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MÁQUINAS TÉRMICAS

AT-101

Universidade Federal do Paraná

Curso de Engenharia Industrial Madeireira

Dr. Alan Sulato de Andrade

alansulato@gmail.com

COMBUSTÍVEIS

COMBUSTÍVEIS

INTRODUÇÃO:

Um dos mais importantes campos de estudo no

conjunto das ciências e da tecnologia é, sem dúvida, o

dos “combustíveis” .

Devido ao fato de serem utilizados para “mover” o mundo.

COMBUSTÍVEIS

INTRODUÇÃO:

Somente com a grande atividade industrial atual

tornou-se possível o crescente fornecimento de

energia, que pode ser utilizada sob a forma

conveniente de energia calorífica, obtida através dos

combustíveis.

COMBUSTÍVEIS

INTRODUÇÃO:

Existem basicamente três grandes fontes de energia:

As forças da natureza, tal como a gravidade em

quedas de água, solar e outras,

Os combustíveis, que podem ser sólidos, líquidos

ou gasosos,

A energia atômica, libertada de reações nucleares.

Atualmente, os combustíveis ainda são a mais

importante fonte de energia. Por quanto tempo?

COMBUSTÍVEIS

DEFINIÇÃO:

De modo geral, denomina-se combustível como sendo

qualquer substância natural ou artificial que em

combinação química com o oxigênio libere energia

térmica por meio de uma reação exotérmica.

COMBUSTÍVEIS

COMPOSIÇÃO:

Os elementos químicos que entram na composição da

maioria dos combustíveis são:

carbono,

hidrogênio,

oxigênio,

nitrogênio e

enxofre.

COMBUSTÍVEIS

COMPOSIÇÃO:

A qualidade do combustível é dada pelos elementos

carbono (C) e hidrogênio (H); o enxofre (S), apesar

de combustível, é indesejável, o oxigênio (O) diminui

a quantidade unitária de calor desprendida, pois é

considerado como já combinado com o hidrogênio; o

nitrogênio (N) também não é desejável, pois não

apresenta, no campo da combustão industrial, reação

com oxigênio com liberação de calor.

COMBUSTÍVEIS

UTILIZAÇÃO:

Para que um material possa ser considerado

industrialmente como sendo “combustível”, são

necessários os seguintes requisitos técnicos e

econômicos: Disponibilidade,

Facilidade de uso,

Não formação, durante a combustão, de substâncias tóxicas ou

corrosivas,

Fácil obtenção,

Baixo custo de produção,

Segurança no armazenamento e no transporte.

COMBUSTÍVEIS

UTILIZAÇÃO:

Nos dias atuais, os combustíveis são representados

pelos materiais carbonáceos comumente disponíveis

e que podem ser queimados facilmente ao ar

atmosférico com desprendimento de grande

quantidade de calor e controlável sem grande esforço.

COMBUSTÍVEIS

OFERTA DE ENERGIA:

COMBUSTÍVEIS

OFERTA DE ENERGIA:

COMBUSTÍVEIS

EVOLUÇÃO DA OFERTA NO BRASIL:

COMBUSTÍVEIS

OFERTA DE ENERGIA:

COMBUSTÍVEIS

UTILIZAÇÃO:

COMBUSTÍVEIS

OFERTA DE ENERGIA :

Atualmente, o consumo de energia no mundo está

resumido, em sua grande maioria, pelas fontes de

energias tradicionais como petróleo, carvão mineral e

gás natural. Esses combustíveis são poluentes, não-

renováveis e a cada dia que passa seus preços

tendem a aumentar.

COMBUSTÍVEIS

PERSPECTIVAS FUTURAS:

COMBUSTÍVEIS

PERSPECTIVAS FUTURAS:

COMBUSTÍVEIS

QUANTO CUSTA?

PREÇO DO PETRÓLEO:

%?

COMBUSTÍVEIS

CLASSIFICAÇÃO:

Os combustíveis podem ser classificados quanto:

A sua origem:

Fósseis e (Não-Renováveis)

Vegetais (Renováveis)

A sua natureza:

Natural e

Artificial.

COMBUSTÍVEIS

CLASSIFICAÇÃO:

O seu estado físico:

Sólido,

Líquido e

Gasoso.

COMBUSTÍVEIS

CLASSIFICAÇÃO:

COMBUSTÍVEIS

CLASSIFICAÇÃO:

Combustíveis Sólidos:

Para que sejam utilizados devem possuir poder

calorífico elevado, alta disponibilidade e que queime

com facilidade.

