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)
www.mautone.eng.br
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[email protected]
SUMÁRIO







2
INTRODUÇÃO A COMBUSTÃO
DEFINIÇÕES BÁSICAS
COMBUSTÍVEIS
CLASSIFICAÇÃO DE CHAMAS
REGIMES DE COMBUSTÃO
QUEIMADORES INDUSTRIAIS
EMISSÕES
DEFINIÇÕES BÁSICAS

Termoquímica
–
–
–
–
–
–
–
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)
DEFINIÇÕES BÁSICAS
Termoquímica

Entalpia de Formação
–
–
4
A Entalpia de Formação (ΔHf0) 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 101325 Pa.
C(s) + H2(g) ==> C4H10(g)
ΔHf0 = -126.027,0 kJ/kmol (Butano)
DEFINIÇÕES BÁSICAS
Termoquímica

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.
H2(g) + ½ O2(g) ==> H2O(l) ΔHf0 = -285.565,1 kJ/kmol
H2(g) + ½ O2(g) ==> H2O(g) ΔHf0 = -241.595,6 kJ/kmol
Observe que a diferença de entalpia de
formação da água no estado vapor e
no estado líquido é o seu calor latente de
vaporização.
H2O(l) ==> H2O(g) ΔHl0 = 43.969,5 kJ/kmol
–
5
DEFINIÇÕES BÁSICAS
Termoquímica

Entalpia de Combustão
–
–
–
6
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.
DEFINIÇÕES BÁSICAS
Termoquímica

Entalpia de Combustão
–
Exemplo de cálculo para o ácido benzóico
7 C s 7 O 2 g 7 CO 2 g
3 H 2 g 1,5 O 2 g 3 H 2 O l
C 7 H 6 O2 s 7 C s O2 g 3 H 2
C 7 H 6 O2
7
s
7,5 O 2
g
7 CO 2
g
7
3
1
g
3 H 2O l
H 0f 7
H 0f 3
H 0f
1
H 0c
H 0c
393,51
285.83
384.80
3227,26 kJ gmol
26,45 kJ g
DEFINIÇÕES BÁSICAS
Termoquímica

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/Nm3]
Observe que a diferença entre o PCI e o PCS é o
calor latente de vaporização da água.
H2O(l) ==> H2O(g)
8
ΔHl0 = 43.969,5 kJ/kmol
PCI  PCS  X H 2O  ΔH lo H 2O
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DEFINIÇÕES BÁSICAS
Termoquímica

Exercício – Calcular o poder calorífico
superior e inferior do Metano.
Calor Padrão de Formação
Hf (kJ/kmol)
CH4
-74.920,0
CO
-110.578,0
CO2
-393.769,0
SO2
-70.960,0
H2O(l)
-286.028,0
H2O(g)
-241.997,0
9
DEFINIÇÕES BÁSICAS
Termoquímica

10
Poder Calorífico Superior
–
Medição com um calorímetro
–
O PCI depende da determinação do
teor de hidrogênio no combustível
ou do teor de água formada na
combustão completa.
DEFINIÇÕES BÁSICAS
Termoquímica

Entalpia de Reação
–
É a energia liberada pela reação de combustão
real de um combustível com um oxidante
(ΔHR).
–
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
DEFINIÇÕES BÁSICAS
Termoquímica

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:
 gases c p gases( Tad  T0 )  m
 comb PCI
m
–
12
O cálculo é feito considerando a vazão mássica de
gases de combustão liberado e do combustível
consumido.
 gases  m
 comb  m
 ar  m
 ar diluição
m
DEFINIÇÕES BÁSICAS
Termoquímica

Temperatura Adiabática de Chama
 gases c p gases( Tad  T0 )  m
 comb PCI
m
–
–
–
13
T0 é a temperatura inicial da mistura ar/combustível e
o calor específico a pressão constante (cp gases) é o
valor médio entre Tad e T0 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.
DEFINIÇÕES BÁSICAS
Termoquímica

Eficiência energética (h)
–
Térmica

É definida como a energia útil dividida pelo
PCI do combustível.
Eútil
t 
PCI


14
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.
DEFINIÇÕES BÁSICAS
Termoquímica

Eficiência energética (h)
–
Real

É definida como a energia útil dividida pelo
Calor de Reação do combustível, nas
condições de operação do equipamento.
Eútil
tr 
H R

15
Exige um detalhamento do funcionamento
do equipamento para ser calculada.
DEFINIÇÕES BÁSICAS
Termoquímica

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).
Eútil
ex 
H R  I

16
t  tr  ex

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.
DEFINIÇÕES BÁSICAS
Termoquímica

Balanço Térmico
–
–
Temperatura de saída da carga ?
Temperatura dos gases de combustão ?
Perda de calor
Ar/Comb.
Fumaça
Forno
Carga
Carga
17
Perda de calor
DEFINIÇÕES BÁSICAS
Termoquímica
Perda de calor
Ar/Comb.
Fumaça
Forno
Carga

Carga
Balanço Térmico
–
Regime Permanente
Perda de calor
 c arga H c arga  H perdido  m
 combH r  m
 gasesc p gases( Tgases  T0 )  0
m
18
DEFINIÇÕES BÁSICAS
Termoquímica

Exemplo – Calcular a temperatura
adiabática de chama do GLP a
1 atmosfera, 25 oC e razão de
equivalentes de 1,0.
Gases de
Combustível (kg) combustão (kg)
1,863
30,703
1,863
30,703
1,863
30,703
1,863
30,703
1,863
30,703
1,863
30,703
1,863
30,703
1,863
30,703
1,863
30,703
Temperatura
Adiabática de
Chama (K)
1000
2000
2200
2400
2300
2350
2380
2370
2375
2102
19
CP (kJ/kg/K)
1,2155
1,3174
1,3322
1,3456
1,3389
1,3423
1,3439
1,3431
1,3435
oC
Balanço de Energia
(kJ)
-59456,9
-16813,5
-7859,8
1185,3
-3357,8
-1091,4
252,0
-213,9
19,0
Gases Combustão do GLP
Temperatura
cp médio
K
kJ/(kg K)
500
1,1423
1000
1,2155
1200
1,2402
1400
1,2626
1600
1,2828
1800
1,3010
2000
1,3174
2200
1,3322
2400
1,3456
2600
1,3518
2800
1,3686
epson CA molar
PM combustível
PCI
Temp. referência
CO2
H2O
N2
0,03652
51
45983,51
298,15
moles
0,12783
0,16435
0,79000
1,08217
kmoles
kg/kmol
kJ/kg
K
fração molar
0,11812
0,15187
0,73001
1,00000
PM
44
18
28
28,37
DEFINIÇÕES BÁSICAS
Termoquímica

20
Exercício – Qual a temperatura da
fumaça ao sair de um forno com
40% de eficiência térmica,
queimando GLP a 1 atmosfera, 25 oC
e razão de equivalentes de 1,0?
Considerar as perdas como 5% da
potência de entrada.
Gases Combustão do GLP
Temperatura
cp médio
K
kJ/(kg K)
500
1,1423
1000
1,2155
1200
1,2402
1400
1,2626
1600
1,2828
1800
1,3010
2000
1,3174
2200
1,3322
2400
1,3456
2600
1,3518
2800
1,3686
BIBLIOGRAFIA
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