Vídeo Aula sobre Combustíveis e Combustão

CAMPUS DE ITAPETININGA Máquinas Térmicas MTEM7 Engenharia Mecânica Videoaula 11A Professor Rafael dos Santos CAMPUS DE ITAPETININGA Combustíveis e Combustão Ø Os processos na indústria dependem muito da combustão Ø Indústrias do setor de produção de metais utilizam fornalhas para a produção de ferro gusa aço alumínio e outros metais Ø No setor metalmecânico fornos são utilizados para aquecimento tratamentos térmicos e superficiais de modo a agregar valor aos produtos acabados Ø Existem muitos equipamentos de uso industrial cujo princípio de funcionamento são baseados em sistemas de combustão incluindose as caldeiras aquecedores de fluidos em indústrias químicas e refinarias fornos de fusão de vidro secadores de sólidos fornos e estufas de secagem e cura de revestimentos digestores de cozimento de madeira para a indústria de papel e celulose reatores de branqueamento de celulose incineradores e muitos outros exemplos CAMPUS DE ITAPETININGA Combustíveis e Combustão Ø Além de auxiliar na produção de bens de consumo e de capital a combustão é utilizada na outra ponta do ciclo de vida de um produto como uma forma de processamento de resíduos Ø Apesar de uma série de benefícios associados aos processos de combustão não se pode negar a grande desvantagem associada ao processo a poluição ambiental Ø Os principais poluentes gerados pela combustão são os hidrocarbonetos não queimados ou parcialmente queimados os óxidos de nitrogênio NO e NO2 o monóxido de carbono CO os óxidos de enxofre SO2 e SO3 e os particulados em suas várias formas Ø As consequências da poluição primária vão desde problemas de saúde específicos até o nevoeiro químico smog a chuva ácida o aquecimento global e redução da camada de ozônio CAMPUS DE ITAPETININGA Introdução à Combustão Ø De acordo com o dicionário Webster combustão é definido como a oxidação rápida gerando calor ou ambos calor e luz também a oxidação lenta acompanhada por pequena liberação de calor e sem emissão de luz Ø Para os nossos propósitos restringiremos a definição à primeira parte a rápida oxidação pois muitos dos equipamentos de combustão usados nas aplicações industriais pertencem a esse domínio Ø Nessa definição temos intrinsecamente a importância das reações químicas para a combustão o processo de combustão converte a energia armazenada em ligações químicas em energia térmica que pode ser utilizada de várias formas CAMPUS DE ITAPETININGA Ø Nas reações de combustão a rápida oxidação dos elementos do combustível resulta em liberação de energia à medida que os produtos de combustão são formados Ø Os três principais elementos químicos combustíveis presentes em combustíveis comuns são Ø Carbono C Ø Hidrogênio H2 Ø Enxofre S Introdução à Combustão CAMPUS DE ITAPETININGA ØDizse que a combustão é completa quando Ø Todo carbono C presente no combustível é queimado para formar dióxido de carbono CO2 Ø Todo hidrogênio H2 é queimado para formar água H2O Ø Todo enxofre S é queimado para formar dióxido de enxofre SO2 Ø Todos os demais elementos combustíveis são completamente oxidados ØQuando essas condições não são completamente atendidas dizse que a combustão é incompleta Introdução à Combustão CAMPUS DE ITAPETININGA ØQuando se lida com reações químicas é necessário recordar que a massa é conservada portanto a massa dos produtos é igual à massa dos reagentes A massa total de cada elemento químico deve ser a mesma dos dois lados da equação mesmo que os elementos existam em compostos diferentes nos reagentes e produtos ØPor exemplo 1 H2 ½ O2 1 H2O 1 kmol H2 ½ kmol O2 1 kmol H2O 2 kg H2 16 kg O2 18 kg H2O Introdução à Combustão Coeficientes estequiométricos CAMPUS DE ITAPETININGA Determine a equação