Naturais: lenha, casca, turfa, carvão mineral, xisto

Artificiais: coque, briquetes, carvão vegetal

COMBUSTÍVEIS

CLASSIFICAÇÃO:

Combustíveis Líquidos:

Possuem certas vantagens em relação aos sólidos,

tais como poder calorífico mais elevado, maior

facilidade e economia de armazenagem e fácil

controle de consumo.

Naturais: petróleo bruto.

Artificiais: produtos da destilação de petróleo,

álcoois e óleos vegetais.

COMBUSTÍVEIS

CLASSIFICAÇÃO:

Combustíveis Gasosos:

Possuem certas vantagens em relação aos

combustíveis sólidos, tais como: permitir a eliminação

de parte da fumaça e cinzas, melhor controle de

temperatura e comprimento das chama.

Naturais: gás natural

Artificiais: GLP, acetileno, propano, butano

COMBUSTÍVEIS

PROPRIEDADES:

Como visto, cada tipo de combustível em função de

seu estado ou natureza pode apresentar uma grande

diferença em suas propriedades, deste ponto em

diante iremos discutir as principais propriedades dos

combustíveis.

COMBUSTÍVEIS

PROPRIEDADES:

Poder calorífico,

Composição química,

Viscosidade,

Ponto de fluidez,

Calor latente,

Ponto de fulgor e

Umidade,

Densidade.

COMBUSTÍVEIS

PODER CALORÍFICO:

É a quantidade de energia desprendida por unidade

de massa ou de volume na combustão completa de

um material combustível. Depende basicamente da

composição química de cada combustível sendo

expressa em J/kg, cal/kg, ou J/Nm³.

Existem dois poderes caloríficos:

Poder Calorífico Superior e

Poder Calorífico Inferior.

COMBUSTÍVEIS

PODER CALORÍFICO:

Poder Calorífico Superior (PCS):

É a quantidade de calor (energia) liberada quando um material entra em combustão e os gases da descarga são resfriados de modo que o vapor de água neles seja condensado.

Poder Calorífico Inferior (PCI):

É a quantidade de calor (energia) liberada quando um material entra em combustão e os gases de descarga são resfriados até o ponto de ebulição da água, evitando assim que a água contida na combustão seja condensada.

COMBUSTÍVEIS

PODER CALORÍFICO:

O PCS é dado por a soma da energia liberada na forma de calor e a energia gasta na vaporização da água que se forma numa reação de oxidação.

O PCI corresponde somente a energia liberada na forma de calor.

Para combustíveis que não contenham hidrogênio na sua composição, o valor de PCS é igual ao do PCI, porque não há a formação de água e consequentemente não há energia gasta na sua vaporização. Assim, o PCS é sempre maior ou igual ao PCI, pois o PCS. aproveita o a entalpia de condensação da água

COMBUSTÍVEIS

PODER CALORÍFICO:

Como a temperatura dos gases de combustão é muito

elevada nas máquinas térmicas, a água contida nelas

se encontra sempre no estado de vapor, portanto, o

que deve ser considerado é o poder calorífico inferior

e não o superior.

COMBUSTÍVEIS

PODER CALORÍFICO:

Determinação do poder calorífico dos combustíveis.

COMBUSTÍVEIS

PODER CALORÍFICO:

Determinação do poder calorífico dos combustíveis.

PCS=(33900*%C)+(141800*(%H-(%O/8)))+(9200*%S)

PCI=PCS-(2440*((9*%H)+%U)) % em Escala absoluta

PCS=Poder Calorífico Superior (KJ/Kg)

C=Teor de Carbono

H=Teor de Hidrogênio

S=Teor de Enxofre

O=Teor de Oxigênio

PCI=Poder Calorífico Inferior (KJ/Kg)

U=Teor de umidade (Base úmida)

COMBUSTÍVEIS

PODER CALORÍFICO:

Determine através das formulas o poder calorífico

superior e inferior do combustível, sabendo que este

apresenta a seguinte composição química:

C=52%

H=6%

O=41%

N=1%

S=0% - (Apenas traços)

U=30% (Umidade base seca)

COMBUSTÍVEIS

PODER CALORÍFICO:

Para madeira, podemos utilizar as seguintes funções:

PCS=(33900*%C)+(141800*(%H-(%O/8)))

PCI=PCS-(22572*%H) = PCS-1354,32 (Considerando 6% de Hidrogênio)

PCLu=PCI*(1-%U)-(25,08*%U)

% em Escala absoluta

PCS=Poder Calorífico Superior (KJ/Kg)

PCI=Poder Calorífico Inferior (KJ/Kg)

PCLu=Poder Calorífico Líquido na umidade U (KJ/Kg)

U=Teor de umidade (base úmida)

COMBUSTÍVEIS

PODER CALORÍFICO:

Construa um gráfico da variação do PCLu em função Teor

de umidade (Umidade Base Úmida)

U=20%

U=40%

U=60%

U=80%

U=100%

Calcule o ponto (Umidade Base Úmida) onde a energia

contida no combustível seria todo utilizado para promover

a evaporação da água.

