Oxidante Produtos
Exemplo:
1 CH4 + 2 O2 1 CO2 + 2 H2O
Combustível
Oxida
nte
Fonte de ignição
Cristiane Martins ASA2 – 2-20121212
Combustão: seqüência de reações químicas.
Chama: propagação da combustão no espaço; associação entre os escoamentos e as reações químicas.
ASA-2 - 2010
A composição dos produtos de exaustão provenientes das reações de combustão dependem de inúmeros fatores, incluindo tipo de oxidante, composição, temperatura dos gases e razão de equivalência.
Processo reacional – equilíbrio adiabático
ASA-2 - 2010
Reações de Combustão
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Exemplos de Processos de Combustão
ASA-2 - 2010
Chama laminar - vela
ASA-2 - 2010
Explosão
ASA-2 - 2010
Chama turbulenta tipo jato de GNV
Cristiane Martins ASA2 – 2-2012
Chamas – (queima rica a queima pobre) Diferentes tipos de
chama dependendo da disponibilidade de oxidante.
Da esquerda para direita de sem pré-mistura até pré-misturada.
http://en.wikipedia.org/wiki/Flame
ASA-2 - 2010
Combustão confinada
ASA-2 - 2010
Queimador industrial - álcool
ASA-2 - 2010
Queimador Industrial -
Queimador para caldeira utilizando gás de alto forno
ASA-2 - 2010
Combustão de dimetil hidrazina assimétrica comtetróxido de nitrogênio. Foguete Longa Marcha 4B,
lançamento do CBERS-2, 21/10/2003.
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Propagação de fogo em leitos florestais.
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Propulsor de 200 N; MMH/N2O4 – INPE/LCP.
Cristiane Martins ASA2 – 2-2012
Cristiane Martins ASA2 – 2-2012
Lei de Conservação de Massa Massa não pode ser criada ou destruída
(Reações nucleares excluídas)
Você consegue avaliar toda a massa que entra, é gerada e sai ou se acumula em determinado sistema??
Balanço Material.
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Cálculos Estequiométricos
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Procedimento de Cálculo dos Coeficientes Estequiométricos
1 CH4 + x O2 y CO2 + z H2O
C: 1 = y y = 1,
H: 4 = 2z z = 2,
O: 2x = 2y + z x = 2.
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Conservação de Massa na Reação de Combustão Estequiométrica
1 CH4 + 2 O2 1 CO2 + 2 H2O,
16 g + 64 g = 44 g + 36 g.
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Somente massa é conservada.
Número de mols, em geral, não o é.
1 H2 + 1/2 O2 1 H2O,
2 g + 16 g = 18 g, (massa)
1 + 1/2 1. (número de mols)
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CombustívelSubstância química que, quando em contato com um oxidante, pode produzir uma reação exotérmica, ou seja, uma reação que libera energia na forma de calor. Combustível industrial precisa:
(a) existir em grandes quantidades, (b) possuir baixo custo, e(c) ser aplicável no processo industrial em consideração.
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Fatores que Afetam a Seleção de um Combustível
(a) Disponibilidade,(b) Custo,(c) Aplicabilidade,(d) Eficiência do processo, (e) Características de formação de poluentes, (f) Facilidade de controle, (g) Presença de impurezas como cinzas, e (h) Facilidade de transporte.
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Classificação dos Combustíveis
Pelo estado de agregação: sólidos;líquidos;gasosos.
Pela origem: naturais;artificiais.
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Classificação dos Combustíveis
Combustíveis naturais podem ser:sólidos, como carvão mineral, madeira e turfa;líquidos, como petróleo;gasosos, como gás natural.
Combustíveis artificiais resultam do processamento dos combustíveis naturais, e podem também ser:
sólidos, como coque de carvão e carvão vegetal;líquidos, como gasolina e querosene;gasosos, como gás de coqueria e gás de alto forno.
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Oxidante
Ar:
78,08% nitrogênio, 20,95% oxigênio, 0,93% argônio, 0,03% dióxido de carbono, 0,01% de outros gases.
Para fins de balanço:
79% nitrogênio e 21% oxigênio.
XN2,ar = 0,79 e XO2,ar = 0,21.
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Composição mássica do ar:
YN2,ar = 0,768; YO2,ar = 0,232.
