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  • 1 COMBUSTO E COMBUSTVEIS

    y 2x 2 2 2 2y y y

    x x 3,76 x3,76C O N CO O NH H4 2 4

    .

    .

    esteq

    esteq

    ACCAr

    CA AC

    .

    .

    esteq

    esteq

    ACCAr

    CA AC

    Se r = 1 a mistura estequiomtrica. Se r >1 existe excesso de combustvel (ou falta

    de ar) dizendo-se que a mistura rica, ao passo que se r < 1 existir excesso de ar e a

    mistura pobre.

    y 1 2 3 2 4 2x 2 2 2 2y y

    1 d x 3,76 1 d 3,76 xC O N CO CO O NH n n n H n H4 4

    1rd

    r

    ou

    11 d

    r

    y 2x 2 2 2 2 2y y y y

    1 e x 3,76 e x 1 e 3,76 xC O N CO O O NH x H4 2 4 4

    1 re

    r

    ou

    11 e

    r

    Mistura de combustveis lquidos ou gasosos.

    Normalmente dada a composio molar (volmica, supondo gases perfeitos) da

    mistura X1CxHy+X2H2+X3CO+X4O2+X5N2, sendo Xi a frao molar do componente i.

    A queima (no estequiomtrica) ser

    1 y 2 2 3 4 5x 2 2 2 22 21 2 2 3 4 5 2 6 2

    +3,76NC CO O N OH H

    CO O CO O NH H

    onX X X X X

    n n n n n n

    Combustveis slidos.

    Normalmente dada a composio mssica do combustvel de modo que,

    Y1C+Y2H2+Y3O2+Y4N2+Y5H2O+Y6S+cinzas sendo Yi, as fraes mssicas. Atendendo a

  • que para se escrever a equao qumica necessrio reconhecer-se o nmero de kmol

    dos intervenientes na reao e a que,

    21 2kmol C kmol de H;etc.

    kg kgcombustvel combustvel; ..

    12 2

    Y Y

    Pode escrever-se a equao qumica de modo a que cada coeficiente tenha as

    unidades:

    espcie correspondentekmol da

    kg da mistura i.e. combustvel

    tanto para os reagentes, como para os produtos.

    1 2 3 4 5 62 22 2 2 1 22C S ...3,76NO N O O COH H12 2 32 28,15 18 32

    o

    Y Y Y Y Y Yn n

    Queima de misturas de combustveis lquidos e gasosos.

    Um caso comum em muitas situaes ligadas indstria qumica e petroqumica a

    queima simultnea de combustveis gasosos e lquidos numa mesma fornalha.

    XCH4 de CH4, XC2H6 de C2H6, XC3H8 de C3H8, XC4H10 de C4H10, XN2 de N2 e XO2 de O2,

    calcula-se para cada componente da mistura a respetiva frao mssica Yi segundo,

    i ii

    i i

    X MY

    X M

    Quanto ao combustvel lquido, este ter por exemplo a seguinte composio

    mssica, YC de C e YH2 de H2.

    gc

    gc

    gc lc

    m

    m m

    lc

    lc

    gc lc

    m

    m m

    4 2 6 3 8 4 10

    2 2 2

    CH C H C H C Hgc gc gc gc

    N O C Hgc gc lc lc

    Y Y Y Y

    Y Y Y Y

  • 4 2 6 3 8 4 10

    6 8 104 2 3 4

    4 2 6 3 8 4 10

    2 2 2

    22 2 2 2

    2 2 2

    21 2 2 3 2

    3,76

    CH C H C H C Hgc gc gc gc

    CH C H C H C H

    N Ogc gc C Hlc lco

    N O C H

    Y Y Y YCH C C CH H H

    M M M M

    Y Y Y YN O C n O NH

    M M M M

    n CO n O n NH

    2

    2

    2

    2

    100

    (%)100

    N

    O

    N

    O

    e

    (Para o ar 2

    2

    3,76N

    O

    ).