COMBUSTÍVEIS

PODER CALORÍFICO:

Estime a quantidade necessária de combustível

(Ubu=40%) para promover o fornecimento de 250MJ de

energia para um processo onde a eficiência de conversão

térmica é igual a 60%.

COMBUSTÍVEIS

PODER CALORÍFICO:

COMBUSTÍVEIS

PROPRIEDADES:

Composição química (% de C, H, O, N, S e Cinzas):

Carbono e hidrogênio são os elementos que mais

contribuem para o poder calorífico. O oxigênio

presente em combustíveis diminui o poder calorífico,

bem como as exigências teóricas de ar de combustão.

COMBUSTÍVEIS

PROPRIEDADES:

Composição química (% de C, H, O, N, S e Cinzas):

Embora o enxofre seja combustível este traz

conseqüências prejudiciais ao meio ambiente e aos

equipamentos, sendo que os produtos de sua

combustão em presença de umidade formam acido

sulfúrico que tende a atacar as partes mais frias dos

equipamentos, causar "chuva acida” e caso a

atmosfera da combustão seja redutora pode haver

formação de compostos que são perigosos e

produzem mal cheiro.

COMBUSTÍVEIS

PROPRIEDADES:

Composição química (% de C, H, O, N, S e Cinzas):

O Nitrogênio e responsável pela formação de diversos óxidos que são compostos de alta irritabilidade para as mucosas alem de reagirem com a camada atmosférica de ozônio.

As cinzas podem promover mudança nas características de transferência de calor e problemas respiratórios (smog).

Legislação vigente quanto a emissões.

COMBUSTÍVEIS

PROPRIEDADES:

Viscosidade (mPas, cP):

É uma indicação da resistência que o fluido

apresentará para escoar, desta forma, quanto maior a

viscosidade, maior será a coesão entre as moléculas

e a resistência ao escoamento. Importante para o

controle de armazenamento, bombeamento e

pulverização para combustão. Graus SAE (Society of

Automotive Engineers), são expressos por dezenas

inteiras, sendo o óleo mais fino ou menos viscoso de

grau igual a 10.

COMBUSTÍVEIS

PROPRIEDADES:

Ponto de fluidez (°C),

Indica a temperatura mínima para que os derivados

de petróleo escoam sem apresentar problemas.

COMBUSTÍVEIS

PROPRIEDADES:

Calor Latente (kcal, J):

Corresponde a quantidade de calor absorvido pelos

corpos na sua mudança de estado, sem que haja

aumento aparentemente de temperatura. O calor

latente necessário à fusão, liquefação ou gaseificação

varia com sua natureza. Na passagem do estado a

substancia não muda de temperatura enquanto dura

sua transformação, e todo calor empregado é

absorvido para produzir mudança de estado.

COMBUSTÍVEIS

PROPRIEDADES:

Ponto de Fulgor (°C):

É a temperatura de inflamação do combustível;

Coque = 660°C

Álcool etílico = 402°C

n-Octano = 220°C

COMBUSTÍVEIS

PROPRIEDADES:

Umidade (%):

Quantidade de água contida no combustível.

Normalmente encontrada em todos os combustíveis,

principalmente nos sólidos, reduz o poder calorífico.

Carvão mineral = 10% até 30%

Lenha = 10% até 80%

COMBUSTÍVEIS

PROPRIEDADES:

Densidade (kg/m³, g/cm³):

Massa por unidade de volume de um combustível.

Coque = 1070 kg/m³

Madeira de Pinus = 450 kg/m³

Gasolina = 850 kg/m³

Metano = 0,680 kg/m³

COMBUSTÍVEIS

COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS:

Pode ser encontrado em diversas formas na natureza

como:

Turfa,

Linhita,

Carvão Mineral,

Biomassa (Lenha, Bagaço de cana, Serragem,

Casca de arroz e Outros).

COMBUSTÍVEIS

COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS:

Principais propriedades a serem avaliadas:

Poder calorífico,

Composição química,

Umidade,

Granulometria,

Densidade.

COMBUSTÍVEIS

COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS:

Os principais combustíveis sólidos utilizados no mundo

são a lenha e o carvão mineral na geração de energia

no mundo.

