Porque e como acontece uma explosão de gás?

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1 Se o Botijão sua ou congela é por que estamos tentando retirar dele mais do que ele consegue entregar de gás por hora. E quanto mais ele sua ou congela, menos ele entrega de gás. Pois o gás precisa trocar calor para sair do estado líquido para gasoso. Em suma, muita gente por ignorância não dimensiona adequadamente o Botijão às necessidades dos aparelhos (fornos e fogões) que a ele estão conectados. Com isso, o resultado de queima é insatisfatório, e o desperdício de gás é alto, fazendo com que os usuários desavisados ou espertos comecem com as suas gambiarras, deitando o Botijão, aquecendo a parede do Botijão, etc. A ignorância pelo uso correto está no início do dominó do acidente com gás e suas mortes. O GLP não tem cheiro, por isso um composto a base de enxofre (etil-mercaptana) é adicionado ao gás para revelar a sua presença caso haja vazamento. O GLP não é venenoso, mas é asfixiante. Por ser mais pesado que o ar, quando há vazamento de GLP num local fechado este vai se acumulando ao nível do chão e expulsa gradualmente o oxigênio do ambiente, causando asfixia em quem permanecer ali. Logo, Botijão com vazamento precisa ser removido para um local aberto. Mas é importante saber que cada Botijão tem uma capacidade de vaporizar gás no ambiente! Ou seja, supondo todas as torneiras abertas de um forno e do fogão, se este estiver ligado a um Botijão de 13Kg, teremos o vazamento de 600 gramas de gás por hora. O P45 somente consegue expelir (vazando, aberto ou alimentando um fogão) 1Kg de gás por hora. Se o Botijão sua ou congela é por que estamos tentando retirar dele mais do que ele consegue entregar de gás por hora. E quanto mais ele sua ou congela, menos ele entrega de gás. Pois o gás precisa trocar calor para sair do estado líquido para gasoso. O gás liquefeito de petróleo (GLP) é colocado sob alta pressão no Botijão e considerando que o gás está sob alta pressão, o regulador é fundamental para reduzir a pressão da chama em até 250 vezes, possibilitando uma chama constante e uniforme. O regulador de pressão para Botijões de até 13Kg é normatizado pela NBR 8614, já o P45 exige um regulador mais potente sendo normatizado pela NBR Portanto, jamais aproveite instalações antes usadas no P13 para o P45, este é um erro muito comum. Para dar bastante gás no Botijão, o GLP é engarrafado no Botijão sob forte pressão, o que faz com que o gás se torne líquido. Mas essa pressão não faz o Botijão explodir? Não, porque o Botijão é feito de chapas de aço muito resistentes que agüentam 15 kgf/cm2, enquanto o GLP é colocado na pressão de aproximadamente 8Kgf/cm² suficientes para liquefazer o gás mas muito abaixo do que suporta o Botijão. No botijão de gás de 13kg (Botijão de cozinha), cerca de 85% do gás está em estado líquido e 15% em estado gasoso. Por isso nunca se deve deitar o botijão de gás, pois se o gás em fase líquida for expelido (o GLP líquido não pode alcançar a válvula no topo do Botijão) poderá provocar acidentes muito sérios. No caso do Restaurante Filé Carioca, vimos pelas imagens os Botijões sendo retirados pelos bombeiros intactos. O prédio destruiu mas o Botijão permaneceu inteiro. Ou seja, ele não

2 explode. Apenas se houver um incêndio que aqueça o Botijão, o calor do ambiente ou das chamas aquecerá o gás dentro do Botijão aumentando a sua pressão interna. Com isso a válvula de segurança (que impede o Botijão de explodir) irá liberar o gás no ambiente alimentando o incêndio. Semelhante a válvula da panela de pressão. Em suma, Botijão não explode nem em um incêndio. Você já imaginou se seu desodorante de spray explodisse quando você estivesse usando? Sabia que dentro dele há gases butano e propano, os mesmos utilizados nos botijões de cozinha? Não acredita? Então leia o rótulo de ingredientes do seu desodorante (se for spray é claro). O Propano e Butano são usados para expulsar o produto (perfume) do tubo causando o spray. Pois é, mas não se preocupe que seu desodorante não vai explodir, exceto se você jogar o tubo em uma fogueira. Ou seja, o uso correto do desodorante e do botijão de gás é fundamental para se evitar acidentes. Porque e como acontece uma explosão de gás? Se você encher um balão de ar demasiadamente ele rompe e estoura. Porque a pressão foi superior a que o balão agüentava, pois a quantidade de ar que você colocou ao encher foi acima da capacidade prevista para o balão. Em um vazamento de GLP o gás em seu estado gasoso preenche o ambiente (se não for ventilado e assim reter o gás), ao encontrar uma fonte de ignição (chama, fagulha, etc.) ele queima e imediatamente se expande causando a explosão em milésimos de segundos. Como conseqüência concomitante há um enorme deslocamento de ar destruindo tudo a sua volta. Quanto maior for a quantidade de gás e menor o confinamento do mesmo, maior será a pressão da explosão e do deslocamento de ar. A queima do GLP chega a mais de C se extinguindo em milésimos de segundos transformando-se em monóxido de carbono (CO). Esse fenômeno se chama FLASH, e mata todas as pessoas em contato com essa onda de calor. Existem tipos diferentes de botijão em razão da capacidade de gás que carregam, conforme tabela abaixo: Botijão Volume de GLP GLP Kg

