Instalações Térmicas. 3º ano 6º semestre Aula 4

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1 Insalações Térmicas 3º ano 6º semesre Aula 4

2 2 Aula 4: Poder calorífico, Enalpia da combusão e Temperaura Teórica de combusão Prof. Douor Engº Jorge Nhambiu Insalações Térmicas

3 Prof. Douor Engº Jorge Nhambiu Insalações Térmicas 3 Tópicos Poder calorífico Relação enre o Poder Calorífico em Massas Diferenes Fracções volúmicas Cálculo da Enalpia do ar e dos Produos de Combusão Temperaura da Combusão Marcha do cálculo

4 Ar Combusível 4 - Combusão Forno Gases Biaómicos Gases Triaómicos Água Oxigénio excedene Reagenes Produos 4 Combusão (Aumeno da Temperaura) Prof. Douor Engº Jorge Nhambiu Insalações Térmicas

5 Prof. Douor Engº Jorge Nhambiu Insalações Térmicas 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 Prof. Douor Engº Jorge Nhambiu Insalações Térmicas 6 o Poder calorífico 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). 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 Poder calorífico Prof. Douor Engº Jorge Nhambiu Insalações Térmicas

8 Prof. Douor Engº Jorge Nhambiu Insalações Térmicas A diferença enre o poder calorífico superior e inferior por quilograma de água é dada por: Q s Qi = 2677,9 160, 70 = 2516,39 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 Poder calorífico 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 Prof. Douor Engº Jorge Nhambiu Insalações Térmicas 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 Ou para o poder calorífico inferior ( ) ( ) comb Qi = 4,187 81C + 300H 26 O S 6 W + 9 H kj/kg (4.4) (4.5) O poder calorífico superior do carvão é por vezes deerminado 9 pela fórmula de Dulong O Qs = 4,187 80,8C + 344,6 H 22,5 S kj/kg comb 8 (4.6)

10 Prof. Douor Engº Jorge Nhambiu Insalações Térmicas Para combusíveis gasosos o poder calorífico calcula-se de: Q = 108,3 H + 126,8 CO+ 234,6 H S + 359,3 CH i Poder calorífico ,5 CH + 915, 4 CH + 592,5 CH , 2 CH , 4 CH ,7 CH ,7 CH 4 8 kj mcomb (4.7) 10

11 Prof. Douor Engº Jorge Nhambiu Insalações Térmicas 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: s100 W Qi = Qi 0,025 W kj/kg 100 ( A W ) comb c Qi = Qi 0,025 W MJ/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: (4.9)

12 Prof. Douor Engº Jorge Nhambiu Insalações Térmicas Fracções volúmicas olume dos Gases de Combusão [m 3 N/kg comb ] A fracção olúmica real dos Gases Triaómicos Secos nos Gases de Combusão é dada por: r R0 = 2 R0 ( α ) o g = R0 + R + H ar 0,21 A fracção olúmica real dos Gases Biaómicos Secos nos Gases de Combusão é dada por: r R 2 = A fracção olúmica real da Água nos Gases de Combusão é dada por: r HO 2 = R g g 2 2 H O 2 g (4.10) (4.11) (4.12) (4.13)

13 Prof. Douor Engº Jorge Nhambiu Insalações Térmicas 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 (4.14) A enalpia eórica do ar e dos produos de combusão calcula-se usando as seguines expressões [kj/m 3 ]: ( θ ) ( θ) ( θ) ( θ) I = r. C + r. C + r. C + r. C g RO RO N N H O H O O O g (4.15) Onde: (CΘ) ar - enalpia específica do ar 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 Prof. Douor Engº Jorge Nhambiu Insalações Térmicas 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 r arr i Enalpia dos Produos de Combusão [Kj/m 3 ] Ipc = Ig + Icinz ( ) r I = 0,001 A a Cθ cinz arr cinz (4.16) Se A red > 4, no cálculo dos produos de combusão deve-se levar em consideração a enalpia de cinzas (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 Prof. Douor Engº Jorge Nhambiu Insalações Térmicas 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 Prof. Douor Engº Jorge Nhambiu Insalações Térmicas 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 Prof. Douor Engº Jorge Nhambiu Insalações Térmicas 17 Com o pré-aquecimeno de ar ou de combusível, a emperaura calorimérica pode se calcular da fórmula: Onde: Q w 4.6 -Temperaura da Combusão T = ( Qw + Qph) pc c é o poder calorífico do combusível kj/m 3 ou kj/kg (4.21) 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 Prof. Douor Engº Jorge Nhambiu Insalações Térmicas 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 kj (4.23) A quanidade de calor ransferido na combusão por unidade de combusível é o produo da enalpia pelo volume dos produos de 18 combusão, que ambém se pode escrever: I pc Q kj kj w = ou 3 g m kg (4.24)

19 Prof. Douor Engº Jorge Nhambiu Insalações Térmicas 19 Para o caso de aquecimeno do ar a enalpia do ar (I ar ) calcula-se da seguine fórmula: 4.6 -Temperaura da Combusão I ar T c α ar = o ar p ar g Para o caso de aquecimeno do combusível ao Enalpia do combusível (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 (4.25) (4.26)

20 Prof. Douor Engº Jorge Nhambiu Insalações Térmicas 4.6 -Temperaura da Combusão Combinando as Expressões 4.15 e 4.24 Qw Ipc = Ig + 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 ( θ) ( θ) ( θ) ( θ) 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 Prof. Douor Engº Jorge Nhambiu Insalações Térmicas 21 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 α o w ar p ar g ar Q + T c w comb p g (4.29) Considerando que o combusível é pré-aquecido a Expressão 4.27 orna-se Considerando que o combusível e o ar são pré-aquecidos a Expressão 4.27 orna-se I = I + I = pc g cinz 4.6 -Temperaura da Combusão ar comb Q + T c α + T c o w ar p ar comb p g (4.30) comb (4.31)

22 Temperaura da Combusão Temp ºC Ivg Ir Prof. Douor Engº Jorge Nhambiu Insalações Térmicas Enalpia (kj/m3) 22

23 Temperaura da Combusão ( θ) ( θ) ( θ) ( θ) 3 I = r. C + r. C + r. C + r. C g RO RO N N O O H O H O kj m Prof. Douor Engº Jorge Nhambiu Insalações Térmicas

24 Prof. Douor Engº Jorge Nhambiu Insalações Térmicas 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 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 Prof. Douor Engº Jorge Nhambiu Insalações Térmicas 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 Prof. Douor Engº Jorge Nhambiu Insalações Térmicas 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 Prof. Douor Engº Jorge Nhambiu Insalações Térmicas 27 Enalpia (kj/m 3 ) de 1m 3 de Gases a emperaura. dada e pressão de 1bar 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