ASA 2- TEORIA DA PROPULSÃO Cristiane Aparecida Martins Agosto/2012.

ASA 2- TEORIA DA PROPULSÃO

Cristiane Aparecida Martins

Agosto/2012

C.A.Martins, ITA

Classificação dos Sistemas de Propulsão

• Motores ‘Perfeitos' a eficiência de conversão de energia é de 100% mas nem toda a energia é convertida em trabalho, o que significa que parte da energia é desperdiçada na exaustão.

• No motor elétrico o mínimo valor (na exaustão) é o zero (Terra), o que significa que teoricamente é possível obter 100% de eficiência na exaustão da carga elétrica, a qual não deixará nenhum resíduo.

• No motor hidráulico a mínima pressão de exaustão é a atmosférica, o que significa que parte da energia será desperdiçada na exaustão.

• No motor térmico, 'máquina térmica' a mínima temperatura é obtida nas condições ambientes, ou seja da ordem de 300K, significando que também existirá uma energia residual na saída. Se a saída fosse de Zero absoluto conseguiríamos extrair toda a energia contida.

• MÁQUINAS TÉRMICAS UTILIZAM FLUIDO DE TRABALHO

MÁQUINA TÉRMICA: CADEIA PROPULSIVA

EnergiaQuímica

Calor(Energia Térmica)

Potência Mecânica

PotênciaMec. paraFluxo Gás

Empuxo

A eficiência global para cadeia propulsiva é dada:

Combustão Térmica Propulsiva

propulsivamecânicatérmicacombustãooverall ηηηηη

Mecânica

Cristiane MartinsASA 2 – 2-2012

– Termoquímica – Conceitos Básicos Balanço de Massa Balanço de Energia

Cristiane MartinsASA 2 – 2-2012

Cristiane Martins ASA2 – 2-2012

Balanço de Massa (sem reação química)

Sem reação química

ENTRADA = SAÍDA

Qs + Qw = C


Fundamentos da Combustão


Conservação de Massa


Processo de Combustão

Combustível + Oxidante Produtos

Exemplo:

1 CH4 + 2 O2 1 CO2 + 2 H2O

Combustível

Oxida

nte

Fonte de ignição


Combustão: seqüência de reações químicas.

Chama: propagação da combustão no espaço; associação entre os escoamentos e as reações químicas.

ASA-2 - 2010

A composição dos produtos de exaustão provenientes das reações de combustão dependem de inúmeros fatores, incluindo tipo de oxidante, composição, temperatura dos gases e razão de equivalência.

Processo reacional – equilíbrio adiabático

ASA-2 - 2010

Reações de Combustão

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Exemplos de Processos de Combustão

ASA-2 - 2010

Chama laminar - vela

ASA-2 - 2010

Explosão

ASA-2 - 2010

Chama turbulenta tipo jato de GNV


Chamas – (queima rica a queima pobre) Diferentes tipos de

chama dependendo da disponibilidade de oxidante.

Da esquerda para direita de sem pré-mistura até pré-misturada.

http://en.wikipedia.org/wiki/Flame

ASA-2 - 2010

Combustão confinada

ASA-2 - 2010

Queimador industrial - álcool

ASA-2 - 2010

Queimador Industrial -

Queimador para caldeira utilizando gás de alto forno

ASA-2 - 2010

Combustão de dimetil hidrazina assimétrica comtetróxido de nitrogênio. Foguete Longa Marcha 4B,

lançamento do CBERS-2, 21/10/2003.

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Propagação de fogo em leitos florestais.

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Propulsor de 200 N; MMH/N2O4 – INPE/LCP.


Lei de Conservação de Massa Massa não pode ser criada ou destruída

(Reações nucleares excluídas)

Você consegue avaliar toda a massa que entra, é gerada e sai ou se acumula em determinado sistema??

Balanço Material.


Cálculos Estequiométricos


Procedimento de Cálculo dos Coeficientes Estequiométricos

1 CH4 + x O2 y CO2 + z H2O

C: 1 = y y = 1,

H: 4 = 2z z = 2,

O: 2x = 2y + z x = 2.


Conservação de Massa na Reação de Combustão Estequiométrica

1 CH4 + 2 O2 1 CO2 + 2 H2O,

16 g + 64 g = 44 g + 36 g.


Somente massa é conservada.

Número de mols, em geral, não o é.

1 H2 + 1/2 O2 1 H2O,

2 g + 16 g = 18 g, (massa)

1 + 1/2 1. (número de mols)


CombustívelSubstância química que, quando em contato com um oxidante, pode produzir uma reação exotérmica, ou seja, uma reação que libera energia na forma de calor. Combustível industrial precisa:

(a) existir em grandes quantidades, (b) possuir baixo custo, e(c) ser aplicável no processo industrial em consideração.