Massa molecular do ar:
M = 28,84 g/gmol
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Estequiometria de uma reação considera a relação entre moles de reagentes e produtos. Não fornece NENHUMA informação sobre balanço energético da reação química. Entretanto sabemos que energia pode ser produzida (combustão) ou absorvida (derretimento de gelo) por determinadas reações.
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Reação de combustão estequiométrica de metano com ar:
1 CH4 + 2 O2 + 7,52 N2 1 CO2 + 2 H2O + 7,52 N2
Reação de combustão de metano com excesso de ar:
1 CH4 + 2 O2 + 7,52 N2 1 CO2 + 2 H2O + 7,52 N2 + 2(-1) O2
16 g + 64 g + 210,56 g = 44 g + 36 g + 210,56 g + 64 (-1) g
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Esquema de Balanço de Massa para Combustão de Metano com Ar
1 CH4 + 2 O2 + 7,52 N2 1 CO2 + 2 H2O + 7,52 N2 + 2(-1) O2
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Fator de Ar ()
Razão entre o volume de ar utilizado e o volume de ar necessário para combustão completa de uma certa quantidade de combustível.
= Var utilizado/Var estequiométrico
< 1 A combustão é redutora
= 1 A combustão é estequiométrica
> 1 A combustão é oxidante
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Valores Usuais do Coeficiente de Excesso de Ar ()
Combustíveis Excesso de ar ()
Sólidos 30 a 100%, = 1,3 a 2,0
Líquidos 10 a 30%, = 1,1 a 1,3
Gasosos 5 a 20%, = 1,05 a 1,2
Fonte: Pinheiro & Valle, Controle de Combustão: Otimização do Excesso de Ar; disponível em www.geocities.com
Combustível Tipo de fornalha ou queimador
Carvão pulverizado
Aquatubular completaAquatubular parcial fundo seco
1,15 – 1,201,15 – 1,40
Carvão britado Fornalha ciclone 1,10 – 1,15
Carvão Grelha fixaGrelha vibratóriaGrelha rotativaGrelha fixa alimentação por baixo
1,30 – 1,601,30 – 1,601,15 – 1,501,20 – 1,50
Óleo combustível Queimadores de óleo tipo registroQueimadores multicombustível
1,05 – 1,151,05 – 1,20
Gás naturalGás de coqueriaGás de alto forno
Queimadores tipo registroQueimadores multicombustívelQueimadores de bocal intertubos
1,05 – 1,101,07 – 1,121,15 – 1,18
Madeira Grelha 1,20 – 1,25
Bagaço de cana Todas as fornalhas 1,25 – 1,35
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razão combustível/ar Comum a apresentação das condições iniciais em termos:- de razão mássica combustível/ oxidante- razão mássica oxidante / combustível
razão de equivalência (atual/ estequiométrico) = 1 – estequiometria (quantidade de oxidante exata
para combustível) < 1 – pobre ( excesso de oxidante) > 1 – rica (excesso de combustível)
ASA-2 - 2010
Razão de equivalência ()
Exemplo com álcool etílico
1 C2H5OH + 3 O2 + 11,28 N2 2 CO2 + 3 H2O + 11,28 N2. Com 5 % de excesso de ar, teremos: 1 C2H5OH + 3,15 O2 + 11,84 N2 2 CO2 + 3 H2O + 11,84 N2 + 0,15 O2
952,0)3/1(
)15,3/1(
tricoestequiomé
operação
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REAÇÕES BÁSICAS. C + O2 + N2 ----> CO2 + N2 H + 1/2O2 + N2 -----> H2O + N2
Cristiane Martins ASA2 – 2-2012
Cristiane Martins ASA2 – 2-2012
Combustão e Velocidade de Exaustão
Cristiane Martins ASA2 – 2-2012
Considerando que empuxo, thrust F, é a resultante entre as forças exercidas no interior pelos gases de combustão e exterior pela pressão atmosférica nas redondezas, como ilustra a Figura.
eaee APPvmF .
Cristiane Martins ASA2 – 2-2012
Empuxo possui dois termos contribuintes: 1° termo trata da contribuição da velocidade de saída (momentum) enquanto que o 2° termo está relacionado com a contribuição dada pela pressão de saída. Atente-se que:
- termo de velocidade SEMPRE fornece empuxo;
- termo de pressão pode AUMENTAR ou DIMINUIR o empuxo.