3 Uso mais comum Norma da Válvula P-2 5,5 litros 2 kg Fogareiros, lampiões e maçaricos NBR 8614 P-5 12,0 litros 5 kg Uso doméstico para cozimento de alimentos e maçaricos NBR 8614 P-13 31,5 litros 13 kg Uso doméstico para cozimento de alimentos NBR 8614 P-20 48,0 litros 20 kg Exclusivo em empilhadeiras a GLP NBR P ,0 litros 45 kg Doméstico e industrial (cozimento de alimentos, aquecimento, fundição, soldas, etc) NBR Dentro do Botijão tem GLP, que significa Gás Liquefeito de Petróleo, que são os gases derivados do refino do petróleo. Existem dois gases dominantes dentro do botijão, o Propano e o Butano. Ambos são mais pesados que o ar. Como assim? O ar pesa 1,293Kg/m³, o Butano pesa 2,709Kg/m³ e o Propano pesa 2,010Kg/m³ todos nas condições normais de temperatura e pressão. [ Observação importante: O gás natural ao contrário é mais leve que o ar, pesa entre 700 gramas e 1Kg /m³. Isso explica que vazamentos de gás canalizado sobem e ficam retidos no teto, precisam de ventilação na parte mais elevada de onde se encontram. O gás de butijão (GLP), ao contrário, é mais pesado que o ar e seu vazamento fica preso em porões e subsolos.] O Propano é mais leve que o Butano e provoca aquela chama azul característica, por isso ele sai antes do Butijão e queima primeiro. O Butano é mais pesado e queima por último. Por transportar partículas que se depositam no fundo no botijão, sua chama é amarelada ou suja. Por isso, quando a chama do fogão começa a ficar amarela é sinal de que o gás está acabando. Gás Natural Combustível 1- INTRODUÇÃO A combustão é o processo de reações químicas que se produzem durante a oxidação completa ou parcial do carbono, do hidrogênio e do enxofre contidos em um combustível. A análise destas reações é feita através de Balanço de Massas e de Balanço Térmico. No Balanço de Massas está em consideração a quantidade de ar empregada para a combustão, sendo a referência a quantidade mínima exata para reagir completamente o combustível, chamada estequiométrica. No Balanço Térmico são analisadas as quantidades de calor liberadas, a temperatura da combustão e a

4 quantidade de calor perdido na exaustão. São características importantes da combustão a composição do combustível e sua temperatura, a pressão em que ocorre, seu estado e o formato da câmara de combustão. Estes determinam a forma com que ocorrerá o processo, se por detonação ou por deflagração. 2- COMBUSTÃO 2.1- Definição É a reação química do oxigênio com materiais combustíveis em cujo processo se apresentam luz e rápida produção de calor. A diferença entre a reação química de oxidação clássica (ferrugem, zinabre, alumina, etc.) e a de combustão é a velocidade com que esta última ocorre, independente da quantidade de calor liberado Combustão Estequiométrica É a reação de oxidação teórica que determina a quantidade exata de moléculas de oxigênio necessárias para efetuar a completa oxidação de um combustível; 2.3- Combustão Completa É a reação de combustão em que todos os elementos oxidáveis constituintes do combustível se combinam com o oxigênio, particularmente o carbono e o hidrogênio(h), que se convertem integralmente em dióxido de carbono(co 2) e água(h 2O) independentemente da existência de excesso de oxigênio(o 2) para a reação; 2.4- Combustão Incompleta ou Parcial Nesta reação aparecem produtos intermediários da combustão, especialmente o monóxido de carbono(co) e o hidrogênio(h 2), resultado da oxidação incompleta dos elementos do combustível. Ela pode ser induzida pela limitação na quantidade de oxigênio oferecido para a reação, pelo resfriamento ou sopragem da chama; 2.5- Relação Ar/Combustível É uma relação entre a quantidade de ar e a quantidade de combustível utilizadas na reação de combustão. Para combustíveis sólidos e líquidos a relação é entre as massas, para combustíveis gasosos a relação é calculada entre os volumes envolvidos; 2.6- Ar Teórico As reações de combustão são normalmente realizadas com o oxigênio(o 2) contido no ar atmosférico. A composição do ar atmosférico é, aproximadamente, 21 % de oxigênio(o 2) e 79 % de nitrogênio(n 2). O ar teórico é a quantidade de ar atmosférico que fornece a quantidade exata de moléculas de oxigênio necessárias para efetuar a combustão estequiométrica; 2.7- Combustão Perfeita É a combustão que, realizada com a quantidade de ar teórico ou de oxigênio(o 2) estequiométrico, resulta numa combustão completa. Por diversos motivos, entre eles as características reais das reações químicas entre os elementos ou as condições técnicas dos equipamentos, esta reação nunca se realiza na prática;