de reação balanceada para a reação completa de metano CH4 com o oxigênio O2 Ø Para reação completa os produtos de reação deverão conter apenas dióxido de carbono CO2 e água H2O CH4 a O2 b CO2 c H2O Onde a b e c denotam os moles O2 CO2 e H2O respectivamente para cada mol de CH4 Ø Conservando a massa dos elementos teremos Ø Resolvendo as equações a equação balanceada da reação é C 1 O H b 4 2c 2a 2b c CH4 2 O2 CO2 2 H2O Exemplo 1 CAMPUS DE ITAPETININGA ØUm combustível é simplesmente uma substância inflamável Daremos maior ênfase aos combustíveis hidrocarbonados ØLíquidos frequentemente derivados de petróleo gasolina diesel entre outros óleos combustíveis A maioria dos combustíveis líquidos têm suas composições químicas geralmente dadas em termos de frações mássicas ØGasosos comumente obtidos de poços de gás natural ou produzidos em determinados processos químicos As composições dos combustíveis gasosos normalmente são dadas em termos de frações molares ØSólidos dentre os combustíveis sólidos o carvão é um dos mais comuns sendo que sua composição varia consideravelmente segundo o local do qual é extraído As composições dos combustíveis sólidos são dadas através de análises imediatas a qual gera em base mássica as quantidades relativas dos elementos químicos carbono enxofre hidrogênio oxigênio e de cinzas Combustíveis CAMPUS DE ITAPETININGA Ø O oxigênio é necessário em toda reação de combustão Na maioria das aplicações o ar é utilizado para prover o oxigênio necessário à reação Ø O seguinte modelo de ar seco é usado por simplicidade 1 Todos os componentes do ar seco que não o oxigênio são agrupados com o nitrogênio Com esta idealização considerase que o ar é composto de 21 O2 e 79 N2 em base molar Assim sendo quando ar fornece oxigênio a uma reação de combustão cada mol de O2 é acompanhado de 079021 376 moles de N2 2 Assumese que o nitrogênio presente no ar é inerte 3 A massa molecular do ar seco é 2897 gmol Ø Quando houver ar úmido na combustão o vapor dágua presente deve ser considerado ao se escrever a equação de combustão Modelagem de Ar de Combustão CAMPUS DE ITAPETININGA Ø A razão arcombustível é a razão entre a quantidade de ar na reação de combustão em relação à quantidade de combustível Ø A razão arcombustível pode ser escrita em uma base molar Ø Ou em uma base mássica Ø A conversão entre esses valores pode ser obtida usando as massas moleculares do ar Mar e do combustível Mcomb da seguinte maneira Razão ArCombustível í1 í1 345 36789 CAMPUS DE ITAPETININGA ØAr teórico é a quantidade mínima de ar que fornece oxigênio suficiente para a combustão completa de todo carbono hidrogênio e enxofre presente no combustível ØPara a combustão completa com a quantidade de ar teórico os produtos de reação gerados consistem de CO2 H2O e SO2 mais N2 presente nos reagentes Nenhum oxigênio livre O2 aparece nos produtos de reação ØNormalmente a quantidade de ar maior ou menor que a quantidade teórica A quantidade de ar efetivamente fornecida é comumente expressada como Ø Um percentual de ar teórico Ex 150 de ar teórico equivale a 15 vezes a quantidade teórica Ø Um percentual de ar em excesso ou percentual de deficiência de ar Ex 50 de ar em excesso equivale a 150 de ar teórico Ar Teórico CAMPUS DE ITAPETININGA ØA equação química balanceada é CH4 a O2 376 N2 b CO2 c H2O d N2 ØO coeficiente 2 antes do termo O2 376 N2 é o número de moles de O2 na combustão por mol de combustível não a quantidade de ar ØA quantidade de ar teórico por mol de combustível é a soma de moles de oxigênio e nitrogênio 2 O2 752 N2 Portanto 952 Exemplo 2 ØDetermine a quantidade de ar teórico para a combustão completa do metano A reação é C 1 O H b 4 2c 2a 2b c N d 376a CH4 2 O2 376 N2 1 CO2 2 H2O 752 