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MÁQUINAS TÉRMICAS
AT-101
Universidade Federal do Paraná
Curso de Engenharia Industrial Madeireira
Dr. Alan Sulato de Andrade
COMBUSTÃO
COMBUSTÃO
INTRODUÇÃO:
Uma das formas mais empregadas para produção de
calor na indústria é a combustão,
Diversas máquinas térmicas são exemplos típicos de
equipamentos empregados na indústria que
demandam disponibilidade de calor para funcionarem,
Além do uso industrial, devemos lembrar que os
processos químicos básicos (metabólicos) também são
importantes.
COMBUSTÃO
DEFINIÇÃO:
Combustão é uma reação química de óxido-redução
entre um combustível e um comburente, sendo obtido
calor (energia) e sub-produtos.
Combustível Comburente
Calor
Processo
COMBUSTÃO
DEFINIÇÃO:
COMBUSTÃO
DEFINIÇÃO:
COMBUSTÃO
DEFINIÇÃO:
COMBUSTÃO
CONDIÇÕES NECESSÁRIAS:
Para que o processo ocorra, é necessário um
combustível, ou seja, o material a ser queimado, um
comburente, geralmente o oxigênio e uma "faísca",
para iniciar o processo, porem a combustão pode
ocorrer de forma espontânea dependendo das
condições dispensadas.
COMBUSTÃO
CARACTERÍSTICAS:
Como visto nas aulas passadas, os hidrocarbonetos
são os combustíveis mais utilizados em todos os
setores industriais, porem a quantidade de energia
desprendida na reação de combustão está intimamente
associada com a composição química do combustível
e dos produtos finais de combustão.
COMBUSTÃO
REAÇÃO QUÍMICA:
A equação, em síntese, da reação entre uma
hidrocarboneto ou combustíveis tradicionais é sempre a
seguinte: Teórico
Combustível + Oxigênio → Dióxido de carbono + Água + Energia
Real
Combustível + Ar → Dióxido de Carbono + Água + Nitrogênio + Energia +
Resíduos
COMBUSTÃO
REAÇÃO QUÍMICA:
Por exemplo:
Teórico
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O + energia
Teórico
C2H6 + 3,5O2 → 2CO2 + 3H2O + energia
COMBUSTÃO
TIPOS DE COMBUSTÃO:
Dependendo das quantidades proporcionais de
combustível e de oxigênio (comburente) pode haver
combustões:
Teoricamente completas,
Praticamente completas,
Incompletas.
COMBUSTÃO
TIPOS DE COMBUSTÃO:
Teoricamente completa
A combustão é denominada “teoricamente completa”
quando se realiza com a quantidade estequiométrica
de oxigênio para oxidar completamente a matéria
combustível.
C8H18 + 12,5O2 → 8CO2 + 9H2O + Energia
COMBUSTÃO
TIPOS DE COMBUSTÃO:
Praticamente completa
A combustão será “praticamente completa” quando se
realiza com uma quantidade de oxigênio, porem maior
do que a estequiometricamente necessária para oxidar
completamente a matéria combustível.
C8H18 + 15,5O2 → 8CO2 + 9H2O + 3O2 + Energia
COMBUSTÃO
TIPOS DE COMBUSTÃO:
Incompleta
A combustão denominada “incompleta” é aquela que se realiza com insuficiência de oxigênio, ou seja, com uma quantidade de oxigênio inferior à quantidade estequiométrica para oxidar completamente a matéria combustível.
C8H18 + 8,5O2 → 8CO + 9H2O + Energia
C8H18 + 4,5O2 → 8C + 9H2O + Energia
COMBUSTÃO
TIPOS DE COMBUSTÃO:
COMBUSTÃO
CÁLCULO DA PROPORÇÃO TEÓRICA DE AR/COMBUSTÍVEL
Na combustão o objetivo é obter o máximo possível de calor. Não basta porém que o rendimento calorífico atenda às necessidades requeridas, é preciso que isto seja feito de forma econômica. A fim de maximizar-se o rendimento da combustão, deve-se obter o melhor aproveitamento possível do potencial energético do combustível através de alguns fatores operacionais, como a regulagem da relação ar-combustível.
COMBUSTÃO
CÁLCULO DA PROPORÇÃO TEÓRICA DE AR/COMBUSTÍVEL
Conhecendo-se a composição do combustível e com base na estequiometria da reação, consegue-se calcular o ar necessário para a queima do combustível. A quantidade de ar que fornece o oxigênio teoricamente suficiente para a combustão completa do combustível, é chamada de "ar teórico" ou "ar estequiométrico".
COMBUSTÃO
CÁLCULO DA PROPORÇÃO TEÓRICA DE AR/COMBUSTÍVEL
Na prática, sabe-se que é muito difícil obter uma boa combustão apenas com o arestequiométrico. Se utilizarmos somente o "ar teórico", há grande probabilidade do combustível não queimar totalmente (haverá formação de CO ao invés de CO2) e conseqüentemente a quantidade de calor liberada será menor.
COMBUSTÃO
CÁLCULO DA PROPORÇÃO TEÓRICA DE AR/COMBUSTÍVEL
Para se garantir a combustão completa recorre-se a uma quantidade adicional de ar além do estequiométrico, garantindo desse modo que as moléculas de combustível encontrem o número apropriado de moléculas de oxigênio para completar a combustão. Essa quantidade de ar adicional utilizada é chamada de excesso de ar. O excesso de ar é a quantidade de ar fornecida além da teórica.