    Qualquer que seja r < 1 ou r > 1,

    22

    22

    ' '1

    '

    A ON

    NO

    X Xr

    X

    com,

    2' '' '

    2 2 4

    CO HA CxHy

    yX XxX X

    em que, para o ar, 2

    2

    3,76N

    O

    .

    O clculo da riqueza recorrendo ao balano do O2 no obriga ao conhecimento

    prvio da composio do combustvel.

    Massa de ar necessria combusto estequiomtrica de um combustvel slido

    Um combustvel slido tem a seguinte composio mssica:

    CY de carbono [kg de C/kg de combustvel]

    2HY de hidrognio [kg de H2/kg de combustvel]

    2OY de oxignio [kg de O2/kg combustvel]

    SY de enxofre [kg de S/kg de combustvel]

    Sendo o restante, as cinzas ou inertes, a diferena a 100 % (ou unidade no caso de

    se considerarem fraes).

    2

    2

    massa de ar11,487 34,461 4,308

    massa de combustvel 8

    O

    C H S

    YY Y Y

  • Razo entre a massa de ar e a massa de combustvel para uma combusto

    genrica.

    Situao genrica.

    2 22 2 2 2

    21 2 2 3 2 4 5 2 6 2

    3,7632 3212 2

    H OC Sqq

    Y YY YC O S n O NH

    n CO n CO n O n O n SO n NH

    2

    2

    28,15massa de ar

    0,77massa de combustvel 10012

    f rf rN

    CO CO f

    m mY YX c c

    mX X

    mf a massa de combustvel;

    YCf - a frao mssica de carbono no combustvel;

    mr a massa de cinzas (resduos slidos);

    YCr - a frao mssica de carbono nas cinzas (resduos slidos).

    massa carbono

    massa combustvel 100

    f r

    f r

    f

    m mY Yc c

    m

    2

    2

    28,15massa de ar

    0,77massa de carbono 12

    N

    CO CO

    X

    X X

    Massa de produtos secos por unidade de massa de carbono no combustvel.

    2 2 2 2CO CO ou 100 %X X 1O H O NX X X

    2 2 2CO CO ou 100 %X X 1O NX X

    2 2

    2

    gases 7004massa de secos

    massa de carbono no combustvel 3

    CO O

    CO CO

    X X

    X X

    Massa de ar seco necessria para a combusto da unidade de massa do

    combustvel.

    2

    2

    produtosmassa secosmassa ar= 8

    massa combustvel massa combustvel 8

    Of f r r

    H

    f

    Ym c m cY

    m

    A Primeira Lei da Termodinmica aplicada Combusto

    2 1 2 1P R P Po Po Ro Ro RU U U U U U U U

  • 2 1 2 1P R P Po Po Ro Ro RH H H H H H H H

    o o Po RoPo Rop pU V VH

    o o P RoU n nH RT

    1 1 1P Po o Ro RU U U U U U

    1 1 1P Po o Ro RH H H H H H

    liq vapo o v lvU U m u

    liq vap

    o o v lvm hH H

    o

    TP fh h h

    - Poder calorfico superior a volume constante PCSv;

    - Poder calorfico inferior a volume constante PCIv;

    - Poder calorfico superior a presso constante PCSp;

    - Poder calorfico inferior a presso constante PCIp.

    PCSv - PCIv = mv ulv

    PCSp - PCIp = mv hlv

    PCSv -uo (com H2O = lquido)

    PCIv -uo (com H2O = vapor)

    PCSp -ho (com H2O = lquido)

    PCIp -ho (com H2O = vapor)

    3 1 0o oPi comb o Rip pPI RIi i

    m c m h m cT T T T

    Rim - massa do reagente i;

    Pim - massa do produto i;

    combm - massa do combustvel;

    pRIc - valor mdio na gama de temperaturas To T1 do calor especfico mssico a presso constante do reagente i;

    pPIc - valor mdio na gama de temperaturas To T3 do calor especfico mssico a

    presso constante do produto i.