5 2.8- Excesso de Ar Para reduzir ao mínimo a presença dos produtos intermediários em uma combustão, tais como monóxido de carbono(co) e hidrogênio(h 2), aplica-se uma quantidade de ar superior ao ar teórico, chamada ar real(ar), para que a abundância de oxigênio(o 2) proporcione uma reação próxima da Combustão Perfeita. A diferença entre o ar teórico e o ar real é chamada de Excesso de Ar e é apresentada como uma relação percentual; 2.9- Combustão Real É a reação que ocorre na prática nos equipamentos combustores com maior ou menor excesso de ar e com a presença de alguma quantidade mínima de produtos intermediários da combustão; 3- COMBUSTÍVEIS GASOSOS Propriedades de Diversos Gases (à 15 ºC e 1 atm)

6 a À temperatura de 0 ºC e 1 atm; b Ar Teórico; c Ver tabela a seguir; Fonte: Gas Engineers Handbook / SINDE 3.1- Tipos de Combustão de Combustíveis Gasosos

7 Atmosférica Processo de combustão utilizado na maior parte dos queimadores de uso comum, consiste em um sistema à baixa pressão de gás, até 35 mbar, em que a injeção do gás através de um venturi arrasta parte ou a totalidade do ar necessário à combustão; Catalítica Processo de combustão utilizado para produzir uma superfície emissora de radiação infravermelha de alta intensidade, consiste da queima do gás em presença de elementos catalisadores; Combustão Interna e Explosão Processos utilizados nos queimadores a jato e nos motores a jato ou a pistão, onde a combustão é realizada e após compressão do ar e injeção do gás a alta pressão (até 20 bar). O motor a explosão utiliza uma mistura gás/ar e um sistema de ignição após a compressão da mistura Condições de Ignição Limites de Inflamabilidade Uma mistura de gás inflamável é aquela em que a chama se propaga. A iniciação da chama é realizada por uma fonte externa. Os limites de inflamabilidade de um combustível gasoso definem a faixa de diluição mínima e máxima do gás em ar para que a combustão possa ocorrer. Abaixo do limite mínimo a mistura não queimará sem a presença contínua de uma fonte de calor externa. Acima do limite máximo a mistura o gás age como diluente e a chama não se propaga Fatores que Influenciam os Limites de Inflamabilidade a). Temperatura da Mistura Uma elevação da temperatura inicial da mistura gás combustível ar amplia os limites de inflamabilidade, ou seja, o limite inferior se reduz e o limite superior se eleva, como pode ser visto na tabela a seguir; Efeito da Temperatura Inicial do Gás sobre os Limites de Inflamabilidade de Alguns Gases Fonte: Gas Engineers Handbook / SINDE b). Pressão da Mistura

8 O valores tabelados dos limites de inflamabilidade são obtidos para a pressão atmosférica. Próximo da pressão atmosférica os valores não variam de forma significativa. Em pressões inferiores a atmosférica a tendência geral é de contração da faixa de inflamabilidade, com elevação do limite inferior e redução do limite superior. Em pressões superiores à atmosférica o limite inferior tende a permanecer estável enquanto o limite superior apresenta um crescimento, como pode ser visto nos gráficos abaixo; Efeito da Pressão sobre o Limite Superior de Inflamabilidade da Mistura Ar Gás Fonte: Gas Engineers Handbook / SINDE Temperatura de Ignição ou de Inflamação É a menor temperatura na qual o calor é gerado pela combustão em velocidade superior ao calor dissipado para a vizinhança, dando à mistura condições de se auto-propagar. Abaixo desta temperatura a combustão da mistura ar gás só ocorrerá continuamente mediante o fornecimento ininterrupto de calor externo. A temperatura de ignição não é uma propriedade fixa de um gás pois varia de forma significativa com parâmetros como o excesso de ar, a taxa de diluição do gás na mistura, a concentração de oxigênio no ar de combustão, a composição do gás combustível, a velocidade da mistura ar gás, pressão da mistura, leis

