Sistemas Energéticos. 3º ano 6º semestre Aula 4

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1 Sisemas Energéicos 3º ano 6º semesre Aula 4

2 Aula 4: Poder calorífico, Enalpia da combusão e Temperaura Teórica de combusão 2

3 Tópicos Poder calorífico Relação enre o Poder Calorífico em Massas Diferenes Fracções volúmicas Cálculo da Enalpia do ar e dos Produos de Combusão 3 Temperaura da Combusão Marcha do cálculo

4 Reagenes Produos 4 - Combusão Ar Forno Gases Biaómicos Combusível Combusão (Aumeno da Temperaura) Gases Triaómicos Água Oxigénio excedene 4

5 4.1 - Poder calorífico Os combusíveis liberam calor durane a sua queima. O calor liberado esá inimamene ligada a composição do combusível. A quanidade de calor liberada durane a combusão de uma unidade de um combusível é chamada poder calorífico do combusível e designa-se por Q e em a dimensão de kj/kg, kj/m 3 ou kj/kg mole. Em engenharia disinguem-se o poder calorífico superior 5 e inferior.

6 4.1 - Poder calorífico o Poder calorífico inferior: é a quanidade de calor liberada pela combusão complea de uma unidade em volume ou massa de um combusível, quando queimado compleamene a uma cera emperaura, permanecendo os produos de combusão em fase gasosa (sem condensação do vapor de água). 6 Poder calorífico superior: é a quanidade de calor liberada pela combusão complea de uma unidade em volume ou massa de um combusível, quando queimado compleamene a uma deerminada emperaura, levando-se os produos da combusão, por resfriameno, à emperaura da misura inicial (o vapor de água é condensado e o calor recuperado).

7 4.1 - Poder calorífico 7

8 4.1 - Poder calorífico A diferença enre o poder calorífico superior e inferior por quilograma de água é dada por: Q s Qi 2677,9 160, ,39 kj/kg comb (4.1) Como os produos de combusão conêm uma misura de combusíveis (W 1 ) e a água formada com a queima de hidrogénio (W 2 =H 2 O/H 2 =18/2H=9H), a diferença enre o poder calorífico superior e inferior por quilograma de combusível é dada por: Q Q 2516,39 W W 2516,39 W 9 H kj/kg s i comb (4.2) 8 Ou se W 1 e H forem dados em percenagem Q Q 25,1639 W 9 H kj/kg s i 1 comb (4.3)

9 4.1 - Poder calorífico O poder calorífico de combusíveis sólidos e líquidos é geralmene deerminado na base da análise elemenar pela formula empírica de Mendeleev comb Qs 4,187 81C 300H 26 O S kj/kg (4.4) Ou para o poder calorífico inferior comb Qi 4,187 81C 300H 26 O S 6 W 9 H kj/kg (4.5) O poder calorífico superior do carvão é por vezes deerminado 9 pela fórmula de Dulong O Qs 4,187 80,8C 344, 6H 22,5 S kj/kg comb 8 (4.6)

10 4.1 - Poder calorífico Para combusíveis gasosos o poder calorífico calcula-se de: Q 108,3 H 126,8 CO 234, 6 H S 359,3 CH i ,5 C H 915,4 C H 592,5C H 1190,2 C H ,4 C5H12 862,7 C3H ,7 C4H8 kj mcomb (4.7) 10

11 4.2 -Relação enre o Poder Calorífico em Massas Diferenes Para se calcular o poder calorífico inferior do combusível da massa de rabalho a parir da massa seca uiliza-se a seguine expressão: s 100 W Qi Qi 0, 025 W kj/kg 100 comb (4.8) Para se calcular o poder calorífico inferior do combusível da massa de rabalho a parir da massa do combusível uiliza-se a seguine expressão: A W c Qi Qi 0, 025 W MJ/kg 100 comb (4.9)