N2 CAMPUS DE ITAPETININGA Ø Então a razão arcombustível para essa situação é Em base molar Em uma base mássica Exemplo 2 í1 2 752 1 952 A A 952 BCDE FGHI 1719 CAMPUS DE ITAPETININGA Ø A equação química balanceada é CH4 a O2 376 N2 b CO2 c H2O d N2 Ø A quantidade de ar por mol de combustível é 15 vezes a quantidade de ar teórico Ø A quantidade de ar em excesso fornecida aparece nos produtos de reação na forma de O2 e uma maior quantidade de N2 Exemplo 3 Ø Determine a quantidade de ar teórico para a combustão completa do metano com 150 de ar teórico A reação é C 1 O H b 4 2c 2a 2b c N d 376a CH4 152 O2 376 N2 CO2 2H2O O2 1128 N2 CAMPUS DE ITAPETININGA Ø Então a razão arcombustível para essa situação é Em base molar Em uma base mássica Exemplo 3 í1 3 1128 1 1428 A A 1428 BCDE FGHI 2579 CAMPUS DE ITAPETININGA ØA razão de equivalência é a razão de ar combustível real em relação à razão ar combustível teórica de ar ØDizse que os reagentes formam uma mistura pobre quando a razão de equivalência é menor que a unidade ØQuando a razão é maior que a unidade dizse que os reagentes formam uma mistura rica Razão de Equivalência CAMPUS DE ITAPETININGA ØEm aplicações práticas a combustão é geralmente incompleta ØOs produtos de combustão de um processo de combustão real e suas quantidades relativas podem ser determinadas apenas por meio de medições ØExistem diversos dispositivos para medição da composição de produtos de combustão Os dados obtidos a partir desses dispositivos podem ser utilizados para a determinação das frações molares dos produtos gasosos ØAs análises são frequentemente informadas em uma base seca onde as frações molares dos produtos são determinadas excetuandose do vapor dágua Determinação dos Produtos da Combustão CAMPUS DE ITAPETININGA Exemplo 4 ØEtanol C2H5OH é queimado com ar de modo a proporcionar produtos de combustão em uma base molar seca com os seguintes percentuais 316 de CO2 166 de CO e 8024 N2 Determine a reação química balanceada ØPor conveniência vamos basear a solução para 100 moles de produtos secos A reação de queima do etanol será a C2H5OH b O2 376 N2 316 CO2 166 CO 8024 N2 c H2O Onde a denota os moles de combustível necessário para 100 moles de produtos secos Note também que um termo que contabiliza a água formada nessa reação deve ser incluído CAMPUS DE ITAPETININGA Exemplo 4 a C2H5OH b O2 376 N2 316 CO2 166 CO 8024 N2 c H2O Ø Aplicando conservação de massa temos C 2a N H 316 166 6a 2c 376b 8024 Ø Então a equação balanceada será a 988 c 2964 O a 2b 3162 166 c b 2134 Checking 5256 5256 988 C2H5OH 2134 O2 376 N2 316 CO2 166 CO 8024 N2 2964 H2O Ø Expressando a equação por mol de combustível 988 C2H5OH 216 O2 376 N2 032 CO2 168 CO 812 N2 3 H2O CAMPUS DE ITAPETININGA H2 H2O O2 ØPara sistemas reagentes os métodos usados para avaliar entalpia e entropia específicas diferem fundamentalmente das praticadas em aplicações nãoreagentes ØPor esse motive temos dois novos conceitos Ø Entalpia de formação Ø Entropia absoluta H2 ½O2 H2O Balanços de Energia e Entropia para Sistemas Reagentes ØUm simples exemplo ilustra a necessidade de revisar o modo como entalpia e entropia são avaliadas em sistemas reagentes A figura mostra um volume de controle no qual entram hidrogênio e oxigênio cada um como gás ideal e reagem de modo a formar água líquida conforme CAMPUS DE ITAPETININGA ØPara aplicar um balanço de energia ao volume de controle podemos pensar em usar dados de entalpia a partir das tabelas de vapor para água líquida e tabelas de propriedades de gases tomados como gases ideais H2 H2O O2 ØContudo uma vez que essas tabelas usam referenciais arbitrários para atribuir valores de entalpia elas devem ser usadas apenas para determinar diferenças de entalpia