Cristiane Martins ASA2 – 2-2012
eaee APPvmF .
OF – razão de mistura
• Ao se definir razão de mistura ótima (OF) como aquela que produzirá o mais alto impulso específico para dados reagentes.
• A razão de mistura ótima é função da pressão para a qual o foguete irá operar.
• Um motor com alta pressão na câmara de combustão e baixa pressão na saída da tubeira, ou seja, razão de seção larga, produzirá a melhor razão de mistura possível.
• Diferente de outros propelentes, a razão de mistura ótima para o par oxigênio líquido e hidrogênio líquido (LOX/LH2) não necessariamente é aquela que produz máximo impulso específico.
• Devido a extrema baixa densidade do hidrogênio, o volume de propelente reduz significativamente para razões de mistura maiores.
• Máximo impulso específico ocorre tipicamente por volta de OF 4,5, entretanto se a razão de mistura for aumentada para 5.5, por exemplo, o volume de estocagem é reduzido para um quarto do que para 3.5.
• Isto conduz a tanques propelentes menores, veículos de menor massa e menos arrasto o que compensa a perda de desempenho que ocorre ao se utilizar uma razão de mistura maior. Na prática, muitos motores de LOX/LH2 utilizam razões de mistura entre 5-6, por exemplo, o veículo russo RL-10A-4 [10]. cuja especificação é:
• RL-104-4• Ready (Flight Certified): December 1990
Propellants: LOX/LH2O/F Ratio: 5.5Thrust (Vac): 20,800 lbf at 449 ISPChamber Pressure: 578 psiaExpansion Ratio: 84
RL-10B-2
• RL-10B-2• Ready (Flight Certified): May
1998Propellants: LOX/LH2O/F Ratio: 5.88Thrust (Vac): 24,750 lbf at 465.5 ISPWeight: 664 lbsT/W Ratio (vac): 32.27Chamber Pressure: 644 psiaEngine Length: 86.5” (Stowed), 163.5” (Deployed)Nozzle Diameter: 84.5 inchesExpansion Ratio: 285
References:A Review of United States Air Force and Department of Defense Aerospace Propulsion Needs (2006) – Appendix
RL-10B-2
LOX/LH2
• Outro exemplo é o par bipropelente tetróxido de nitrogênio e monometilhidrazina, N2O4/MMH, onde a razão de mistura de 1,67 resulta em tanque de combustível e oxidante de mesmo tamanho. Tamanhos de tanque idênticos simplificam grandemente a manufatura, o sistema de integração e montagem de todo o sistema propulsivo. Assim mesmo que a razão de mistura ótima esteja por volta de 1,2 a simplificação de construção compensa a perda em impulso específico.
Aerojet AJ-10-190 (Shuttle OMS System)
• Ready (Man Rated): April 1981Propellants: MMH and N2O4O/F Ratio: 1.65Thrust (vac): 6,000 lbf at 313.2 ISPWeight: 297 lbsT/W Ratio (vac): 20.2Chamber Pressure: 125 psiaEngine Length: 77 inchesEngine Nozzle Exit Diameter: 46 inchesExpansion Ratio: 55
LOX/METANO LIQUIDO
LOX & ETANOL * *
* * 75% C2H5OH + 25% H2O
LOX & RP-1 (QUEROSENE) * *
** n-Dodecane, C12H2
LOX & UDMH
ÁCIDO NÍTRICO FUMEGANTE * & MMH**
*83.5% HNO3 + 14% N2O4 + 2.5% H2O**Monometilhidrazina
ÁCIDO NÍTRICO FUMEGANTE * & RP-1**
*83.5% HNO3 + 14% N2O4 + 2.5% H2O ** n-Dodecane, C12H26
ÁCIDO NÍTRICO FUMEGANTE * & UDMH**
*83.5% HNO3 + 14% N2O4 + 2.5% H2O**Dimetilhidrazina
N2O4 & MMH
N2O4 & UDMH
PERÓXIDO DE HIDROGÊNIO* & RP-1**
* 85% H2O2 + 15% H2O ** n-Dodecane, C12H26