Universidade Federal do Paraná
Curso de Engenharia Industrial Madeireira
MÁQUINAS TÉRMICAS
AT-101
M.Sc. Alan Sulato de Andrade
[email protected]
COMBUSTÃO
COMBUSTÃO
INTRODUÇÃO:
 Uma das formas mais empregadas para produção de
calor na indústria é a combustão,
 Diversas máquinas térmicas são exemplos típicos de
equipamentos
empregados
na
indústria
que
demandam disponibilidade de calor para funcionarem,
 Além do uso industrial, devemos lembrar que os
processos químicos básicos (metabólicos) também são
importantes.
COMBUSTÃO
DEFINIÇÃO:
 Combustão é uma reação química de óxido-redução
entre um combustível e um comburente, sendo obtido
calor (energia) e sub-produtos.
Calor
Processo
Combustível
Comburente
COMBUSTÃO
DEFINIÇÃO:
COMBUSTÃO
DEFINIÇÃO:
COMBUSTÃO
DEFINIÇÃO:
COMBUSTÃO
CONDIÇÕES NECESSÁRIAS:
 Para que o processo ocorra, é necessário um
combustível, ou seja, o material a ser queimado, um
comburente, geralmente o oxigênio e uma "faísca",
para iniciar o processo, porem a combustão pode
ocorrer de forma espontânea dependendo das
condições dispensadas.
COMBUSTÃO
CARACTERÍSTICAS:
 Como visto nas aulas passadas, os hidrocarbonetos
são os combustíveis mais utilizados em todos os
setores industriais, porem a quantidade de energia
desprendida na reação de combustão está intimamente
associada com a composição química do combustível
e dos produtos finais de combustão.
COMBUSTÃO
REAÇÃO QUÍMICA:
 A equação, em síntese, da reação entre uma
hidrocarboneto ou combustíveis tradicionais é sempre a
seguinte:
Teórico
Combustível + Oxigênio → Dióxido de carbono + Água + Energia
Real
Combustível + Ar → Dióxido de Carbono + Água + Nitrogênio + Energia +
Resíduos
COMBUSTÃO
REAÇÃO QUÍMICA:
 Por exemplo:
Teórico
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O + energia
Teórico
C2H6 + 3,5O2 → 2CO2 + 3H2O + energia
COMBUSTÃO
TIPOS DE COMBUSTÃO:
 Dependendo das quantidades proporcionais de
combustível e de oxigênio (comburente) pode haver
combustões:
 Teoricamente completas,
 Praticamente completas,
 Incompletas.
COMBUSTÃO
TIPOS DE COMBUSTÃO:
 Teoricamente completa
A combustão é denominada “teoricamente completa”
quando se realiza com a quantidade estequiométrica
de oxigênio para oxidar completamente a matéria
combustível.
C8H18 + 12,5O2 → 8CO2 + 9H2O + Energia
COMBUSTÃO
TIPOS DE COMBUSTÃO:
 Praticamente completa
A combustão será “praticamente completa” quando se
realiza com uma quantidade de oxigênio, porem maior
do que a estequiometricamente necessária para oxidar
completamente a matéria combustível.
C8H18 + 15,5O2 → 8CO2 + 9H2O + 3O2 + Energia
COMBUSTÃO
TIPOS DE COMBUSTÃO:
 Incompleta
A combustão denominada “incompleta” é aquela que
se realiza com insuficiência de oxigênio, ou seja, com
uma quantidade de oxigênio inferior à quantidade
estequiométrica para oxidar completamente a matéria
combustível.
C8H18 + 8,5O2 → 8CO + 9H2O + Energia
C8H18 + 4,5O2 → 8C + 9H2O + Energia
COMBUSTÃO
TIPOS DE COMBUSTÃO:
COMBUSTÃO
CÁLCULO
DA
PROPORÇÃO
AR/COMBUSTÍVEL
TEÓRICA
DE
 Na combustão o objetivo é obter o máximo possível de
calor. Não basta porém que o rendimento calorífico
atenda às necessidades requeridas, é preciso que isto
seja feito de forma econômica. A fim de maximizar-se o
rendimento da combustão, deve-se obter o melhor
aproveitamento possível do potencial energético do
combustível através de alguns fatores operacionais,
como a regulagem da relação ar-combustível.