9 do escoamento dos fluidos, fontes de ignição e gradientes de temperatura. Apesar desta variabilidade, a temperatura de ignição é um importante parâmetro de medida da tendência de um objeto quente provocar a ignição de uma mistura e portanto, base técnica para considerações de segurança. A temperatura de ignição de muitas substâncias combustíveis se reduz com o aumento da pressão, o que representa um importante fator para a operação dos motores alternativos e turbinas a gás; Comparação da Temperatura de Ignição de Vários Gases em Ar e em Oxigênio Fonte: Gas Engineers Handbook / SINDE Temperatura de Ignição do Metano para Várias Concentrações da Mistura Ar Gás e Riqueza de Oxigênio do Ar

10 Fonte: Gas Engineers Handbook / SINDE Temperatura de Ignição com Relação à Proporção de Etano no Gás Natural 1 Fonte: Gas Engineers Handbook / SINDE Temperatura de Ignição com Relação à Proporção do Gás Combustível na Mistura Ar Gás 2

11 * Gás Natural - 88,7% de Metano, 7,4% de Etano, 1,4% de Propano e 1% de Butano 1,2 Determinados pelo método dinâmico em que a temperatura de ignição é a menor temperatura na qual a mistura gás ar entra em auto-combustão ao ter contato com uma superfície quente. Não indicado para chamas ou centelhas. Fonte: Gas Engineers Handbook / SINDE Energia de Ignição ou Inflamação É a energia mínima que deve ser fornecida por uma chama, centelha elétrica ou fonte de calor à uma mistura combustível para que esta possa atingir a temperatura de ignição em algum ponto e iniciar a propagação da combustão; Auto Combustão Também chamada combustão espontânea, ocorre quando a temperatura de uma substância se eleva até atingir a temperatura de ignição. Quando toda a substância está nesta temperatura, qualquer aporte mínimo de energia gera a auto-ignição; 3.3- PROPAGAÇÃO DA COMBUSTÃO Atendidas as principais condições para a combustão, ou seja, mistura dentro da faixa entre os limites de inflamabilidade e existência de uma fonte externa capaz de fornecer a energia de ignição a um ponto da mistura que atingirá a temperatura de ignição, se inicia o processo de propagação da combustão. A características da propagação da combustão, sendo a principal delas a velocidade de propagação da chama, são função do gás combustível, da composição da mistura ar combustível, da sua temperatura, da sua pressão, das características físicas da câmara de combustão e da taxa de absorção de calor da mistura Velocidade de Propagação da Chama Também chamada de taxa de propagação da chama, velocidade de ignição ou velocidade de queima, é a velocidade com que a frente de chama se desloca através da mistura ar combustível, inflamando a mistura ainda não queimada Deflagração É a propagação da combustão que ocorre por transmissão de calor devido à condução, convecção e radiação da chama para a mistura ar gás vizinha, levando esta a atingir a temperatura de inflamação e iniciar a combustão. A velocidade de propagação da chama neste processo é relativamente baixa se comparada às velocidades máximas possíveis, e são da ordem de 6 à 300 cm/s, como mostra a figura abaixo. Para o Metano, Etano e Gás Natural e Propano, Butano e GLP estes valores estão em torno de 25 a 30 cm/s, na mistura com a quantidade de ar teórico.

12 Velocidade de Propagação da Chama para Diversos Gases em Relação à Proporção de Ar Primário da Combustão [ m/s] Fonte: Gas Engineers Handbook / SINDE Detonação É a propagação da combustão que ocorre pelo deslocamento de uma violenta onda de choque de pressão que comprime a mistura gasosa e a leva à sua temperatura de inflamação. A energia necessária à manutenção da onda de choque se origina na própria combustão. As velocidades de propagação da chama em condições de detonação são elevadíssimas, variando entre e vezes as velocidades em condições normais de combustão à pressão constante Estabilidade da Chama A chama não é a parte visível da combustão, mas sim todo o volume em que esta se realiza. Para que combustão de uma mistura ar gás em um queimador se desenvolva de forma e estável, devem ser respeitados os limites mínimos e máximos de ar primário, a potência específica da pré-mistura e a velocidade de alimentação da mistura ar gás equilibrada pela velocidade de deflagração do gás no sentido oposto Ar Primário Ar injetado com o gás pelo queimador que tem a função principal de promover a aeração do combustível e sua pré mistura com o ar. A quantidade de ar primário é determinante sobre o empobrecimento da combustão por excesso de recirculação, descolamento e o retorno da chama e o aparecimento de pontas amarelas; Ar Secundário É o ar que complementa o ar primário para realizar a combustão da mistura; Potência Específica da Pré-mistura É a taxa de fornecimento de energia no tempo por unidade de área do orifício do queimador, ou seja, quantidade de energia contida na mistura ar primário-gás que passa pela área do orifício do queimador a cada instante, dada em kj/s-cm 2 ou kw/cm 2 ;