COMBUSTÃO
CÁLCULO DA PROPORÇÃO TEÓRICA DE AR/COMBUSTÍVEL
O excesso de ar proporciona uma melhor mistura entre o combustível e o oxidante, mas deve ser criteriosamente controlado durante o processo de combustão. Deveremos conhecer a quantidade ideal mínima possível de excesso a ser introduzida na queima, pois o ar que não participa da combustão tende a consumir energia na forma de calor, pois será aquecido mesmo sem contribuir para a reação.
COMBUSTÃO
CÁLCULO DA PROPORÇÃO TEÓRICA DE AR/COMBUSTÍVEL
Quanto maior o excesso de ar, maior o volume de gases nos produtos de combustão e conseqüentemente maior a perda de calor pela chaminé, influindo negativamente na eficiência da combustão. Entretanto as perdas por excesso de ar aumentam em proporção muito menor que as perdas com combustível não queimado. Assim, nos processos de combustão industrial sempre se trabalha com excesso de ar.
COMBUSTÃO
CÁLCULO DA PROPORÇÃO TEÓRICA DE AR/COMBUSTÍVEL
Combustão com excesso de ar:
De forma geral recomenda-se um excesso de ar para que ocorra uma completa combustão, porem estes valores podem variar de acordo com o estado físico do combustível.
Estado: Excesso:
Gás 0-10%
Líquidos 2-30%
Sólidos 50%
COMBUSTÃO
CÁLCULO DA PROPORÇÃO TEÓRICA DE AR/COMBUSTÍVEL
Algumas considerações pertinentes.
Composição do ar:
Elemento: Proporção em Volume:
Oxigênio 21%
Nitrogênio 79%
Ou seja, em termos de volume, 1 parte de Oxigênio para 3,76 de Nitrogênio
Densidade: 1,29 kg/m³ (1atm a 20ºC)
COMBUSTÃO
CÁLCULO DA PROPORÇÃO TEÓRICA DE AR/COMBUSTÍVEL
Algumas considerações pertinentes.
Peso atômico:
Elemento: Peso atômico:
Carbono 12
Hidrogênio 1
Oxigênio 16
Nitrogênio 14
Enxofre 32
COMBUSTÃO
CÁLCULO DA PROPORÇÃO TEÓRICA DE AR/COMBUSTÍVEL
Para se determinar a proporção teórica de ar, deve-se:
1° - Montar a reação
2° - Balancear a reação
3° - Calcular a proporção teórica de ar/combustível
Onde,
A/C = Massa do ar / Massa do combustível,
Expresso em kg/kg
COMBUSTÃO
EXERCÍCIO 1:
Calcular a relação A/C na combustão de 1Kmol de C3H8 e excesso de 10%.
Reação:
Propano + Ar → Dióxido de Carbono + Água + Nitrogênio + Energia
Balanceamento:
C3H8 + x(O2+3,76N2) → CO2 + 2H2O + yN2 + Energia
C3H8 + 5(O2+3,76N2) → 3CO2 + 4H2O + 18,8N2 + Energia
Necessitamos de 5 moléculas de ar na combustão de de uma de propano.
COMBUSTÃO
EXERCÍCIO 1:
Como utilizamos ar atmosférico na reação:
(5 x 32) + (5 x 3,76 x 28) = 686,4 kg
1kmol de propano = 44 kg
A/C teórico = 686,4 kg/ 44 kg = 15,6:1 kg/kg
A/C com 10% de excesso de ar = 15,6 x 1,1 = 17,2 :1 kg/kg
Ou ainda em volume:
A/C teórico = 15,6/1,29 = 12,1:1 m³/kg
A/C com 10% de excesso de ar = 17,2/1,29 = 13,3:1 m³/kg
COMBUSTÃO
EXERCÍCIO 2:
Calcular a relação A/C teórico na combustão de 100kg do seguinte material:
Composição C H O N S
Química (kg) 72 14 8 2,8 3,2
P.atômico 12 1 16 14 32
Kmol 6,0 14,0 0,5 0,2 0,1
Reação e Balanceamento: 6C+14H+0,5O+0,2N+0,1S+x(O2+3,76N2)→6CO2+7H2O+0,1SO2+yN2
0,5.1+x.2=6.2+7.1+0,1.2
x=9,35
0,2.1+9,35.3,76.2=y.2
y=35,3
COMBUSTÃO
EXERCÍCIO 2:
Como utilizamos ar atmosférico na reação:
Quantidade de AR:
(9,35 x 32) + (9,35 x 3,76 x 28) = 1.283,6 kg
A/C teórico = 1.283,6 kg / 100 kg = 12,8:1 kg/kg
Quantidade de CO2:
(6 x 12) + (6 x 32) = 264 kg
Quantidade de H2O:
(7 x 2) + (7 x 16) = 126 kg
Quantidade de SO2:
(0,1 x 32) + (0,1 x 32) = 6,4 kg
Quantidade de N2:
(35,3 x 28) = 988,4 kg
COMBUSTÃO
EXERCÍCIO 3:
Calcular a relação A/C em kg/kg e m³/kg para os seguintes combustíveis com 20% de ar em excesso:
1kmol de Gasolina (C5H12)
1kmol de Óleo leve (C16H34)
100kg Madeira de Pinus
(C-50%, H-6%, O-43%, N-1%)
100kg Madeira de Eucalyptus
(C-49%, H-7%, O-42%, N-2%)
COMBUSTÃO
PONTOS COMPLEMENTARES.
NÃO DISCUTIDOS EM AULA.
ROTINAS PARA DETERMINAÇAO DE TEMPERATURA DE CHAMA
AVALIAÇÃO DOS RESÍDUOS GERADOS APÓS PROCESSO DE COMBUSTÃO.
LEGISLAÇÃO VIGENTE.
OUTROS SISTEMAS DE CONVERSÃO ENERGÉTICA.