entre dois estados H2 ½O2 H2O Balanços de Energia e Entropia para Sistemas Reagentes CAMPUS DE ITAPETININGA ØPara o caso acima H2 e O2 entram no V C mas não saem e água líquida sai mas não entra Portanto as diferenças de entalpia da entrada para a saída não aparecem para cada uma dessas substâncias quando aplicando um balanço de energia ao VC Por isso é necessário atribuir valores de entalpia de forma tal que os referenciais sejam comuns Isso é possível utilizandose da entalpia de formação ØDe modo similar para valores de entropia em sistemas reagentes se faz necessário a utilização de valores de entropia absoluta H2 H2O O2 H2 ½O2 H2O Balanços de Energia e Entropia para Sistemas Reagentes CAMPUS DE ITAPETININGA ØUm referencial de entalpia para o estudo de sistemas reagentes é estabelecido por atribuir o valor de zero para C H2 N2 O2 e outros elementos estáveis no estado de referênciapadrão definido como Tref 29815 K 25oC e pref 1 atm ØA entalpia de um composto no estado de referência padrão é igual à entalpia de formação denotada por o fh ØA entalpia de formação é a energia liberada ou absorvida quando o composto é formado a partir de seus elementos estando todos componentes e elementos a Tref e pref Avaliação da Entalpia de Formação de Sistemas Reagentes CAMPUS DE ITAPETININGA Thermochemical Properties of Selected Substances at 298K and 1 atm Heating Values Substance Formula Molar Mass M kgkmol Enthalpy of Formation o f h kJkmol Gibbs Function of Formation o f g kJkmol Absolute Entropy s o kJkmolK Higher HHV kJkg Lower LHV kJkg Carbon Cs 1201 0 0 574 32770 32770 Hydrogen H2g 2016 0 0 13057 141780 119950 Nitrogen N2g 2801 0 0 19150 Oxygen O2g 3200 0 0 20503 Carbon Monoxide COg 2801 110530 137150 19754 Carbon dioxide CO2g 4401 393520 394380 21369 Water H2Og 1802 241820 228590 18872 Water H2Ol 1802 285830 237180 6995 Hydrogen peroxide H2O2g 3402 136310 105600 23263 Ammonia NH3g 1703 46190 16590 19233 Oxygen Og 1600 249170 231770 16095 Hydrogen Hg 1008 218000 203290 11461 Nitrogen Ng 1401 472680 455510 15319 Hydroxyl OHg 1701 39460 34280 18375 Methane CH4g 1604 74850 50790 18616 55510 50020 Acetylene C2H2g 2604 226730 209170 20085 49910 48220 Thermochemical Properties of Selected Substances at 298K and 1 atm Heating Values Substance Formula Molar Mass M kgkmol Enthalpy of Formation o f h kJkmol Gibbs Function of Formation o f g kJkmol Absolute Entropy s o kJkmolK Higher HHV kJkg Lower LHV kJkg Carbon Cs 1201 0 0 574 32770 32770 Hydrogen H2g 2016 0 0 13057 141780 119950 Nitrogen N2g 2801 0 0 19150 Oxygen O2g 3200 0 0 20503 Carbon Monoxide COg 2801 110530 137150 19754 Carbon dioxide CO2g 4401 393520 394380 21369 Water H2Og 1802 241820 228590 18872 Water H2Ol 1802 285830 237180 6995 Hydrogen peroxide H2O2g 3402 136310 105600 23263 Ammonia NH3g 1703 46190 16590 19233 Oxygen Og 1600 249170 231770 16095 Hydrogen Hg 1008 218000 203290 11461 Nitrogen Ng 1401 472680 455510 15319 Hydroxyl OHg 1701 39460 34280 18375 Methane CH4g 1604 74850 50790 18616 55510 50020 Acetylene C2H2g 2604 226730 209170 20085 49910 48220 ØComo indicado na tabela abaixo os valores de entalpia de formação se aplicam apenas para o estado padrão de 298 K e 1 atm ØUm valor de zero é atribuído à entalpia de formação de cada uma das quatro primeiras substâncias TABLE A25 Avaliação da Entalpia de Formação de Sistemas Reagentes Fonte Moran et al 2017 CAMPUS DE ITAPETININGA ØA entalpia específica de um composto a um estado qualquer onde a temperatura é T e a pressão é p é determinada da seguinte forma ØSendo assim a entalpia específica de um composto está ligada a que é associada à formação do composto a partir de seus elementos constituintes que é associada com a mudança de estado do estado estado padrão