  • trabalho produzido |trabalho produzido|

    ou poder calorfico

    combI

    o oUH

    |calor libertado na reaco de combusto|

    poder calorfico inferior do combustvel

    combII

    2

    2

    nos produtos da combusto real

    nos produtos da combusto completa

    combIII

    CO

    CO

    X

    X

    Acrscimo da temperatura dos gases da combusto real

    Acrscimo da temperatura dos gases da combusto completa

    combIV

    A intermutabilidade dos gases combustveis

    ndice de Wobbe

    1

    2 / dW PCS

    ndice Anti-Detonao (IAD)

    2

    RON MONIAD

    Road Octane Number (Road ON)

    Road ON a RON b MON c

    1

    2 228,28 1,0 0,736 1,0 1,472 0,03521100ON TEL TEL TEL TEL

    Ponto de orvalho do cido sulfrico (H2SO4)

    2 3 2 3ln ln ln ln2,276 0,02943 0,0858 0,00621000 H O SO H O SOp p p pT

    Ponto de orvalho do cido sulfuroso (H2SO3)

    2 2 2 2ln 0,000867ln ln ln3,9526 0,1863 0,0009131000 H O SO H O SOp p p pT

  • Ponto de orvalho do cido ntrico (HNO3)

    2 3 2 33,6614 ln ln ln ln0,1446 0,0827 0,007561000 H O HNO H O HNOp p p pT (1.185)

    Ponto de orvalho do cido clordrico (HCl)

    2 2ln ln ln ln3,7368 0,1591 0,0326 0,002691000 H O HCl H O HClp p p pT (1.186)

    Ponto de orvalho do cido brmico (HBr)

    2 2ln ln ln ln3,5639 0,1350 0,0398 0,002351000 H O HBr H O HBrp p p pT (1.187)

    Ponto de orvalho do cido fluordrico (HF)

    2 2ln ln ln ln2,8723 0,0386 0,0686 0,000991000 H O HF H O HFp p p pT (1.188)

    Nestas seis equaes a temperatura vem em Kelvin e as presses parciais vm em

    mm Hg.

    2 - CALDEIRAS

    Rendimento trmico de uma caldeira

    energia trmica sada

    energia trmica fornecida

    cald ; u u

    cald

    comb b

    Q Q

    m PCI F ;

    sai ent fcald

    comb

    h h m

    PCI m

    %1001cald perdas perdas

    As perdas a considerar na avaliao do desempenho da caldeira so as seguintes:

    - Perda por no queimados existentes no resduo slido - Psnq;

    - Perda por no queimados existentes na escria liquefeita - Pesc;

    - Perda por no queimados nos gases sada da caldeira Pgnq;

    - Perda sensvel nos gases que saem pela chamin - Psch;

  • - Perda por conduo, conveco e radiao - Pccr;

    - Perda pelas purgas - Ppur.

    1 snq esc gnq sch ccr purcald P P P P P P

    Perda por slidos no queimados

    Cres Csnq

    comb

    m PCYP

    m PCI

    resm o caudal mssico de resduos slidos;

    combm o caudal mssico de combustvel consumido pela caldeira;

    Y C a frao mssica de carbono existente nos resduos slidos da combusto;

    Y cin a frao mssica de cinzas existentes no combustvel

    CPC o poder calorfico do carbono;

    PCI o poder calorfico inferior do combustvel

    1cin C C

    snq

    C

    PCY YP

    PCIY

    Perda por escria liquefeita.

    esc aesc escescQ m c T T

    escm o caudal de escria liquefeita sada da fornalha;

    cesc o calor especfico mssico da escria, 1,2 kJ/(kg K);

    aT a temperatura ambiente;

    T esc a temperatura da escria sada da fornalha.

    esc oesc escesc

    comb

    m c T TP

    m PCI

    Perda por gases no queimados.