13 Deslocamento da Chama Fenômeno que ocorre quando a velocidade perpendicular ao cone de chama da mistura ar combustível na saída do queimador atmosférico excede a velocidade de propagação da chama. Nesta condição, a combustão tem seu início distante do queimador e, se a velocidade for ainda mais elevada, pode ocorrer a extinção da chama, fenômeno chamado de sopro. O deslocamento da chama resulta de quantidade excessiva de ar primário ou velocidade excessiva do gás. Provoca o aparecimento nos produtos da combustão de gás combustível inqueimado ou produtos de combustão incompleta; Retorno da Chama Fenômeno que ocorre inversamente ao deslocamento da chama quando a velocidade de propagação da chama é muito superior à velocidade perpendicular ao cone de chama da mistura ar combustível na saída do queimador atmosférico, resultando que a combustão penetra no interior do queimador. O fenômeno de retorno praticamente nunca ocorre com gás natural e gás butano pois sua faixa de ocorrência é em potências específicas da pré-mistura muito baixas; Pontas Amarelas O aparecimento de pontas amarelas na extremidade da chama ocorre por insuficiência de pré mistura com o ar primário, que causa uma aeração insuficiente da mistura e uma fronteira entre ar e gás, fazendo com que estes tenham que se difundir um no outro e a combustão ocorre com ar secundário; Limite de Deslocamento da Chama para Diversos Gases *Gás Natural com 38,75 MJ/Nm3 Fonte: Gas Engineers Handbook / SINDE Limite de Aparecimento de Pontas Amarelas para Diversos Gases

14 *Para ser algebricamente somado **Gás Natural com 38,75 MJ/Nm 3 Fonte: Gas Engineers Handbook / SINDE 4- Balanços da combustão Para que combustão de uma mistura ar gás se desenvolva de forma satisfatória e estável algumas condições devem ser respeitadas: a mistura do combustível e do ar (oxigênio), a taxa de mistura incluída na janela dos limites de inflamação, um ponto da mistura levado a uma temperatura superior a temperatura de inflamação para seu início, o suprimento da mistura deve permanecer dentro das condições básicas e os produtos de combustão devem ser escoados. Nestas condições a combustão proporciona a elevação de temperatura da massa de gases e a realização do trabalho desejado. A análise das condições do processo de combustão e do trabalho realizado se faz através do Balanço de Massa e do Balanço Térmico Balanço de Massa O balanço de massas é a análise das quantidades de ar e gás fornecidos à combustão e das quantidades de produtos de combustão escoados Composição dos Gases de Exaustão Os gases de exaustão, também chamados produtos da combustão tem como seus componentes básicos o dióxido de carbono(co 2), vapor d água(h 2O), oxigênio(o 2) e nitrogênio(n 2). A tabela a seguir apresenta como referência a composição dos gases de exaustão para a combustão perfeita de diversos gases. Produtos da Combustão Perfeita de Diversos Gases (Sem Excesso de Ar)

15 Fonte: Gas Engineers Handbook / SINDE

16 Os gases de exaustão de uma combustão real contém muitos outros produtos além dos relacionados acima, entre eles o monóxido de carbono(co), hidrogênio(h 2), aldeídos, hidrocarbonetos insaturados, óxidos de nitrogênio(no x), dióxido de enxofre(so 2), trióxido de enxofre(so 3) e gases combustíveis não queimados. O aparecimento destes compostos e sua proporção depende dos elementos componentes combustível, do excesso de ar e das condições em que a combustão se processa, como temperatura, pressão e características construtivas do queimador e da câmara de combustão Teores dos Produtos O teor ou a proporção de cada produto nos gases de exaustão é apresentado em proporção à massa total de gases ou ao volume total de gases. Neste total pode estar incluído ou não o vapor d água, sendo portanto chamados teor em base seca ou em base úmida. Emissões de Diferentes Equipamentos Industriais e Comerciais Queimando Gás Natural *Condição Normal: temperatura de 15 ºC e pressão de 1,0 atmosfera; ** Matéria descarregada na atmosfera contendo carbono livre ou combinado; Fonte: Gas Engineers Handbook / SINDE 4.2- Balanço Térmico O balanço térmico é a análise das quantidades de calor gerado e transferido na combustão, dos processos de transferência envolvidos, dos níveis de temperatura alcançados e das quantidades de calor perdidas no escoamento dos produtos de combustão Transferência de Calor O transporte de energia resultante de um gradiente de temperatura de um sistema ou da diferença de temperatura entre dois sistemas é chamada de transferência de calor. São três os mecanismos de transferência de calor: condução, convecção e radiação. A transferência de calor pode ocorrer em regime permanente ou estacionário ou em regime transiente.

