aula 4 maquinas termicas COMBUSTÃO Combustíveis e combustão

Prévia do material em texto

Máquinas Térmicas 
Combustíveis e combustão
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
Departamento de Energia
Combustíveis fósseis: derivados de petróleo
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
http://ciencia.hsw.uol.com.br/refino-de-petroleo5.htm , acesso em 29/01/2014
http://diariodopresal.wordpress.com/o-que-e-o-pre-sal/torre-de-fracionamento-de-petroleo-3/
 
 
 nafta ou GN para HDT 
 
 gasolina 
 
 nafta 
 
petróleo gasóleo 
cru des- 
salgado pesado 
 
 C3/C4/C5 
 gasóleo de 
 vácuo 
 
 
 fracionados 
 
 gasóleo leve 
 
 resíduos 
atmosféricos 
 
 
 
 
 
 resíduo de vácuo 
hidrogenação 
seletiva 
 
gás de refinaria 
 
GLP 
 
gasolina comum 
 
gasolina premium 
 
solventes 
 
combustível de 
aviação 
 
óleo diesel 
 
óleos pesados 
 
óleos lubrificantes 
 
graxas 
 
asfalto 
 
combustível 
industrial 
 
 
coque 
T
ra
ta
m
en
to
 e
 m
is
tu
ra
 
HDT 
HDT 
HDT 
UH2 
 
 
 
