MOTORES TÉRMICOS

PROF.: KAIO DUTRA

AULA 13-17 – MISTURAS REAGENTES E COMBUSTÃO

Fundamentos da Combustão◦Nas reações de combustão, a rápida oxidaçãodos elementos combustíveis do combustívelresulta em uma liberação de energia à medidaque os produtos de combustão são formados.

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Fundamentos da Combustão◦Uma combustão é dita completa quando todoo carbono presente no combustível se queimaformando água, todo o enxofre se queimaformando dióxido de enxofre e todos osoutros elementos combustíveis foremtotalmente oxidados.

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Fundamentos da CombustãoCombustíveis

◦Um combustível é simplesmente umasubstância comburente. Oscombustíveis hidrocarbonadoslíquidos são comumente derivados depetróleo cru através de processos dedestilação.◦Como exemplos têm-se a gasolina, oóleo diesel, o querosene e outrostipos de óleo combustíveis.

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Fundamentos da CombustãoCombustíveis

◦De modo a simplificar os cálculos emcombustão, a gasolina pode ser modeladacomo uma octana, C8H18, e o óleo dieselcomo uma dodecana, C12H26. O gás naturalconsiste em uma série de diferenteshidrocarbonetos sendo o metano, CH4, oprincipal.

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Fundamentos da CombustãoModelando o Ar de Combustível

◦Necessita-se de oxigênio para cadareação de combustão. Oxigênio puroé somente utilizado em aplicaçõesespeciais. Na maioria das aplicaçõesem combustão, o ar fornece ooxigênio necessário.

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Fundamentos da CombustãoModelando o Ar de Combustível

◦Como simplificação todos os componentes do ar, exceto ooxigênio, são agrupados juntamente com o nitrogênio.Consequentemente, em uma base molar o ar é consideradocomo 21% de oxigênio e 79% de nitrogênio. Assim, quando o arfornecer o oxigênio em uma reação de combustão cada mol deoxigênio é acompanhado por 3,76 (0,79/0,21) moles denitrogênio.

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0,21O2+0,79N2

Fundamentos da CombustãoRazão Ar-Combustível

◦A razão ar-combustível é simplesmente a razãoentre a quantidade de ar em uma reação pelaquantidade de combustível.

◦Esta razão pode ser escrita em base molar ou emuma base mássica.

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Fundamentos da CombustãoAr Teórico

◦A quantidade mínima de ar que fornece oxigêniosuficiente para a combustão completa de todo ocarbono, o hidrogênio e o enxofre presente nocombustível é denominada quantidade teórica dear.◦Para a combustão completa com a quantidadeteórica de ar, os produtos consistiram em dióxidode carbono, água, dióxido de enxofre, o nitrogênioque acompanha o oxigênio no ar e qualquernitrogênio contido no combustível.

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Fundamentos da CombustãoAr Teórico

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Fundamentos da CombustãoAr Teórico

◦Normalmente, a quantidade de ar fornecida é maior ou menorque a quantidade teórica. A quantidade de ar que é de fatofornecida é comumente expressa em termos da percentagem dear teórico.

◦De outra forma, a quantidade de ar fornecida pode ser expressacomo uma percentagem de excesso ou uma percentagem dedeficiência de ar.

◦Assim, 150% de ar teórico é equivalente a 50% de excesso de ar,e 80% de ar teórico é o mesmo que 20% de deficiência de ar.

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Fundamentos da CombustãoAr Teórico

◦Considere a combustão completa do metano com 150% de arteórico (50% de excesso de ar).

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Fundamentos da CombustãoRazão de Equivalência

◦A razão de equivalência é a razão entre averdadeira razão ar-combustível e a razão ar-combustível para a combustão completa com aquantidade teórica de ar.

◦Diz-se que os reagentes formam uma misturapobre quando a razão de equivalência é maior doque a unidade.

◦Quando esta razão for menor do que a unidade,diz-se que os reagentes formam uma mistura rica.

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Fundamentos da CombustãoDeterminando os Produtos de Combustão

◦Em uma combustão completa. Para umcombustível hidrocarbonado, os únicos produtospossíveis são CO2, H2O e N2 e também O2, caso sejafornecido um excesso de ar.

◦Quando se queima combustível no cilindro de ummotor de combustão interna, os produtos dareação variam com a temperatura e com a pressãono cilindro.

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Fundamentos da CombustãoDeterminando os Produtos de Combustão

◦Muito embora a quantidade de ar suprida em umprocesso de combustão real possa exceder aquantidade teórica, não é raro que algummonóxido de carbono e oxigênio não-queimadoapareçam nos produtos. Isso pode acontecerdevido a uma mistura incompleta, a um tempoinsuficiente para a combustão completa e a outrosfatores.