17 Condução É o processo de transferência de calor através das substâncias provocado pela diferença de temperatura entre as partes de um sistema ou entre dois sistemas que se desenvolve ao nível molecular mas sem que ocorra modificação significativa na posição das moléculas da substância. A quantidade de calor transferida por condução em um período de tempo é diretamente proporcional à área através da qual o calor flui, ao gradiente de temperatura e à condutividade térmica da substância. A transferência unidimensional de calor em uma substância homogênea é dada por: onde: = Potência Transferida [W ou J/s] k = Condutividade Térmica da Substância [W/m.K] A = Área por onde o Calor Flui [m 2 ] T 1 = Maior Temperatura [K] T 2 = Menor Temperatura [K] L = Distância separando T 1 e T 2 [m] Apesar da condutividade térmica ser uma importante propriedade dos fluídos, a condução é um mecanismo de transferência de calor que apresenta sua maior importância nas substâncias em estado sólido. Dificilmente a condução será o mecanismo de transferência mais importante em processos envolvendo fluidos Convecção É o processo de transferência de calor que se realiza através do transporte de massas em movimento e da mistura de uma substância fluida provocado pela diferença de temperatura entre as regiões de um sistema fluido ou entre um sistema fluido e um sistema sólido. A convecção pode ser natural, quando o deslocamento da massa fluida se realiza pela variação na sua densidade devido a uma transferência de calor e variação na temperatura ou forçada, quando o deslocamento da massa de fluido se realiza devido à forças externas independentes da diferença de temperatura do sistema. A quantidade de calor transferida por convecção entre um fluido e uma superfície sólida em um período de tempo é diretamente proporcional à área através da qual o calor flui, ao gradiente de temperatura e ao coeficiente de transferência convectivo. A transferência de calor entre uma superfície e um fluido é dada por: onde: = Potência Transferida [W ou J/s] h = Coeficiente de Transferência Convectivo [W/m 2.K] A = Área da Convecção [m 2 ] T 1 = Maior Temperatura [K] T 2 = Menor Temperatura [K] O coeficiente de transferência convectivo é um valor empírico dependente das condições do escoamento,

18 das propriedades do fluido e do perfil da superfície Radiação É o processo de transferência de calor que se realiza pelo transporte de energia nas ondas eletromagnéticas infravermelhas emitidas por uma superfície à qualquer temperatura. A radiação não depende de meios materiais para transmitir calor e a quantidade de energia transportada pelas ondas é proporcional à quarta potência da temperatura da superfície emissora, como visto abaixo para superfícies reais: onde: = Potência Transferida [W ou J/s] a = Constante Radiativa de Stefan-Boltzmann [J/K] A SR = Área da Superfície Emissora [m 2 ] F A = Fator de Forma F E = Fator de Emissividade da Superfície T 1 = Temperatura da Superfície Emissora [K] T 2 = Temperatura da Superfície Absorvedora [K] Poder Calorífico É a quantidade de energia liberada pela combustão completa de uma unidade de massa ou de volume de uma substância combustível. Devido a formação de água(h 2O) nos produtos da combustão foram definidos dois valores de poder calorífico para as substância combustíveis. Poder Calorífico Superior (PCS) é a energia liberada pela combustão com a água (H 2O) dos produtos da combustão em estado líquido; Poder Calorífico Inferior (PCI) é a energia liberada pela combustão com a água (H 2O) dos produtos da combustão em estado vapor; A diferença entre o PCS e o PCI está na quantidade de calor latente que o vapor d água nos produtos combustão possui, que foi fornecida pelo combustível e que não será aproveitada. Poder Calorífico de Diversos Gases (Combustão Perfeita)

19 Fonte: Gas Engineers Handbook / SINDE Temperatura Adiabática da Chama É a temperatura atingida pela mistura ar combustível em um processo de combustão adiabático, ou seja, um processo sem troca de calor dos reagentes com o meio, sem realização de trabalho ou variações de energia cinética e potencial.