para um estado de interesse onde a temperatura é T e a pressão é p Uma vez que este termo é a diferença de valores para uma composição constante seus valores podem ser tomados a partir de tabelas de vapor de gases ideais entre outras Avaliação da Entalpia de Formação de Sistemas Reagentes o fh Dh CAMPUS DE ITAPETININGA Exemplo 5 Carvão pulverizado assuma como carbono C entra em um reator a 298 K e 1 atm e é queimado completamente com O2 entrando a 400 K e 1 atm Um fluxo de CO2 sai a 500 K e 1 atm Para um volume de controle em regime permanente envolvendo o reator avalie a taxa de transferência de calor em kJkmol de carvão que entra Assuma os gases O2 e CO2 como ideais e ignore os efeitos das energias cinética e potencial C O2 CO2 C CO2 O2 298 K 1 atm 400 K 1 atm 500 K 1 atm CAMPUS DE ITAPETININGA Exemplo 5 Ø Aplicando um balanço de energia ao volume de controle 1ª Lei N OP QP RPS S T UP OV QV RVS S T UV W Considerações Regime permanente Energias cinética e potencial desprezadas Não há trabalho no reator Portanto N OX QX OYS QYS OXYS QXYS C O2 CO2 C CO2 O2 298 K 1 atm 400 K 1 atm 500 K 1 atm CAMPUS DE ITAPETININGA Exemplo 5 Ø Reescrevendo a equação em base molar temos N OX ZX QX ZX OYS ZYS QYS ZYS OXYS ZXYS QXYS ZXYS N XYSQXY XQX YSQY Ø Dividindo toda a expressão pelo fluxo de moles de carvão que entram temos N X XYSQXY X XQX X YSQY X N X QXY QX QY C O2 CO2 C CO2 O2 298 K 1 atm 400 K 1 atm 500 K 1 atm CAMPUS DE ITAPETININGA Exemplo 5 Ø Como o carbono entra no estado padrão 298 K e 1 atm temos N X QXY QX QY C O2 CO2 C CO2 O2 298 K 1 atm 400 K 1 atm 500 K 1 atm Thermochemical Properties of Selected Substances at 298K and 1 atm Heating Values Substance Formula Molar Mass M kgkmol Enthalpy of Formation o f h kJkmol Gibbs Function of Formation o f g kJkmol Absolute Entropy s o kJkmolK Higher HHV kJkg Lower LHV kJkg Carbon Cs 1201 0 0 574 32770 32770 Hydrogen H2g 2016 0 0 13057 141780 119950 Nitrogen N2g 2801 0 0 19150 Oxygen O2g 3200 0 0 20503 Carbon Monoxide COg 2801 110530 137150 19754 Carbon dioxide CO2g 4401 393520 394380 21369 Water H2Og 1802 241820 228590 18872 Water H2Ol 1802 285830 237180 6995 Hydrogen peroxide H2O2g 3402 136310 105600 23263 Ammonia NH3g 1703 46190 16590 19233 Oxygen Og 1600 249170 231770 16095 Hydrogen Hg 1008 218000 203290 11461 Nitrogen Ng 1401 472680 455510 15319 Hydroxyl OHg 1701 39460 34280 18375 Methane CH4g 1604 74850 50790 18616 55510 50020 Acetylene C2H2g 2604 226730 209170 20085 49910 48220 Thermochemical Properties of Selected Substances at 298K and 1 atm Heating Values Substance Formula Molar Mass M kgkmol Enthalpy of Formation o f h kJkmol Gibbs Function of Formation o f g kJkmol Absolute Entropy s o kJkmolK Higher HHV kJkg Lower LHV kJkg Carbon Cs 1201 0 0 574 32770 32770 Hydrogen H2g 2016 0 0 13057 141780 119950 Nitrogen N2g 2801 0 0 19150 Oxygen O2g 3200 0 0 20503 Carbon Monoxide COg 2801 110530 137150 19754 Carbon dioxide CO2g 4401 393520 394380 21369 Water H2Og 1802 241820 228590 18872 Water H2Ol 1802 285830 237180 6995 Hydrogen peroxide H2O2g 3402 136310 105600 23263 Ammonia NH3g 1703 46190 16590 19233 Oxygen Og 1600 249170 231770 16095 Hydrogen Hg 1008 218000 203290 11461 Nitrogen Ng 1401 472680 455510 15319 Hydroxyl OHg 1701 39460 34280 18375 Methane CH4g 1604 74850 50790 18616 55510 50020 Acetylene C2H2g 2604 226730 209170 20085 49910 48220 TABLE A25 C C o f C 298 K 1 atm h h h D Fonte Moran et al 2017 CAMPUS DE ITAPETININGA Exemplo 5 Ø Como o oxigênio entra a 400 K e 1 atm temos N X QXY QY Ideal Gas Properties of Selected Gases Enthalpy hT and internal energy uT in kJkmol Absolute entropy at 1 atm soT in kJkmolK Oxygen O2 o hf 0 kJkmol TK h u so 280 8150 5822 203191 290 8443 6032 204218 298 8682 6203 205033 300 8736 