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Fundamentos da CombustãoExemplo 13.1

◦Determine a razão ar-combustível em base molar eem base mássica para a combustão completa daoctana, C8H18, com (a) a quantidade teórica de ar,(b) 150% de ar teórico (50% de excesso de ar).

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Fundamentos da CombustãoExemplo 13.2

◦Queima-se metano, CH4, com ar seco. A análisemolar dos produtos em base seca é CO2, 9,7%; CO,0,5%; O2, 2,95% e N2, 86,85%. Determine (a) arazão ar-combustível em uma base molar e emuma base mássica, (b) a percentagem de ar teórico,(c) a temperatura de ponto de orvalho dosprodutos, em °F, se a pressão for 1 atm.

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Conservação de EnergiaEntalpia Para Sistemas Reagentes

◦Quando existe uma reação química, reagentesdesaparecem e produtos são formados.

◦Um valor de entalpia para o estudo de sistemasreagentes pode ser estabelecido atribuindo-se umvalor arbitrário nulo para a entalpia doselementos estáveis em um estado denominadoestado de referência padrão e definido porTref=298,15K (25°C) e pref=1atm.

◦No estado padrão as formas estáveis dohidrogênio, do oxigênio e do nitrogênio são H2, O2e N2 e não H, O e N monoatômicos.

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Conservação de EnergiaEntalpia de Formação

◦A entalpia de formação é a entalpia liberada ouabsorvida quando o composto é formado pelosseus elementos, estando ambos a Tref e pref.

◦O dióxido de carbono é formado por carbono eoxigênio de acordo com:

◦Esta reação é exotérmica, a taxa detransferência de calor e as entalpias dascorrentes de entrada e de saída encontra-serelacionadas pelo balanço de energia.

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Conservação de EnergiaEntalpia de Formação

◦Consequentemente, o valor atribuído à entalpiaespecífica do dióxido de carbono no estado padrãoé igual à transferência de calor por mol CO2.

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Conservação de EnergiaAvaliando Entalpia

◦A entalpia específica de um composto em umestado que não o estado padrão é determinadopela adição da variação de entalpia específicaentre o estado padrão e o estado de interesse àentalpia de formação.

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Conservação de EnergiaBalanço de Energia

◦Ao se fazer balanços de energia que envolvemcombustão, várias considerações entram emcena.

◦O estado dos produtos e dos reagentes decombustão devem ser estimados. É importanteconhecer se os produtos de combustão sãomisturas gasosas ou se uma parte da águaformada na combustão se condensou.

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Conservação de EnergiaBalanço de Energia

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Conservação de EnergiaBalanço de Energia

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Conservação de EnergiaExemplo 13.4

◦ Octano líquido entra em um motor decombustão interna operando em regimepermanente com uma vazão mássica de 0,004lbm/s (0,0018Kg/s) e é misturado com aquantidade de ar teórico. O combustível e o arentram no motor a 77°F (25°C) e 1 atm. Amistura queima completamente e os produtosde combustão deixam o motor a 1140 °F(615,5°C). O motor desenvolve uma potência desaída de 50hp (36,8KW). Determine a taxe detransferência de calor do motor, em Btus/s,desprezando os efeitos de energia cinérica epotencial.

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Conservação de EnergiaSistemas Fechados

◦Consideremos um sistema fechado no qual sedesenvolve um processo de combustão.

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Entalpia de Combustão◦Muito embora o conceito de entalpia deformação permeie as formulações dos balançosde energia para os sistemas reativos, a entalpiade formação do combustível nem sempre éconhecida.◦Por exemplo, óleo combustível e carvão sãonormalmente compostos de uma série desubstâncias químicas cujas quantidadesrelativas podem variar consideravelmentedependendo da fonte.

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Entalpia de Combustão◦A entalpia de combustão é definida como adiferença entre a entalpia dos produtos e aentrada dos reagentes quando ocorre umacombustão completa em uma certatemperatura e pressão.

◦No entanto, em muitos casos de interesseprático a entalpia de combustão pode serdeterminada experimentalmente.

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Entalpia de Combustão◦Por meio de um balanço de energia, obtêm-se:

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Poder Calorífico◦O poder calorífico de um combustível é um

número positivo e igual ao módulo da entalpia decombustão.

◦Dois poderes caloríficos são reconhecidos por estenome:◦ O Poder Calorífico Superior (PCS): é obtido quando toda

a água formada na combustão é um líquido.◦ O poder Calorífico Inferior (PCI): é obtido quando toda a

água formada na combustão é vapor.

◦A diferença entre o poder calorífico superior e opoder calorífico inferior equivale à energia devaporização da água.

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Temperatura Adiabática de Chama

◦A temperatura que seria atingida pelosprodutos em um limite de operação adiabáticado reator é denominada temperaturaadiabática de chama.

◦Para um certo combustível e uma certatemperatura e pressão de reagentes, atemperatura adiabática de chama máxima estáassociada à combustão completa com aquantidade teórica de ar.

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