20 Esta é a temperatura máxima que pode ser alcançada pela mistura ar combustível já que trocas de calor ou combustão incompleta reduziriam a temperatura da chama Para um determinado combustível e os reagentes à uma dada pressão e temperatura, a máxima temperatura adiabática da chama é alcançada na mistura estequiométrica. O excesso de ar tende a reduzir a temperatura adiabática da chama. Temperatura Adiabática da Chama em Função da Composição do Combustível e Excesso de Ar (Ar de Combustão à 315 ºC) (Ar de Combustão à 38 ºC) Temperatura da Chama A temperatura da chama atingida pela mistura ar combustível depende de diversos fatores da combustão e influencia de maneira significativa nos processos de transferência de calor. A taxa de transferência de calor se eleva com a temperatura da chama e a taxa de aquecimento de um objeto é diretamente proporcional à diferença de temperatura entre a chama e o objeto. Práticas para Elevação da Temperatura da Chama: a) Liberação do poder calorífico do combustível com a máxima rapidez possível, por exemplo com superfícies catalisadoras; b) Utilização do mínimo excesso de ar e elevação do grau de intimidade da mistura do combustível com o ar; c) Elevar a temperatura de alimentação do combustível e do ar antes da combustão; d) Usar ar enriquecido com oxigênio ou oxigênio puro; e) Utilizar combustíveis com elevada temperatura de chama ou sua proporção nas misturas; Causas da Diferença entre as Temperaturas de Chama Adiabática e Real: a) Perdas por radiação, entre 10 e 20 % da energia total;

21 b) Não liberação instantânea da energia do combustível; c) Perdas por convecção; d) Perdas por condução, por exemplo entre o queimador e a estrutura que o suporta; e) Excesso de ar que absorve calor; f) Presença de um objeto qualquer na chama; g) Dissociação de gases diatômicos a altas temperaturas; Intensidade Específica da Chama É definida como a taxa de calor liberado por unidade de área da superfície da chama primária(chama no interior do cone) em J/s-cm2 ou W/cm2. É utilizada para caracterizar a concentração de calor disponível na chama pois a temperatura da chama apenas indica o nível do calor e não a taxa em que este é liberado. É dada por: onde: = Intensidade Específica da Chama [W/cm2 ou J/s-cm2] V = Fluxo Volumétrico de Mistura Primária Gás Ar [m3/s] H = Poder Calorífico Líquido da Mistura Primária [J/m3] A = Área da Superfície do Cone de Chama [m2] H e A são valores empíricos. Intensidade Específica da Chama e Velocidade de Propagação da Chama Fonte: Gas Engineers Handbook / SINDE Radiação da Chama É a quantidade da energia total liberada pela combustão que se transmite por radiação térmica infravermelha, em diferentes temperaturas e com distribuição espectral(comprimento de onda) entre 1,4 e 16 microns. A radiação emitida pela combustão de um gás combustível é de baixa intensidade.

22 Em muitas aplicações é desejável produzir uma grande percentagem de calor radiante, superior àquela obtida em condições normais de combustão de uma chama de gás. Para isto se aplicam 3 artifícios: a) A mistura ar gás é direcionada sobre uma superfície refratária incandescente onde se inicia sua ignição; b) A mistura ar gás é queimada em uma superfície perfurada ou porosa de um refratário e os furos ou poros funcionam como queimadores; c) A chama é direcionada diretamente contra uma superfície cerâmica ou uma tela metálica; Nestes casos, além da radiação emitida pelos produtos da combustão, uma grande parte da energia da chama é emitida pelas superfícies sob forma de radiação infravermelha. Os queimadores radiantes possuem como características: a) A energia térmica pode ser transferida sem que os produtos da combustão entrem em contato com o produto; b) A energia radiante se desloca à velocidade da luz e é possível elevar a velocidade de aquecimento através de maior transferência de calor radiante; c) O aquecimento pode ser realizado em câmara aberta sem interferir na condição térmica do ar ambiente; d) Podem ser construídos para transmitância direta de calor; Características da Radiação Emitida por Queimadores Infravermelhos a Gás Fonte: Gas Engineers Handbook / SINDE Comprimento de Onda de Absorção de Algumas Cargas