    CO HCgq CO HCgnqQ m PC PCIY Y

  • CO HCgq CO HCgnq

    comb

    m PC PCIY YP

    m PCI

    Perda por conduo, conveco e radiao

    0,7

    r gQ QC

    Qr a perda ,em valor absoluto, por radiao mais conduo e conveco em kW;

    Qg potncia trmica mxima, em valor absoluto, do gerador em MW;

    C um coeficiente emprico definido na referida norma

    0,7

    g

    r

    comb

    QCP

    m PCI

    Valores do coeficiente emprico C Carga trmica na superfcie de

    aquecimento, [kW/m2]

    Combustvel

    gasoso

    Combustvel

    lquido

    Carvo

    10 25 - -

    20 18 15 -

    30 15 12 15

    35 14 11 15

    50 12 9 -

    Perda de calor sensvel pela chamin

    g agq pgqschQ m c T T

    c pgq o calor especfico a presso constante e mdio (entre as temperaturas Tg e Ta)

    dos gases queimados

    Tg a temperatura dos gases queimados sada da caldeira e Ta a temperatura

    ambiente

    g agq pgqsch

    comb

    m c T TP

    m PCI

  • Perda pelas purgas

    pur p apurQ m h h

    purm o caudal mssico de purgas

    ha a entalpia da gua de alimentao da caldeira

    hp a entalpia do lquido saturado presso reinante no seu interior

    pur p apur

    comb

    m h hP

    m PCI

    O mtodo indireto do ASME para o clculo do rendimento das caldeiras

    O rendimento da caldeira ser calculado pelo balano,

    1 icald P

    iP representa cada uma das perdas que a seguir se descriminam

    Perda associada ao combustvel no queimado que sai pelas cinzas volantes

    533,82 10%

    1

    in comb cv in comb cvcv

    comb cv

    Y Y YP

    PCIY

    in combY , a frao mssica de inertes no combustvel

    cv inY , a frao mssica de cinzas volantes em relao ao total de inertes no

    combustvel

    comb cvY , a frao mssica de combustvel nas cinzas volantes

    kJ/kgPCI o poder calorfico inferior do combustvel

    Perda associada ao combustvel no queimado que sai pelas cinzas de fundo

    533,82 10%

    1

    in comb cf in comb cf

    cv

    comb cf

    Y Y YP

    PCIY

  • in combY , a frao mssica de cinzas de fundo em relao ao total de inertes no

    combustvel

    cf inY , a frao de cinzas de fundo em relao ao total de inertes no combustvel

    comb cfY , a frao mssica de combustvel nas cinzas de fundo

    kJ/kgPCI o poder calorfico inferior do combustvel

    Perda associada ao calor sensvel dos gases secos da combusto

    1

    2

    1100

    [%]100

    cv cf

    g a

    gsc

    sCO

    P PK T T

    PX

    2sCOX a frao molar ou volmica na base seca do CO2 nos produtos gasosos da

    combusto

    g CT a temperatura dos gases de combusto sada da caldeira

    a CT a temperatura do ar de combusto entrada da caldeira

    Valores da constante K1 Combustvel K1

    Carvo betuminoso 0,66

    Gasleo 0,51

    leos thick, thin e burner 0,54

    Propano 0,45

    A constante 1K pode ser calculada atravs de

    1

    25500 CYK

    PCI

    CY a frao mssica de carbono no combustvel

    kJ/kgPCI o poder calorfico inferior do combustvel

    22 210,21

    sOsCO sCO t

    XX X

    2sOX a frao molar seca de oxignio nos produtos de combusto

  • 2sCO tX a frao molar seca do CO2 nos produtos da combusto obtida em

    condies de queima estequiomtrica

    Frao molar estequiomtrica e na base seca para o CO2 nos produtos de combusto Combustvel 2sCO tX

