JOSÉ EDUARDO MAUTONE BARROS

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1 Combustão JOSÉ EDUARDO MAUTONE BARROS Professor 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) [email protected] 1

2 SUMÁRIO INTRODUÇÃO A COMBUSTÃO DEFINIÇÕES BÁSICAS COMBUSTÍVEIS CLASSIFICAÇÃO DE CHAMAS REGIMES DE COMBUSTÃO QUEIMADORES INDUSTRIAIS EMISSÕES 2

3 3 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)

4 Entalpia de Formação A Entalpia de Formação (ΔH f0 ) 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 Pa. 4 C (s) + H 2(g) ==> C 4 H 10(g) ΔH f0 = ,0 kj/kmol (Butano)

5 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. H 2(g) + ½ O 2(g) ==> H 2 O (l) H 2(g) + ½ O 2(g) ==> H 2 O (g) ΔH f0 = ,1 kj/kmol ΔH f0 = ,6 kj/kmol 5 Observe que a diferença de entalpia de formação da água no estado vapor e no estado líquido é o seu calor latente de vaporização. H 2 O (l) ==> H 2 O (g) ΔH l0 = ,5 kj/kmol

6 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. 6

7 Entalpia de Combustão Exemplo de cálculo para o ácido benzóico 7 C s 7 O 2 g 7 CO 2 g 7 H f 0 3 H 2 g 1,5O 2 g 3 H 2 O l 3 H f 0 C 7 H 6 O 2 s 7 C s O 2 g 3 H 2 g 1 H f , C 7 H 6 O 2 s 7,5O 2 g 7 CO 2 g 3 H 2 O l H c 0 H c ,26 kj gmol 26,45 kj g 7

8 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/Nm 3 ] Observe que a diferença entre o PCI e o PCS é o calor latente de vaporização da água. 8 H 2 O (l) ==> H 2 O (g) PCI PCS ΔH l0 = ,5 kj/kmol X ΔH 2 o H O l H2O - [email protected]

9 Exercício Calcular o poder calorífico superior e inferior do Metano. Calor Padrão de Formação Hf (kj/kmol) CH ,0 CO ,0 CO ,0 SO ,0 H2O(l) ,0 H2O(g) ,0 9

10 Poder Calorífico Superior Medição com um calorímetro 10 O PCI depende da determinação do teor de hidrogênio no combustível ou do teor de água formada na combustão completa.

11 Entalpia de Reação É a energia liberada pela reação de combustão real de um combustível com um oxidante (ΔH R ). 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. 11

12 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: m gases c p gases (T ad T 0 ) m comb PCI 12 O cálculo é feito considerando a vazão mássica de gases de combustão liberado e do combustível consumido. m gases m comb m ar m ardiluição

13 Temperatura Adiabática de Chama m gases c p gases (T ad T 0 ) m comb PCI 13 T 0 é a temperatura inicial da mistura ar/combustível e o calor específico a pressão constante (c p gases ) é o valor médio entre T ad e T 0 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.

14 14 Eficiência energética (h) Térmica É definida como a energia útil dividida pelo PCI do combustível. t E útil PCI 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.

15 Eficiência energética (h) Real É definida como a energia útil dividida pelo Calor de Reação do combustível, nas condições de operação do equipamento. E tr H útil R Exige um detalhamento do funcionamento do equipamento para ser calculada. 15

16 16 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). ex E H útil R I I T S 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. t tr ex

17 Balanço Térmico Temperatura de saída da carga? Temperatura dos gases de combustão? Ar/Comb. Perda de calor Carga Forno Fumaça Carga 17 Perda de calor

18 Ar/Comb. Perda de calor Carga Forno Fumaça Carga Balanço Térmico Regime Permanente Perda de calor m carga Hcarga H perdido m comb H r m gasesc p gases(tgases T0 ) 0 18

19 Combustível (kg) 19 DEFINIÇÕES BÁSICAS Exemplo Calcular a temperatura adiabática de chama do GLP a 1 atmosfera, 25 o C e razão de equivalentes de 1,0. Temperatura Adiabática de Chama (K) Gases de combustão (kg) CP (kj/kg/k) 1,863 30, , ,9 1,863 30, , ,5 1,863 30, , ,8 1,863 30, , ,3 1,863 30, , ,8 1,863 30, , ,4 1,863 30, , ,0 1,863 30, , ,9 1,863 30, , , oc Balanço de Energia (kj) Gases Combustão do GLP Temperatura K 500 cp médio kj/(kg K) 1, , , , , , , , , , ,3686 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, , H2O 0, , N2 0, , , , ,37

20 Exercício Qual a temperatura da fumaça ao sair de um forno com 40% de eficiência térmica, queimando GLP a 1 atmosfera, 25 o C e razão de equivalentes de 1,0? Considerar as perdas como 5% da potência de entrada. Gases Combustão do GLP Temperatura K 500 cp médio kj/(kg K) 1, , , , , , , , , , ,

21 BIBLIOGRAFIA ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5484: Motores alternativos de combustão interna de ignição por compressão (Diesel) ou ignição por centelha (Otto) de velocidade angular variável Ensaio Método de ensaio. Rio de Janeiro, BARROS, J. E. M. Estudo de Motores de Combustão Interna Aplicando Análise Orientada a Objetos. Belo Horizonte: Tese de Doutorado, Engenharia Mecânica, UFMG,

22 BIBLIOGRAFIA 22 BAUKAL Jr., C. E. Air-oxy/Fuel Burners. In: Industrial Burners Handbook, BAUKAL Jr., C. E. (ed.). Boca Raton: CRC Press, COSTA, M. Combustão sem Chama Visível (Flameless Combustion). Palestra, II Escola de Combustão. São José dos Campos: RNC, de Junho de ESCOLA DE COMBUSTÃO em ustao/, jan/2011.

23 BIBLIOGRAFIA 23 GARCIA, R. Combustíveis e Combustão Industrial. Rio de Janeiro: Interciência, GLASSMAN, I. Combustion. New York: Academic Press, KUO K. K. Principles of Combustion. New York: John Willey & Sons, LEFEBVRE, A. Gas Turbine Combustion. Philadelphia: Taylor&Francis, LEVENSPIEL, O. Engenharia das Reações Químicas. São Paulo: Edgar Blucher, vol. 2, 1974.

24 BIBLIOGRAFIA REDE NACIONAL DE COMBUSTÃO (RNC) em jan/2011. SHARMA, S. P. et MOHAN, C. Fuels and Combustion. New Delhi: Tata McGraw-Hill, SMITH, J. M. e VAN NESS, H. C. Introdução a Termodinâmica da Engenharia Química. Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 3ª Ed.,1980. STREHLOW, R. A. Combustion Fundamentals. New York: McGraw-Hill,

25 BIBLIOGRAFIA TURNS, S. R. An Introduction to Combustion: Concepts and Applications. Boston: McGraw-Hill, WILLIAMS, F. A. Combustion Theory. New York: Benjamin Cumings Pub.,