6242 205213 400 11711 8384 213765 410 12012 8603 214510 420 12314 8822 215241 Ideal Gas Properties of Selected Gases Enthalpy hT and internal energy uT in kJkmol Absolute entropy at 1 atm soT in kJkmolK Oxygen O2 o hf 0 kJkmol TK h u so 280 8150 5822 203191 290 8443 6032 204218 298 8682 6203 205033 300 8736 6242 205213 400 11711 8384 213765 410 12012 8603 214510 420 12314 8822 215241 TABLE A23 Fonte Moran et al 2017 2 2 2 O O o f O 400 K 1 atm h h h D 8 682 11711 0 O2 400 K 1 atm h 3 029 kJkmol O2 400 K 1 atm h CAMPUS DE ITAPETININGA Ideal Gas Properties of Selected Gases Enthalpy hT and internal energy uT in kJkmol Absolute entropy at 1 atm soT in kJkmolK Carbon Dioxide CO2 o hf 393520 kJkmol TK h u so 280 8697 6369 211376 290 9063 6651 212660 298 9364 6885 213685 300 9431 6939 213915 500 17678 13521 234814 510 18126 13885 235700 520 18576 14253 236575 Ideal Gas Properties of Selected Gases Enthalpy hT and internal energy uT in kJkmol Absolute entropy at 1 atm soT in kJkmolK Carbon Dioxide CO2 o hf 393520 kJkmol TK h u so 280 8697 6369 211376 290 9063 6651 212660 298 9364 6885 213685 300 9431 6939 213915 500 17678 13521 234814 510 18126 13885 235700 520 18576 14253 236575 TABLE A23 Exemplo 5 Ø Como o dióxido de carbono sai a 500 K e 1 atm temos N X QXY QY Fonte Moran et al 2017 2 2 2 CO CO o f CO 500 K 1 atm h h h D 9 364 17678 393520 CO2 500 K 1 atm h 385206 kJkmol CO2 500 K 1 atm h CAMPUS DE ITAPETININGA Exemplo 5 Ø Conhecendo os valores podemos resolver a equação N X QXY QY aSbc bSd N X Sa fgfOij Ø O sinal negativo indica que calor é transferido do volume de controle para a vizinhança ou seja a reação é exotérmica C CO2 O2 298 K 1 atm 400 K 1 atm 500 K 1 atm C CO2 O2 298 K 1 atm 400 K 1 atm 500 K 1 atm C O2 CO2 CAMPUS DE ITAPETININGA Entalpia de Combustão e Poder Calorífico Ø A entalpia de formação dos combustíveis nem sempre é tabulada como vimos até então Ø Muitas vezes os combustíveis possuem composição bastante diversificada tanto com relação aos seus constituintes quanto pelas quantidades relativas dessas substâncias Ø Em muitos casos de interesse prático podese utilizar a entalpia de combustão que é acessível experimentalmente Ø A entalpia de combustão é definida como a diferença entre a entalpia dos produtos e a entalpia dos reagentes quando ocorre uma combustão completa a temperatura e pressão dadas CAMPUS DE ITAPETININGA Entalpia de Combustão e Poder Calorífico Ø O Poder Calorífico é um número positivo igual ao módulo da entalpia de combustão Ø Dois poderes caloríficos são reconhecidos Poder calorífico superior PCS é obtido quando toda a água formada por combustão é um líquido Poder calorífico inferior PCI é obtido quando toda a água formada por combustão é vapor O valor do PCS excede o valor do PCI pela energia que seria liberada quando toda água dos produtos condessasse para líquido Ø O poder calorífico de combustíveis tem importante aplicação prática CAMPUS DE ITAPETININGA Importância do Poder Calorífico Ø O vapor é obtido através das unidades geradoras de vapor chamadas de caldeiras que são trocadores de calor que produzem vapor a partir da energia térmica obtida com a queima de um combustível Ø São constituídas basicamente por um vaso fechado sob pressão no qual se introduz água líquida que se transforma em vapor ao receber o calor da combustão na fornalha Ø Cada tipo de caldeira é projetada levandose em conta o combustível com o qual trabalhará sendo que cada combustível tem suas características CAMPUS DE ITAPETININGA Poder Calorífico ØA quantidade de energia liberada por uma quantidade de combustível depende do tipo de combustível quantidade de energia essa que é comumente medida pelo poder calorífico do combustível ØPoder Calorífico pode