mÁquinas tÉrmicas at-056 - engenharia industrial ...ƒo introduÇÃo: uma das formas mais...

MÁQUINAS TÉRMICAS

AT-101

Universidade Federal do Paraná

Curso de Engenharia Industrial Madeireira

Dr. Alan Sulato de Andrade

alansulato@ufpr.br

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.