    Bagao 20,3

    leos thick, thin e burner 15,8

    Gasleo 15,5

    Propano 13,8

    Madeira 19,9

    22

    124,78 1,89

    12 2

    C

    sCO tC H

    Y

    XY Y

    CY a frao mssica de carbono no combustvel

    2HY a frao mssica de hidrognio no combustvel

    Perda associada ao calor sensvel do vapor de gua existente nos gases de

    combusto

    2 22

    4,2 2,19 210[%]100

    H O H a g

    H O

    Y Y T TP

    PCI

    2H OY a frao mssica de humidade no combustvel

    2HY a frao mssica de hidrognio no combustvel

    As temperaturas entram em [C] e o PCI em [kJ/kg]

    Valores tpicos para as percentagens em hidrognio e em humidade de diversos combustveis

    Combustvel 2HY [%] 2H OY [%]

    Coque 2,0 2,0

    Antracite 3,0 1,0

    Carvo betuminoso (hulhas) 4,0 7,0

    Gasleo 13,0 -

    leos thick, thin e burner 11,5 -

    Propano 18,2 -

  • Turfa 6,4 20,0

    Madeira 6,8 15,0

    Perda associada aos no queimados nos gases de combusto

    Apenas se considera que existe CO como no queimado nos produtos gasosos da

    combusto

    2

    2

    1100

    [%]

    cv cf

    sCO

    nq

    sCO sCO

    P PK X

    PX X

    sCOX a frao molar na base seca do CO nos produtos gasosos da combusto

    2sCOX a frao molar na base seca do CO2 nos produtos gasosos da combusto

    Valores da constante K2 Combustvel K2

    Carvo betuminoso 63

    Gasleo 53

    leos thick, thin e burner 54

    Propano 48

    Perda por radiao, conveco e outras

    1

    plena cargaconsumo de combustvel a=Carga parcial cargaPlena

    carga parcialconsumo de combustvel a

    Perdas por radiao a plena carga

    Tipo de caldeira Pr [%] a plena carga

    Piro e aquotubular para 5 MW 1,4

    Piro e aquotubular entre 2 e 5 MW 1,6

    Piro e aquotubular para 2 MW 2,0

    Com refratrio, pirotubular com topo seco e

    soleira em refratrio

    3,0

    gua quente em ferro fundido 4,5

    Perda associada purga

  • Energia gua purgacontida na de

    Energia contida no combustvelpP

    6

    2

    1

    2 2

    100

    [%]

    1

    p

    ip H O

    itp

    p p

    p H O v H O

    t t

    mh h P

    mP

    m mh h h h

    m m

    p

    t

    m

    m a razo entre o caudal de purgas e o caudal de alimentao da caldeira

    ph a entalpia das purgas aps a recuperao de calor

    2H Oh a entalpia da gua de alimentao da caldeira

    vh a entalpia do vapor produzido na caldeira

    Finalmente o rendimento da caldeira

    7

    1

    1 icaldi

    P

    3 - MOTORES DE COMBUSTO INTERNA

    Rendimentos dos ciclos motores padro a ar

    1

    11

    tO

    vr

    1

    2

    v

    vr

    v ; 1

    12

    1

    v

    T

    T r

    111

    11

    cp

    tD

    v cp

    r

    r r

    33

    22

    cp

    v Tr

    v T ; 1

    2

    v

    vr

    v

    111

    11 1

    cp cv

    tS

    v cv cv cp

    r r

    r r r r

  • 1

    2

    v

    vr

    v ; 44

    33

    cp

    v Tr

    v T ;

    33

    22

    cv

    p Tr

    p T

    11 1

    1

    1 1 1

    C adC mad r

    v rcila a a

    v

    ad o

    a a

    p p pV T

    p p pV r T

    T T

    T T

    Parmetros quantificadores e qualificadores do desempenho dos motores

    Velocidade mdia do mbolo

    22

    60e

    n ln lV

    Velocidade instantnea do mbolo

    r

    L

    1

    2 2 2cos1 1 1x senr L

    e

    dx dx dV

    dt d dt

    22eV sen senr

    2 2

    0sen

    d

    dt

    22

    60

    nn