Combustão - Profissional Page of Prof. Mautonemautone.eng.br/apostilas/combustao/Combustao_Termoquimica.pdf · 2 sumÁrio introduÇÃo a combustÃo definiÇÕes bÁsicas combustÍveis

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Combustão

JOSÉ EDUARDO MAUTONE BARROSProfessor Adjunto da Universidade Federal de Minas Gerais

Coordenador do Laboratório de Combustíveis e Combustão

Doutor em Engenharia Mecânica - Térmica (UFMG)

Doutor em Engenharia Aeronáutica - Energia (ITA)

Engenheiro Químico (UFMG)

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SUMÁRIO

INTRODUÇÃO A COMBUSTÃO

DEFINIÇÕES BÁSICAS

COMBUSTÍVEIS

CLASSIFICAÇÃO DE CHAMAS

REGIMES DE COMBUSTÃO

QUEIMADORES INDUSTRIAIS

EMISSÕES

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DEFINIÇÕES BÁSICAS

Termoquímica– Calor de Formação

– Entalpia de Combustão

– Poder Calorífico

– Entalpia de reação

– Temperatura Adiabática de Chama

– Eficiência Energética

Convencional

Real

Exergética

– Balanço térmico

Temperatura de gases de combustão (fumaça

ou fumos)

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DEFINIÇÕES BÁSICASTermoquímica

Entalpia de Formação– A Entalpia de Formação (ΔHf

0) de um composto químico

é a variação da entalpia da reação de formação deste

composto a partir de suas espécies elementares que o

compõem, na sua forma mais fundamental, ou seja, é a

energia liberada ou absorvida pela reação de formação

de compostos.

– A Reação de Formação de um composto consiste na

formação do composto em questão a partir dos seus

elementos na sua forma mais estável em condições de

298,15 K e 101325 Pa.

C(s) + H2(g) ==> C4H10(g) ΔHf0 = -126.027,0 kJ/kmol (Butano)

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Calor de Formação– As entalpias padrão de formação são tabeladas, mas é

possível as calcular usando o método de Benson, 1993,

descrito no verbete “Heat of Formation Group Additivity” da

Wikipedia em inglês. Deve-se conhecer a fórmula estrutural.

H2(g) + ½ O2(g) ==> H2O(l) ΔHf0 = -285.565,1 kJ/kmol

H2(g) + ½ O2(g) ==> H2O(g) ΔHf0 = -241.595,6 kJ/kmol

– Observe que a diferença de entalpia de

formação da água no estado vapor e

no estado líquido é o seu calor latente de

vaporização.

H2O(l) ==> H2O(g) ΔHl0 = 43.969,5 kJ/kmol

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Entalpia de Combustão

– É a energia liberada pela reação de

combustão completa de um

combustível com um oxidante.

– Pode ser calculada a partir das

energias de formação.

– Os compostos em condições

elementares possuem entalpia de

formação igual a zero.

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Entalpia de Combustão– Exemplo de cálculo para o ácido benzóico

7 C s 7 O2 g 7 CO2 g 7 H f

07 393,51

3 H 2 g 1,5O2 g 3 H 2O l 3 H f

03 285.83

C7 H 6 O2 s 7 C s O2 g 3 H 2 g 1 H f

01 384.80

C7 H 6 O2 s 7,5O2 g 7 CO2 g 3 H 2O l H c

03227,26 kJ gmol

H c

026,45 kJ g

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Poder Calorífico– O poder calorífico superior (PCS) é definido com a

entalpia de combustão com sinal trocado,

considerando a água formada no estado líquido.

– O poder calorífico inferior (PCI) é definido com a

entalpia de combustão com sinal trocado,

considerando a água formada no estado gasoso.

– Unidades: [J/kg ou J/kmol ou J/Nm3]

– Observe que a diferença entre o PCI e o PCS é o

calor latente de vaporização da água.

H2O(l) ==> H2O(g) ΔHl0 = 43.969,5 kJ/kmol

o

OHlOH 22ΔHXPCSPCI

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Exercício – Calcular o poder calorífico

superior e inferior do Metano.

CH4 -74.920,0

CO -110.578,0

CO2 -393.769,0

SO2 -70.960,0

H2O(l) -286.028,0

H2O(g) -241.997,0

Calor Padrão de Formação

Hf (kJ/kmol)

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Poder Calorífico Superior– Medição com um calorímetro

– O PCI depende da determinação do

teor de hidrogênio no combustível

ou do teor de água formada na

combustão completa.

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Entalpia de Reação– É a energia liberada pela reação de combustão

real de um combustível com um oxidante (ΔHR).

– Ela varia conforme a razão

combustível/oxidante empregada.

– Ela varia com a pressão e temperatura dos

gases de combustão.

– Normalmente o máximo de liberação de

energia não coincide com a razão de mistura

estequiométrica.