Fatores que Afetam a Seleção de um Combustível

(a) Disponibilidade,(b) Custo,(c) Aplicabilidade,(d) Eficiência do processo, (e) Características de formação de poluentes, (f) Facilidade de controle, (g) Presença de impurezas como cinzas, e (h) Facilidade de transporte.


Classificação dos Combustíveis

Pelo estado de agregação: sólidos;líquidos;gasosos.

Pela origem: naturais;artificiais.


Classificação dos Combustíveis

Combustíveis naturais podem ser:sólidos, como carvão mineral, madeira e turfa;líquidos, como petróleo;gasosos, como gás natural.

Combustíveis artificiais resultam do processamento dos combustíveis naturais, e podem também ser:

sólidos, como coque de carvão e carvão vegetal;líquidos, como gasolina e querosene;gasosos, como gás de coqueria e gás de alto forno.


Oxidante

Ar:

78,08% nitrogênio, 20,95% oxigênio, 0,93% argônio, 0,03% dióxido de carbono, 0,01% de outros gases.

Para fins de balanço:

79% nitrogênio e 21% oxigênio.

XN2,ar = 0,79 e XO2,ar = 0,21.


Composição mássica do ar:

YN2,ar = 0,768; YO2,ar = 0,232.

Massa molecular do ar:

M = 28,84 g/gmol


Estequiometria de uma reação considera a relação entre moles de reagentes e produtos. Não fornece NENHUMA informação sobre balanço energético da reação química. Entretanto sabemos que energia pode ser produzida (combustão) ou absorvida (derretimento de gelo) por determinadas reações.


Reação de combustão estequiométrica de metano com ar:

1 CH4 + 2 O2 + 7,52 N2 1 CO2 + 2 H2O + 7,52 N2

Reação de combustão de metano com excesso de ar:

1 CH4 + 2 O2 + 7,52 N2 1 CO2 + 2 H2O + 7,52 N2 + 2(-1) O2

16 g + 64 g + 210,56 g = 44 g + 36 g + 210,56 g + 64 (-1) g


Esquema de Balanço de Massa para Combustão de Metano com Ar

1 CH4 + 2 O2 + 7,52 N2 1 CO2 + 2 H2O + 7,52 N2 + 2(-1) O2


Fator de Ar ()

Razão entre o volume de ar utilizado e o volume de ar necessário para combustão completa de uma certa quantidade de combustível.

= Var utilizado/Var estequiométrico

< 1 A combustão é redutora

= 1 A combustão é estequiométrica

> 1 A combustão é oxidante


Valores Usuais do Coeficiente de Excesso de Ar ()

Combustíveis Excesso de ar ()

Sólidos 30 a 100%, = 1,3 a 2,0

Líquidos 10 a 30%, = 1,1 a 1,3

Gasosos 5 a 20%, = 1,05 a 1,2

Fonte: Pinheiro & Valle, Controle de Combustão: Otimização do Excesso de Ar; disponível em www.geocities.com

Combustível Tipo de fornalha ou queimador

Carvão pulverizado

Aquatubular completaAquatubular parcial fundo seco

1,15 – 1,201,15 – 1,40

Carvão britado Fornalha ciclone 1,10 – 1,15

Carvão Grelha fixaGrelha vibratóriaGrelha rotativaGrelha fixa alimentação por baixo

1,30 – 1,601,30 – 1,601,15 – 1,501,20 – 1,50

Óleo combustível Queimadores de óleo tipo registroQueimadores multicombustível

1,05 – 1,151,05 – 1,20

Gás naturalGás de coqueriaGás de alto forno

Queimadores tipo registroQueimadores multicombustívelQueimadores de bocal intertubos

1,05 – 1,101,07 – 1,121,15 – 1,18

Madeira Grelha 1,20 – 1,25

Bagaço de cana Todas as fornalhas 1,25 – 1,35


razão combustível/ar Comum a apresentação das condições iniciais em termos:- de razão mássica combustível/ oxidante- razão mássica oxidante / combustível

razão de equivalência (atual/ estequiométrico) = 1 – estequiometria (quantidade de oxidante exata

para combustível) < 1 – pobre ( excesso de oxidante) > 1 – rica (excesso de combustível)

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Razão de equivalência ()

Exemplo com álcool etílico

1 C2H5OH + 3 O2 + 11,28 N2 2 CO2 + 3 H2O + 11,28 N2. Com 5 % de excesso de ar, teremos: 1 C2H5OH + 3,15 O2 + 11,84 N2 2 CO2 + 3 H2O + 11,84 N2 + 0,15 O2

952,0)3/1(

)15,3/1(

tricoestequiomé

operação


REAÇÕES BÁSICAS. C + O2 + N2 ----> CO2 + N2 H + 1/2O2 + N2 -----> H2O + N2


Combustão e Velocidade de Exaustão


Considerando que empuxo, thrust F, é a resultante entre as forças exercidas no interior pelos gases de combustão e exterior pela pressão atmosférica nas redondezas, como ilustra a Figura.

eaee APPvmF .