COMBUSTÍVEIS

COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS:

Carvão Mineral

O carvão mineral é uma rocha sedimentar

combustível,

O carvão mineral foi formado por material orgânico

soterrado, especialmente durante períodos

Carbonífero e Permiano.

Os maiores produtores de carvão mineral são a China,

os Estados Unidos, Austrália e Rússia.

COMBUSTÍVEIS

COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS:

Turfa

Se constitui na primeira fase de formação do carvão

mineral. Apresenta elevada umidade, mas secadas ao

ar reduz-se a umidade para cerca de 30%.

Linhita

Fase intermediária entre o turfa e o carvão

betuminoso. Apresenta teor de umidade entre 30 e

50%, mas quando secada ao ar esta umidade pode

cair para entre 10 e 20%.

COMBUSTÍVEIS

COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS:

Hulha (Carvão betuminoso)

Este material possui um maior teor de carbono do que

a lignite (entre os 70% e 80%) sendo a sua

constituição majoritariamente de materiais voláteis e

pouca quantidade de água. Este encontra-se a uma

profundidades maior que a Linhita sendo a sua

extração mais dispendiosa mas com um maior retorno

monetário.

COMBUSTÍVEIS

COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS:

Antracita

Este material possui um maior teor de carbono do que

qualquer outro tipo (cerca de 90% da sua constituição)

devido a este fato muitos consideram que este tipo de

carvão já esta numa fase meteorisada.

COMBUSTÍVEIS

COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS:

COMBUSTÍVEIS

COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS:

Carvão Mineral

Devido ao seu alto teor de cinzas e enxofre o carvão

mineral brasileiro não e muito utilizado industrialmente,

a não ser nas localidades próximas a minas

produtoras na produção de energia e na industria de

cimento.

COMBUSTÍVEIS

COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS:

Classificação do Carvão Mineral

COMBUSTÍVEIS

COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS:

Composição do Carvão Mineral Nacional

COMBUSTÍVEIS

COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS:

Biomassa

Provavelmente o primeiro combustível a ser utilizado

pelo homem foi a lenha. E um combustível

amplamente utilizado no Brasil, tanto em aplicações

domésticas como em aplicações industriais para

geração de energia térmica. E caracterizada por baixo

teor de cinzas, ausência total de enxofre e umidade

variável a qual depende do tempo e do método de

armazenagem.

COMBUSTÍVEIS

COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS:

Biomassa

Poder Calorífico da Lenha:

PCS = 4500 kcal/kg ≈ 18MJ/kg

PCI 50%Umidade = 1990 kcal/kg

PCI 35%Umidade = 2770 kcal/kg

PCI 10%Umidade = 4070 kcal/kg

COMBUSTÍVEIS

COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS:

Biomassa

COMBUSTÍVEIS

COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS:

Biomassa

COMBUSTÍVEIS

COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS:

Os combustíveis empregados são constituídos de:

Hidrocarbonetos,

Benzol e

Álcoois.

COMBUSTÍVEIS

COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS:

Os hidrocarbonetos são usualmente derivados de

petróleo: Gasolina, nafta, querosene, óleo diesel e

óleo combustível e consistem em frações obtidas da

destilação de petróleo. Apenas o óleo combustível é

queimado em geradores de energia industrial;

Parâmetros avaliados: teor de enxofre, viscosidade,

ponto de fluidez, ponto de fulgor e densidade;

COMBUSTÍVEIS

COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS:

COMBUSTÍVEIS

COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS:

COMBUSTÍVEIS

COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS:

As característica do petróleo (Fatores geológicos como

localização da jazida, idade e profundidade)

determinam a faixa de extração de cada um dos

componentes.

COMBUSTÍVEIS

COMBUSTÍVEIS GASOSOS:

Visualiza-se um aumentado da aplicabilidade dos

combustíveis gasosos na industria nacional.

Respondendo a demanda por fontes de energia mais

limpas e eficientes. A limitação de seu crescimento

esta na disponibilidade e distancia dos centres

consumidores pela sua maior dificuldade de

transporte.

Para curto e médio prazo há incertezas sobre o

assunto GN no Brasil.

COMBUSTÍVEIS

COMBUSTÍVEIS GASOSOS:

Gás Natural é obtido em campos petrolíferos e tem

sido muito explorado recentemente, porem deve ser

transportado por gasodutos, o que dificulta sua maior

utilização dada a necessidade de investimento em

infra-estrutura. É uma composição de diversos gases:

Metano, etano, propano, butano, nitrogênio e dióxido

de carbono são os principais.

Apresenta característica bastante variável.

A presença de enxofre é pequena.