12 4.3 - Fracções volúmicas olume dos Gases de Combusão [m 3 N/kg comb ] o ,21 g R R H ar (4.10) A fracção olúmica real dos Gases Triaómicos Secos nos Gases de Combusão é dada por: r R0 2 R0 g 2 (4.11) A fracção olúmica real dos Gases Biaómicos Secos nos Gases de Combusão é dada por: r R 2 R g 2 (4.12) 12 A fracção olúmica real da Água nos Gases de Combusão é dada por: r HO 2 HO 2 g (4.13)

13 4.4 -Cálculo da Enalpia do ar e dos Produos de Combusão A fracção olúmica real do Oxigénio excedene nos Gases de Combusão é dada por: O 2 ro 2 A enalpia Onde: I r. C r. C r. C r. C g RO RO N N H O H O O O (CΘ) ar - enalpia específica do ar (4.14) eórica do ar e dos produos de combusão calcula-se usando as seguines expressões [kj/m 3 ] : g (4.15) 13 (CΘ) RO2 - enalpia específica dos gases riaómicos (CΘ) N2 - enalpia específica do nirogénio (CΘ) H2O - enalpia específica do vapor de água (CΘ) O2 - enalpia específica do oxigénio

14 4.5 -Cálculo da Enalpia dos Produos de Combusão alor Reduzido de Cinzas nos Produos de Combusão [g/mws] A 10 A a / Q red r arr i (4.16) Se A red > 4, no cálculo dos produos de combusão deve-se levar em consideração a enalpia de cinzas I 0,001A a C cinz arr cinz Enalpia dos Produos de Combusão [Kj/m 3 ] I I I pc g cinz (4.17) (4.18) A enalpia dos produos de combusão será calculada para a faixa de 14 emperaura de ºC, sendo esa, a recomendada para as fornalhas

15 4.6 -Temperaura da Combusão A emperaura da combusão é enendida como a emperaura que os produos de combusão adquirem do calor envolvido na combusão. Exise diferença enre a emperaura eórica e calorimérica da queima. A emperaura eórica de queima é deerminada endo em cona a dissociação nos produos de combusão, iso é:, T Q q c w dis pc v p (4.19) Onde: Q w è o poder calorífico do combusível kj/m 3 ou kj/kg q dis é o calor despendido na dissociação kj 15 pc é o volume dos produos de combusão por unidade de combusível m 3 c v é o calor específico dos volumes de combusão kj/(m 3 K)

16 4.6 -Temperaura da Combusão A emperaura calorimérica é calculada assumindo que odo o calor envolvido é gaso em elevar a emperaura dos produos de combusão, sem rocas de calor com o ambiene. T Q c w pc (4.20) Onde: Q w - é o poder calorífico do combusível kj/m 3 ou kj/kg cp o volume dos produos de combusão por unidade de combusível m 3 C - é o calor específico dos volumes de combusão kj/(m 3 K) 16

17 4.6 -Temperaura da Combusão Com o pré-aquecimeno de ar ou de combusível, a emperaura calorimérica pode se calcular da fórmula: T Q w Q pc c ph (4.21) Onde: 17 Q w é o poder calorífico do combusível kj/m 3 ou kj/kg Q ph é é o calor usado para o aquecimeno do ar ou do combusível cp é o volume dos produos de combusão por unidade de combusível m 3 c é o calor específico dos gases de combusão kj/(m 3 K)

18 4.6 -Temperaura da Combusão Ouro méodo de cálculo da emperaura dos produos é usar a enalpia específica que é o produo enre o calor específico e a emperaura. I c T 3 pc v, p kj/m (4.22) Combinando as Equações 4.19 e 4.21, obém-se: Q I w pc cp A quanidade de calor ransferido na combusão por unidade de combusível é o produo da enalpia pelo volume dos produos de kj (4.23) 18 combusão, que ambém se pode escrever: I pc Q kj kj w ou 3 g m kg (4.24)

19 4.6 -Temperaura da Combusão Para o caso de aquecimeno do ar a enalpia do ar (I ar ) calcula-se da seguine fórmula: I ar T c o ar p ar ar g (4.25) Para o caso de aquecimeno do combusível ao Enalpia do combusível 19 (I comb ) calcula-se da seguine fórmula I comb T c comb p comb Onde: T ar é a emperaura a que o ar é aquecido C par é o calor específico do ar α ó o coeficiene de excesso de ar ar volume eórico do ar T comb emperaura a que o combusível é aquecido C pcomb - calor específico do combusível ar volume dos gases de escape g (4.26)