Empuxo possui dois termos contribuintes: 1° termo trata da contribuição da velocidade de saída (momentum) enquanto que o 2° termo está relacionado com a contribuição dada pela pressão de saída. Atente-se que:

- termo de velocidade SEMPRE fornece empuxo;

- termo de pressão pode AUMENTAR ou DIMINUIR o empuxo.


eaee APPvmF .

OF – razão de mistura

• Ao se definir razão de mistura ótima (OF) como aquela que produzirá o mais alto impulso específico para dados reagentes.

• A razão de mistura ótima é função da pressão para a qual o foguete irá operar.

• Um motor com alta pressão na câmara de combustão e baixa pressão na saída da tubeira, ou seja, razão de seção larga, produzirá a melhor razão de mistura possível.

• Diferente de outros propelentes, a razão de mistura ótima para o par oxigênio líquido e hidrogênio líquido (LOX/LH2) não necessariamente é aquela que produz máximo impulso específico.

• Devido a extrema baixa densidade do hidrogênio, o volume de propelente reduz significativamente para razões de mistura maiores.

• Máximo impulso específico ocorre tipicamente por volta de OF 4,5, entretanto se a razão de mistura for aumentada para 5.5, por exemplo, o volume de estocagem é reduzido para um quarto do que para 3.5.

• Isto conduz a tanques propelentes menores, veículos de menor massa e menos arrasto o que compensa a perda de desempenho que ocorre ao se utilizar uma razão de mistura maior. Na prática, muitos motores de LOX/LH2 utilizam razões de mistura entre 5-6, por exemplo, o veículo russo RL-10A-4 [10]. cuja especificação é:

• RL-104-4• Ready (Flight Certified): December 1990

Propellants: LOX/LH2O/F Ratio: 5.5Thrust (Vac): 20,800 lbf at 449 ISPChamber Pressure: 578 psiaExpansion Ratio: 84

RL-10B-2

• RL-10B-2• Ready (Flight Certified): May

1998Propellants: LOX/LH2O/F Ratio: 5.88Thrust (Vac): 24,750 lbf at 465.5 ISPWeight: 664 lbsT/W Ratio (vac): 32.27Chamber Pressure: 644 psiaEngine Length: 86.5” (Stowed), 163.5” (Deployed)Nozzle Diameter: 84.5 inchesExpansion Ratio: 285

References:A Review of United States Air Force and Department of Defense Aerospace Propulsion Needs (2006) – Appendix

RL-10B-2

LOX/LH2

• Outro exemplo é o par bipropelente tetróxido de nitrogênio e monometilhidrazina, N2O4/MMH, onde a razão de mistura de 1,67 resulta em tanque de combustível e oxidante de mesmo tamanho. Tamanhos de tanque idênticos simplificam grandemente a manufatura, o sistema de integração e montagem de todo o sistema propulsivo. Assim mesmo que a razão de mistura ótima esteja por volta de 1,2 a simplificação de construção compensa a perda em impulso específico.

Aerojet AJ-10-190 (Shuttle OMS System)

• Ready (Man Rated): April 1981Propellants: MMH and N2O4O/F Ratio: 1.65Thrust (vac): 6,000 lbf at 313.2 ISPWeight: 297 lbsT/W Ratio (vac): 20.2Chamber Pressure: 125 psiaEngine Length: 77 inchesEngine Nozzle Exit Diameter: 46 inchesExpansion Ratio: 55

LOX/METANO LIQUIDO

LOX & ETANOL * *

* * 75% C2H5OH + 25% H2O

LOX & RP-1 (QUEROSENE) * *

** n-Dodecane, C12H2

LOX & UDMH

ÁCIDO NÍTRICO FUMEGANTE * & MMH**

*83.5% HNO3 + 14% N2O4 + 2.5% H2O**Monometilhidrazina

ÁCIDO NÍTRICO FUMEGANTE * & RP-1**

*83.5% HNO3 + 14% N2O4 + 2.5% H2O ** n-Dodecane, C12H26

ÁCIDO NÍTRICO FUMEGANTE * & UDMH**

*83.5% HNO3 + 14% N2O4 + 2.5% H2O**Dimetilhidrazina

N2O4 & MMH

N2O4 & UDMH

PERÓXIDO DE HIDROGÊNIO* & RP-1**

* 85% H2O2 + 15% H2O ** n-Dodecane, C12H26

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