COMBUSTÍVEIS

COMBUSTÍVEIS GASOSOS:

Gás Liquefeito de Petróleo é obtido no processo de

destilação do petróleo e é um importante combustível,

tanto de aplicação industrial como domestica. É

composto basicamente por propano, propeno, butano

e buteno;

Liquefazem a pressões relativamente baixas.

COMBUSTÍVEIS

RESÍDUOS:

Resíduos e subprodutos:

Urbanos,

Agrícolas,

Pecuários,

Florestais,

Agroindustriais.

COMBUSTÍVEIS

RESÍDUOS:

RESÍDUOS URBANOS

Compreendem os resíduos do lixo e esgoto. Não

apresentam um alto poder calorífico, mas por

apresentar elevado volume em grandes cidades sua

utilização pode ser atraente.

Necessidade de desenvolver tecnologia para

minimizar os impactos ambientais

COMBUSTÍVEIS

RESÍDUOS:

RESÍDUOS AGRÍCOLAS

Resultantes da colheita e do processamento de

cultivos. Sua exploração dever ser feita de maneira

racional e são constituídos basicamente pela palha de

diversas culturas.

COMBUSTÍVEIS

RESÍDUOS:

RESÍDUOS PECUÁRIOS

São constituídos dos excrementos de bovinos, ovinos,

suínos e de aves. Podem ser secos e utilizados para

queima ou para a produção de biogás (decomposição

anaeróbica).

COMBUSTÍVEIS

RESÍDUOS:

RESÍDUOS FLORESTAIS

São constituídos dos subprodutos das atividades de

silvicultura ou da fruticultura como: galhos, folhas,

acículas e troncos deixados no campo.

COMBUSTÍVEIS

RESÍDUOS:

RESÍDUOS AGROINDUSTRIAIS

São provenientes da industrias de transformação de

produtos agrícolas. Os principais resíduos utilizados

são oriundos das seguintes atividades agroindustriais:

indústria de açúcar e álcool, matadouros e frigoríficos,

cortumes, industria da pesca, fábrica de doces e

conservas, indústrias madeireiras, indústria de papel e

celulose. A tecnologia para o usos enérgico dos

resíduos agroindustriais são duas: queima em fornos e

geradores de vapor ou biodigestão anaeróbica.

COMBUSTÍVEIS

DENDROENERGIA:

A utilização do termo dendroenergia é recente, contudo a utilização da dendroenergia remonta dos tempos pré-históricos. O termo dendroenergia hoje é utilizado para designar a “energia das árvores” e sua utilização em processos térmicos.

Processos básicos de conversão dendroenergética:

Combustão de biomassa;

Pirólise da biomassa

Gaseificação da biomassa;

COMBUSTÍVEIS

DENDROENERGIA:

COMBUSTÃO DE BIOMASSA

A queima direta é a tecnologia de conversão mais antiga e mais difundida comercialmente;

O processo de combustão da biomassa ocorre em seis etapas consecutivas: Secagem, emissão de voláteis, ignição de voláteis, queima de voláteis em chama, extinção da chama dos voláteis e combustão do resíduo de carbono (coque).

COMBUSTÍVEIS

DENDROENERGIA:

PIRÓLISE DA BIOMASSA

Promove a degradação térmica da biomassa em ausência total ou quase total de agente oxidante (ar) havendo a formação de outro combustível (sólido, líquido ou gasoso). Um caso particular de pirólise e a carbonização (produção de carvão vegetal), uma forma lenta de pirólise, pela queima direta da lenha com pouco oxigênio;

Há tecnologias de pirólise orientadas para obtenção de alcatrão, acido pirolenhoso, bio-óleos e de gases combustíveis.

COMBUSTÍVEIS

DENDROENERGIA:

GASEIFICAÇÃO DA BIOMASSA

Neste processo a biomassa é oxidada (queimada) parcialmente. A gaseificação térmica é semelhante a pirólise, exceto que a transformação térmica dos resíduos sólidos é determinada em presença de uma quantidade limitada de ar ou oxigênio, produzindo assim um gás combustível. Este gás pode ser utilizado em caldeiras ou em turbinas/geradores a combustão. Este processo gera subprodutos sólidos e líquidos.

COMBUSTÍVEIS

PONTOS COMPLEMENTARES.

APROFUNDAMENTO DA ANÁLISE SBOBRE O “BEN”DO MME.

MERCADO E DISPONIBILIDADE DE RECURSOS ENERGÉTICOS.

COMBUSTÍVEIS ALTERNATIVOS.

PROCESSOS ALTERNATIVOS.

POLÍTICAS ENERGÉTICAS.