COMBUSTÃO
CÁLCULO
DA
PROPORÇÃO
AR/COMBUSTÍVEL
TEÓRICA
DE
 Conhecendo-se a composição do combustível e com
base na estequiometria da reação, consegue-se
calcular o ar necessário para a queima do combustível.
A quantidade de ar que fornece o oxigênio
teoricamente suficiente para a combustão completa do
combustível, é chamada de "ar teórico" ou "ar
estequiométrico".
COMBUSTÃO
CÁLCULO
DA
PROPORÇÃO
AR/COMBUSTÍVEL
TEÓRICA
DE
 Na prática, sabe-se que é muito difícil obter uma boa
combustão apenas com o arestequiométrico. Se
utilizarmos somente o "ar teórico", há grande
probabilidade do combustível não queimar totalmente
(haverá formação de CO ao invés de CO2) e
conseqüentemente a quantidade de calor liberada será
menor.
COMBUSTÃO
CÁLCULO
DA
PROPORÇÃO
AR/COMBUSTÍVEL
TEÓRICA
DE
 Para se garantir a combustão completa recorre-se a
uma quantidade adicional de ar além do
estequiométrico, garantindo desse modo que as
moléculas de combustível encontrem o número
apropriado de moléculas de oxigênio para completar a
combustão. Essa quantidade de ar adicional utilizada é
chamada de excesso de ar. O excesso de ar é a
quantidade de ar fornecida além da teórica.
COMBUSTÃO
CÁLCULO
DA
PROPORÇÃO
AR/COMBUSTÍVEL
TEÓRICA
DE
 O excesso de ar proporciona uma melhor mistura entre
o combustível e o oxidante, mas deve ser
criteriosamente controlado durante o processo de
combustão. Deveremos conhecer a quantidade ideal
mínima possível de excesso a ser introduzida na
queima, pois o ar que não participa da combustão
tende a consumir energia na forma de calor, pois será
aquecido mesmo sem contribuir para a reação.
COMBUSTÃO
CÁLCULO
DA
PROPORÇÃO
AR/COMBUSTÍVEL
TEÓRICA
DE
 Quanto maior o excesso de ar, maior o volume de
gases
nos
produtos
de
combustão
e
conseqüentemente maior a perda de calor pela
chaminé, influindo negativamente na eficiência da
combustão. Entretanto as perdas por excesso de ar
aumentam em proporção muito menor que as perdas
com combustível não queimado. Assim, nos processos
de combustão industrial sempre se trabalha com
excesso de ar.
COMBUSTÃO
CÁLCULO
DA
PROPORÇÃO
AR/COMBUSTÍVEL
TEÓRICA
DE
 Combustão com excesso de ar:
De forma geral recomenda-se um excesso de ar para
que ocorra uma completa combustão, porem estes
valores podem variar de acordo com o estado físico do
combustível.
Estado:
Gás
Líquidos
Sólidos
Excesso:
0-10%
2-30%
 50%
COMBUSTÃO
CÁLCULO
DA
PROPORÇÃO
AR/COMBUSTÍVEL
TEÓRICA
DE
 Algumas considerações pertinentes.
Composição do ar:
Elemento:
Oxigênio
Nitrogênio
Proporção em Volume:
21%
79%
Ou seja, em termos de volume, 1 parte de Oxigênio
para 3,76 de Nitrogênio
Densidade: 1,29 kg/m³ (1atm a 20ºC)
COMBUSTÃO
CÁLCULO
DA
PROPORÇÃO
AR/COMBUSTÍVEL
TEÓRICA
 Algumas considerações pertinentes.