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Temperatura Adiabática de Chama– É a temperatura que os produtos de combustão

atingiriam se toda a energia liberada na reação fosse

usada para o aquecimento destes gases.

– O processo é adiabático, pois não há troca de calor

com as vizinhanças do sistema.

– Forma de cálculo:

– O cálculo é feito considerando a vazão mássica de

gases de combustão liberado e do combustível

consumido.

PCIm)TT(cm comb0adgasespgases

diluiçãoararcombgases mmmm

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Temperatura Adiabática de Chama

– T0 é a temperatura inicial da mistura ar/combustível e

o calor específico a pressão constante (cp gases) é o

valor médio entre Tad e T0 para os gases de

combustão.

– O processo de cálculo é iterativo pois a capacidade

calorífica é função da temperatura.

– Os programas citados para cálculo de composição

também são capazes de calcular o PCS, o PCI, o

Calor de Reação e a Temperatura Adiabática de

Chama.

PCIm)TT(cm comb0adgasespgases

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Eficiência energética (h)

– Térmica

É definida como a energia útil dividida pelo

PCI do combustível.

A Energia Útil (E), por unidade de massa de

combustível, pode ser calor, trabalho

mecânico ou trabalho elétrico.

Contudo a energia disponível é bem inferior

ao PCI devido as condições de operação.

PCI

Eútilt

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Eficiência energética (h)

– Real

É definida como a energia útil dividida pelo

Calor de Reação do combustível, nas

condições de operação do equipamento.

Exige um detalhamento do funcionamento

do equipamento para ser calculada.

R

útiltr

H

E

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Eficiência energética (h)– Exergética

É definida como a energia útil dividida pelo Calor

de Reação do combustível, nas condições de

operação do equipamento, retirando a parte

irreversível da energia (I).

A irreversibilidade (I) é calculada pela segunda

Lei da Termodinâmica a partir da variação de

entropia (S) do sistema.

Exige um detalhamento do funcionamento do

equipamento para ser calculada.

IH

E

R

útilex

STI

extrt

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Balanço Térmico– Temperatura de saída da carga ?

– Temperatura dos gases de combustão ?

CargaCarga

Ar/Comb.

Fumaça

Perda de calor

Perda de calor

Forno

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Balanço Térmico

– Regime Permanente

CargaCarga

Ar/Comb.

Fumaça

Perda de calor

Perda de calor

Forno

0)TT(cmHmHHm 0gasesgasespgasesrcombperdidoaargcaargc

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Exemplo – Calcular a temperatura

adiabática de chama do GLP a

1 atmosfera, 25 oC e razão de

equivalentes de 1,0.

Gases Combustão do GLP

Temperatura

K

500 1,1423

1000 1,2155

1200 1,2402

1400 1,2626

1600 1,2828

1800 1,3010

2000 1,3174

2200 1,3322

2400 1,3456

2600 1,3518

2800 1,3686

cp médio

kJ/(kg K)

epson CA molar 0,03652 kmoles

PM combustível 51 kg/kmol

PCI 45983,51 kJ/kg

Temp. referência 298,15 K

moles fração molar PM

CO2 0,12783 0,11812 44

H2O 0,16435 0,15187 18

N2 0,79000 0,73001 28

1,08217 1,00000 28,37

Combustível (kg)

Gases de

combustão (kg)

Temperatura

Adiabática de

Chama (K) CP (kJ/kg/K)

Balanço de Energia

(kJ)

1,863 30,703 1000 1,2155 -59456,9

1,863 30,703 2000 1,3174 -16813,5

1,863 30,703 2200 1,3322 -7859,8

1,863 30,703 2400 1,3456 1185,3

1,863 30,703 2300 1,3389 -3357,8

1,863 30,703 2350 1,3423 -1091,4

1,863 30,703 2380 1,3439 252,0

1,863 30,703 2370 1,3431 -213,9

1,863 30,703 2375 1,3435 19,0

2102 oC

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Exercício – Qual a temperatura da

fumaça ao sair de um forno com

40% de eficiência térmica,

queimando GLP a 1 atmosfera, 25 oC

e razão de equivalentes de 1,0?

Considerar as perdas como 5% da

potência de entrada.

Gases Combustão do GLP

Temperatura

K

500 1,1423

1000 1,2155

1200 1,2402

1400 1,2626

1600 1,2828

1800 1,3010

2000 1,3174

2200 1,3322

2400 1,3456

2600 1,3518

2800 1,3686

cp médio

kJ/(kg K)

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BIBLIOGRAFIA

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS

TÉCNICAS. NBR 5484: Motores alternativos de

combustão interna de ignição por compressão

(Diesel) ou ignição por centelha (Otto) de

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http://redenacionaldecombustao.org/escoladecomb

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