23 Fonte: Gas Engineers Handbook / SINDE Calor de Exaustão Além das perdas existentes no processo de combustão, uma perda importante ocorre na etapa de exaustão dos produtos da combustão. Estas perdas são função do volume de cada produto e da sua temperatura. As perdas ocorrem por: a) Calor Sensível que é o calor contido nos produtos que são descartados à temperaturas superiores à ambiente; b) Calor Latente contido no vapor d'água que não pode ser aproveitado sem a condensação do vapor; c) Combustível Não Queimado presente nos produtos, tais como o monóxido de carbono(co), o hidrogênio(h2) e hidrocarbonetos Ponto de Orvalho É a temperatura em que se inicia a condensação do vapor d'água presente em uma massa de gases à determinada pressão. O ponto de orvalho é função da concentração do vapor d'água na massa de gases. Esta temperatura é uma referência importante para o limite mínimo de temperatura dos gases de exaustão. Em combustíveis que contém enxofre estão presentes nos exaustos o dióxido de enxofre(so2) e trióxido(so3) de enxofre. A condensação do vapor d'água tem que ser evitada pois, na presença destes compostos de enxofre ocorre a formação do ácido sulfúrico e corrosão violenta das partes metálicas do sistema de exaustão. Além disso, a presença destes compostos nos gases de exaustão eleva o ponto de orvalho entre 14 e 42 ºC. 5- INTERCAMBIABILIDADE DOS GASES 5.1- DEFINIÇÃO É a capacidade de substituição de um gás combustível por outro de família diferente em um queimador mantendo as características satisfatórias da combustão, tais como não deslocamento da chama, não ocorrência de retorno da chama ou pontas amarelas, sem exigir alterações construtivas significativas do queimador CARACTERÍSTICAS A intercambiabilidade dos gases considera: a) As propriedades dos gases, principalmente a densidade relativa e o poder calorífico; b) As condições de suprimento, em particular a pressão; c) A natureza dos equipamentos e a capacidade de receber diferentes gases; d) A regulagem dos equipamentos; e) Os critérios de avaliação que definem o funcionamento satisfatório; Devem ser mantidas após a troca do gás: a) Estabilidade da Chama; b) Não formação de monóxido de carbono (CO); c) Não formação de fuligem; d) Potência térmica satisfatória;

24 e) Acendimento por elevação pontual da temperatura; f) Ruído mínimo; g) Sem erosão nem corrosão dos equipamentos; As modificações nos queimadores devem se resumir à regulagem do ar primário e taxa de alimentação de gás para não caracterizar uma mudança construtiva do equipamento ÍNDICE DE WOBBE É uma relação entre o Poder Calorífico Superior de um gás e sua Densidade Relativa, dada por: onde: W = Índice de Wobbe [J/Nm3] PCS = Poder Calorífico Superior [J/Nm3] d = Densidade Relativa do Gás A regulagem do índice de wobbe mantém quase constante a potência fornecida ao queimador por diferentes gases. A regulagem é feita controlando-se a taxa de aeração da mistura. O índice de Wobbe corrigido leva em conta a viscosidade real do gás e os teores de monóxido de carbono(co), hidrogênio(h2) e oxigênio(o2) FAMÍLIAS DE GASES Os gases combustíveis são classificados em três diferentes famílias; Gases Manufaturados, oriundos do carvão ou de hidrocarbonetos líquidos Índice de Wobbe: 19 < W < 39 MJ/Nm³ Gases Naturais ou Gases Manufaturados de mesma composição Índice de Wobbe: 39 < W < 59 MJ/Nm³ Gases Liqüefeitos de Petróleo Índice de Wobbe: 75 < W < 92 MJ/Nm³ 5.5- PROBLEMAS DE INTERCAMBIABILIDADE Dadas as diferentes características físico-químicas de cada gás combustível, manter invariáveis as condições de combustão em diferentes equipamentos combustores após a substituição é uma tarefa complexa. As dificuldades aparecem na troca entre gases de mesma família e entre gases da primeira e da segunda família. Os problemas principais estão relacionados à: Relação ar combustível; Velocidade da chama; Temperatura da chama; Comprimento da chama; Densidade Como referência para orientar a intercambiabilidade dos gases utilizam-se diferentes índices criados pelas indústrias, entre eles: Índice de Wobbe e Índice de Wobbe Corrigido(teor de CO) Potencial de Combustão - poder calorífico dos componentes combustíveis de uma mistura em função da densidade;

25 Índice de Pontas Amarelas; Índice de Depósito de carbono; Exemplos de Composição de Gases Ajustados para Intercambiabilidade Fonte: Gas Engineers Handbook / SINDE Os mecanismos de solução dos problemas de intercambiabilidade são baseados na modificação do gás substituto ou do processo de combustão. A modificação se faz com: Adição de Elementos - mistura-se o gás substituto com ar, nitrogênio, outros gases combustíveis (propano, butano); Extração de Elementos - retira-se do gás substituto quantidades de propano, butano e nitrogênio; Modificação nos Equipamentos - regulagem das condições de operação como pressão e aeração primária; 6- ANEXO - CONVERSÃO DE UNIDADES

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