Peso atômico:
Elemento:
Carbono
Hidrogênio
Oxigênio
Nitrogênio
Enxofre
Peso atômico:
12
1
16
14
32
DE
COMBUSTÃO
CÁLCULO
DA
PROPORÇÃO
AR/COMBUSTÍVEL
TEÓRICA
DE
 Para se determinar a proporção teórica de ar, deve-se:
1° - Montar a reação
2° - Balancear a reação
3° - Calcular a proporção teórica de ar/combustível
Onde,
A/C = Massa do ar / Massa do combustível,
Expresso em kg/kg
COMBUSTÃO
EXERCÍCIO 1:
 Calcular a relação A/C na combustão de 1Kmol de
C3H8 e excesso de 10%.
Reação:
Propano + Ar → Dióxido de Carbono + Água + Nitrogênio + Energia
Balanceamento:
C3H8 + x(O2+3,76N2) → CO2 + 2H2O + yN2 + Energia
C3H8 + 5(O2+3,76N2) → 3CO2 + 4H2O + 18,8N2 + Energia
Necessitamos de 5 moléculas de ar na combustão de
de uma de propano.
COMBUSTÃO
EXERCÍCIO 1:
 Como utilizamos ar atmosférico na reação:
(5 x 32) + (5 x 3,76 x 28) = 686,4 kg
1kmol de propano = 44 kg
A/C teórico = 686,4 kg/ 44 kg = 15,6:1 kg/kg
A/C com 10% de excesso de ar = 15,6 x 1,1 = 17,2 :1 kg/kg
Ou ainda em volume:
A/C teórico = 15,6/1,29 = 12,1:1 m³/kg
A/C com 10% de excesso de ar = 17,2/1,29 = 13,3:1 m³/kg
COMBUSTÃO
EXERCÍCIO 2:
 Calcular a relação A/C teórico na combustão de 100kg
do seguinte material:
Composição
Química (kg)
P.atômico
Kmol
C
72
12
6,0
H
14
1
14,0
O
8
16
0,5
N
2,8
14
0,2
S
3,2
32
0,1
Reação e Balanceamento:
6C+14H+0,5O+0,2N+0,1S+x(O2+3,76N2)→6CO2+7H2O+0,1SO2+yN2
0,5.1+x.2=6.2+7.1+0,1.2
x=9,35
0,2.1+9,35.3,76.2=y.2
y=35,3
COMBUSTÃO
EXERCÍCIO 2:

Como utilizamos ar atmosférico na reação:
Quantidade de AR:
(9,35 x 32) + (9,35 x 3,76 x 28) = 1.283,6 kg
A/C teórico = 1.283,6 kg / 100 kg = 12,8:1 kg/kg
Quantidade de CO2:
(6 x 12) + (6 x 32) = 264 kg
Quantidade de H2O:
(7 x 2) + (7 x 16) = 126 kg
Quantidade de SO2:
(0,1 x 32) + (0,1 x 32) = 6,4 kg
Quantidade de N2:
(35,3 x 28) = 988,4 kg
COMBUSTÃO
EXERCÍCIO 3:
 Calcular a relação A/C em kg/kg e m³/kg para os
seguintes combustíveis com 20% de ar em excesso:
1kmol de Gasolina (C5H12)
1kmol de Óleo leve (C16H34)
100kg Madeira de Pinus
(C-50%, H-6%, O-43%, N-1%)
100kg Madeira de Eucalyptus
(C-49%, H-7%, O-42%, N-2%)
COMBUSTÃO
PONTOS COMPLEMENTARES.
NÃO DISCUTIDOS EM AULA.
 ROTINAS PARA DETERMINAÇAO DE TEMPERATURA DE
CHAMA
 AVALIAÇÃO DOS RESÍDUOS GERADOS APÓS PROCESSO DE
COMBUSTÃO.
 LEGISLAÇÃO VIGENTE.
 OUTROS SISTEMAS DE CONVERSÃO ENERGÉTICA.