20 4.6 -Temperaura da Combusão Combinando as Expressões 4.15 e 4.24 Qw I pc I g Icinz (4.27) g O procedimeno agora consise em aribuir emperauras aos produos de combusão, reirar as enalpias das abelas e subsiuir na expressão aé que a pare esquerda da equação se iguale a direia, ai reira-se a emperaura eórica de combusão. 20 r. C r. C r. C r C I RO RO N N H O H O O O cinz Q w cp (4.28)

21 4.6 -Temperaura da Combusão Considerando que o ar é pré-aquecido a Expressão 4.27 orna-se I I I pc g cinz I I I pc g cinz Q T c o w ar p ar g ar Q T c w comb p g comb (4.29) Considerando que o combusível é pré-aquecido a Expressão 4.27 orna-se (4.30) 21 Considerando que o combusível e o ar são pré-aquecidos a Expressão 4.27 orna-se I I I pc g cinz Q T c T c o w ar p ar comb p ar g comb (4.31)

22 Enalpia (kj/m3) 4.6 -Temperaura da Combusão Ivg Ir Temp ºC

23 4.6 -Temperaura da Combusão kj 3 I r. C r. C r. C r. C g RO RO N N O O H O H O m 23

24 Sub Cálculo_Tc() 4.6 Temperaura da Combusão ' Cálculo_Tc Macro ' Macro recorded by Jorge Olivio Penicela Nhambiu ' ' Keyboard Shorcu: Crl+Shif+C Dim x1,y1,z1 24 x1 = Range("E42").alue z1 = 1000 y1 = Range("E48").alue Do z1 = z Range("e43").alue = z1 y1 = Range("e48").alue Loop Unil Abs(x1 - y1) < 0.1 End Sub

25 4.7- Marcha do cálculo (I) 1. Calcula-se a massa de rabalho do combusível; 2. Calcula-se o volume eórico do ar; 3. Calcula-se o volume eórico dos Gases Biaómicos; 4. Calcula-se o volume eórico de água; 5. Calcula-se o volume dos Gases Triaómicos; 6. Calcula-se o volume real dos Gases Biaómicos; 7. Calcula-se o volume real de água; 8. Calcula-se o volume dos Gases Triaómicos; 25

26 4.7 -Marcha do cálculo (II) 9. Calcula-se o volume do Oxigénio excedene; 10. Calcula-se o volume dos Gases de Combusão; 11. Calcula-se as fracções dos gases; 12. Calcula-se o Poder Calorífico Inferior ; 13. Calcula-se a enalpia deerminada pelo poder calorífico ; 14. Calcula-se a enalpia dos gases de combusão; 15. Aravés de cálculo ieraivo obém-se a emperaura eórica de combusão. 26

27 Enalpia (kj/m 3 ) de 1m 3 de Gases a emperaura. dada e pressão de 1bar 27 Temp. ºC CO 2 N 2 H 2 O O 2 Ar Seco Cinzas ,13 150,18 131,98 130,51 81, ,67 260,6 303,47 267,38 261,94 169, ,24 392,41 461,36 407,48 395,42 264, ,44 526,89 623,69 551,85 532,08 360, ,78 664,58 791,55 700,17 672,01 458, ,77 805,06 964,68 851,64 814,96 560, ,41 940, ,6 1005,24 960,75 662, , , ,1 1162, ,05 768, , , ,9 1319, ,36 825, , , ,3 1480, ,86 985, , , ,7 1641, , , , , ,8 1802, , , , , , , , , , ,3 2129, , , , , ,4 2296, , , , , ,1 2463, , , ,1 2486, ,1 2632, ,6 2065, , , ,9 2800, , , , , ,9 2971,3 2841, , , , ,7 3142, , , , , ,8 3314, , , ,2 3295, ,8 3487, , , , ,2 4485,3 3662, , , , ,4 3837, , , , ,7 4014, ,29 -