ser entendido como o calor liberado pela combustão completa do combustível CAMPUS DE ITAPETININGA Poder Calorífico Superior O Poder Calorífico Superior PCS é a energia liberada por unidade de massa disponível por um determinado material cuja combustão se efetua a volume constante não há liberação de calormassa para o meio ou seja ocorre num sistema isolado e no qual a água formada durante a reação de combustão é condensada e o calor referente a esta condensação é levado em conta BRIANE DOAT 1985 CAMPUS DE ITAPETININGA Poder Calorífico Inferior O Poder Calorífico Inferior PCI é a energia efetivamente disponibilizada por um material considerandose a perda de energia referente à água formada na reação de combustão do material ou seja acontece à pressão constante em ambiente aberto JARA 1989 CAMPUS DE ITAPETININGA Poder Calorífico Ø Vejamos algumas reações químicas e o respectivo calor gerado C O2 CO2 H 33900 kJkg 2 H2 O2 2 H2O H 141800 kJkg S O2 SO2 H 9200 kJkg Ø Observe o poder calorífico de alguns combustíveis comumente utilizados Combustível Poder Calorífico Superior kJkg Óleo combustível 42635 Lenha seca 10450 14630 Carvão mineral 20900 33850 Carvão vegetal 33400 Bagaço de cana 9600 19165 Gás natural 51800 GLP 49000 Óleo diesel 43890 Gasolina 45980 Álcool combustível 27170 CAMPUS DE ITAPETININGA Poder Calorífico ØExistem algumas maneiras de se determinar o poder calorífico de um material Através do conceito de entalpia de combustão para quando os dados de entalpia de formação estão disponíveis para todos os reagentes e produtos Através de cálculo estimativo a partir da composição elementar do combustível dada por análises imediatas em bases mássicas Através de calorímetros CAMPUS DE ITAPETININGA Bomba Calorimétrica CAMPUS DE ITAPETININGA Estimativa do PCI Ø O cálculo teórico do poder calorífico inferior de um combustível sólido ou líquido em kcalkg pode ser efetuado pela expressão que se segue baseada nas reações de combustão dos componentes puros kXl mS X n Y Scab Sbca o cpa W Onde C teor de carbono H teor de hidrogênio O teor de oxigênio S teor de enxofre W teor de umidade CAMPUS DE ITAPETININGA Exemplo 6 A análise imediata de um combustível sólido apresentou a seguinte composição elementar base mássica 5802 de carbono 304 de hidrogênio 098 de nitrogênio 1602 de oxigênio 403 de enxofre e 1791 de cinzas Baseado na composição deste combustível faça uma estimativa do Poder Calorífico Inferior PCI 2 345 534 6 374 8 5 45 5 55 5 735 345 534 5 55 374 5 4 B 537 DB CAMPUS DE ITAPETININGA Exemplo 7 Faça uma estimativa do Poder Calorífico Inferior PCI para a combustão completa de a Álcool etílico anidro etanol sem adição de água b Álcool combustível considere adição de 7 de água Composição do álcool etílico Etanol C2H5OH Teor de carbono 24x10046 C 5217 Teor de hidrogênio 6x10046 H 1304 Teor de oxigênio 16x10046 O 3478 Poder Calorífico Inferior PCI Respostas PCI 657635 kcalkg PCI 653330 kcalkg kXl mS X n Y Scab Sbca o cpa W CAMPUS DE ITAPETININGA Referências ü BRIANE D DOAT J Guide technique de La carbonisation la fabrication Du charbon de bois AixenProvense ÉDISUD 1985 180 p ü FELIPPO FILHO G Máquinas térmicas estáticas e dinâmicas fundamentos de termodinâmica características operacionais e aplicações São Paulo Érica 2014 200 p ü JARA E R P O poder calorífico de algumas madeiras que ocorrem no Brasil São Paulo Instituto de Pesquisas Técnologicas 1989 6 p Comunicação técnica 1797 ü MORAN M J et al Princípios de termodinâmica para engenharia 7 ed Rio de Janeiro LTC 2017 819 p ü TURNS S R Introdução à Combustão Conceitos e Aplicações Barueri Amgh Editora 2013 CAMPUS DE ITAPETININGA Até a próxima aula Nos vemos em breve Professor Rafael dos Santos rafasantos01ifspedubr