UDTA 
Recuperação 
aromáticos 
isomerização 
URC 
HDT 
 
 
UDTV 
alquilação 
hidro 
acabamento 
RHCC 
UCQ 
HCC 
LHC 
UVR 
RFCC 
UASF 
FCC 
desengraxamento 
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
http://ciencia.hsw.uol.com.br/refino-de-petroleo5.htm
http://diariodopresal.wordpress.com/o-que-e-o-pre-sal/torre-de-fracionamento-de-petroleo-3/
Combustíveis fósseis: derivados de petróleo (refinaria)
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
http://www.skyscrapercity.com/showthread.php?t=481125
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
http://www.skyscrapercity.com/showthread.php?t=481125
Combustíveis fósseis: carvão mineral
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
http://mineracionempesquisa.blogspot.com.br/2010/05/extracao-de-carvao-mineral-e-suas.html
http://www.informedevalor.com.br/empresarios-buscam-ampliar-mercado-para-o-carvao-mineral/
http://barraice.com/diferenca-carvao/
http://www.sulinfoco.com.br/importancia-do-carvao-na-matriz-energetica-mundial-norteia-debates
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
http://mineracionempesquisa.blogspot.com.br/2010/05/extracao-de-carvao-mineral-e-suas.html
http://www.informedevalor.com.br/empresarios-buscam-ampliar-mercado-para-o-carvao-mineral/
http://barraice.com/diferenca-carvao/
http://www.sulinfoco.com.br/importancia-do-carvao-na-matriz-energetica-mundial-norteia-debates
Combustíveis fósseis: carvão mineral
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
http://www.edukbr.com.br/mochila/quiosque/extracao_carvao.htm, acesso em 14/02/2014
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
“The 33”: o acidente na mina chilena 
virou filme
https://www.publico.pt/2015/08/03/cultur
aipsilon/noticia/o-drama-dos-mineiros-
do-chile-chegou-ao-cinema-com-
antonio-banderas-1703960, acesso 
09.05.2020
Acidente na mina San José, no Chile, em 
2010, com 33 trabalhadores
https://pt.wikipedia.org/wiki/Acidente_na_
mina_San_Jos%C3%A9_em_2010, 
acesso 09.05.2020
http://www.edukbr.com.br/mochila/quiosque/extracao_carvao.htm
https://www.publico.pt/2015/08/03/culturaipsilon/noticia/o-drama-dos-mineiros-do-chile-chegou-ao-cinema-com-antonio-banderas-1703960
https://pt.wikipedia.org/wiki/Acidente_na_mina_San_Jos%C3%A9_em_2010
Combustíveis fósseis: gás natural
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
http://umaquimicairresistivel.blogspot.com.br/2011/05/como-se-formou-o-gas-
natural.html
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
O gás natural é retirado de poços associados ou 
não aos de petróleo, tanto na terra (onshore) 
quanto no mar (offshore) 
https://petrobras.com.br/fatos-e-dados/conheca-os-diferentes-
tipos-de-pocos-de-petroleo-e-gas-natural.htm, 09.05.2020
http://umaquimicairresistivel.blogspot.com.br/2011/05/como-se-formou-o-gas-natural.html
https://petrobras.com.br/fatos-e-dados/conheca-os-diferentes-tipos-de-pocos-de-petroleo-e-gas-natural.htm
Combustíveis fósseis: gás natural
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
https://www.flickr.com/photos/pacgov/13242641854, 
https://www.flickr.com/photos/pacgov/13242470623 09.05.2020 – UPGN Cabiunas, RJ
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
Após ser retirado dos poços, o gás natural é 
transportado para unidades de processamento 
de gás natural (UPGN), onde basicamente 
retiram-se frações específicas (como a ‘riqueza do 
GN’, em especial propano, C3H8, e butano, C4H10, 
para produção de gás liquefeito de petróleo, 
GLP), retiram-se impurezas e ajustam-se as 
propriedades físico-químicas às especificações do 
mercado; depois, segue para refinarias e 
distribuição aos consumidores.
Saiba mais em:
http://www.fgv.br/fgvenergia/caderno_gas_natural/files/assets/
common/downloads/Caderno_G.pdf, 09.05.2020
https://www.flickr.com/photos/pacgov/13242641854
https://www.flickr.com/photos/pacgov/13242470623
http://www.fgv.br/fgvenergia/caderno_gas_natural/files/assets/common/downloads/Caderno_G.pdf
Combustíveis fósseis: gás natural
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
http://umaquimicairresistivel.blogspot.com.br/2011/05/como-se-formou-o-gas-natural.html
https://www1.folha.uol.com.br/colunas/painelsa/2019/09/anp-adia-resolucao-sobre-divulgacao-de-dados-de-
contratos-de-gas-e-industria-reage.shtml, 09.05.2020 – ECGN de São Carlos, SP
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
Estações de compressão de GN (ECGN) são utilizadas para transporte nos gasodutos (pipelines), em geral, 
uma ECGN a cada 150-200 km, dependendo da topografia local – em geral utilizam-se conjuntos a gás para 
acionamento dos compressores em esquema de redundância.
GN alta pressão
GN baixa pressão
ON ON OFF ON OFF OFF
http://umaquimicairresistivel.blogspot.com.br/2011/05/como-se-formou-o-gas-natural.html
https://www1.folha.uol.com.br/colunas/painelsa/2019/09/anp-adia-resolucao-sobre-divulgacao-de-dados-de-contratos-de-gas-e-industria-reage.shtml
Combustíveis: características gerais do gás natural
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
http://www.gasnet.com.br/gasnatural/gas_completo.asp
http://www.fem.unicamp.br/~em672/GERVAP2.pdf, 17/02/2014
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
Gás natural médio do 
mercado seria algo com
90% de metano e 10% de 
etano
Em muitas situações, 
simplifica-se a composição 
química do GN assumindo-o 
como 100% metano
http://www.fem.unicamp.br/~em672/GERVAP2.pdf
http://www.fem.unicamp.br/~em672/GERVAP2.pdf
Combustíveis renováveis: biomassas
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
http://www.jornaldaenergia.com.br/ler_noticia.php?id_noticia=10081&id_secao=5, acesso 16/02/2014
http://www.planetaarroz.com.br/site/noticias_detalhe.php?idNoticia=11345
http://www.teckler.com/pt/jukaa/Cinza-do-baga%C3%A7o-da-cana-de-a%C3%A7%C3%BAcar-67491
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
http://www.jornaldaenergia.com.br/ler_noticia.php?id_noticia=10081&id_secao=5
http://www.planetaarroz.com.br/site/noticias_detalhe.php?idNoticia=11345
http://www.teckler.com/pt/jukaa/Cinza-do-baga%C3%A7o-da-cana-de-a%C3%A7%C3%BAcar-67491
Combustão: princípios físicos
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
http://www.brasilescola.com/quimica/combustao-chamas-cores-diferentes.htm
http://proffabiquimica.blogspot.com.br/2011/12/curiosidades-de-quimica.html
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
http://www.brasilescola.com/quimica/combustao-chamas-cores-diferentes.htm
• Combustão completa de metano com oxigênio (base molar):
• Solução por balanço de espécies químicas: 
– Balanço de C: 1.1= B.1  B= 1
– Balanço de H: 1.4=D.2  D= 2 combust. + ar  produtos da combustão
– Balançode O: A.2=B.2+D.1 A= 2 F + A  P
• A, B, D  coeficientes estequiométricos
• xco2= B / (B+D) e xH2O= D / (B+D) - frações molares dos gases produtos da combustão
• Combustão completa de metano com ar atmosférico (base molar): 21% O2 + 79% N2
• Combustão completa de metano com ar atmosférico e 50% de excesso de ar (e) 
(base molar):
Combustão: princípios físicos
OH2CO1O2CH1 2224 
222224 N52,7OH2CO)N76,3O(2CH 
2222224 N28,11OOH2CO)N76,3O()5,1(2CH 
OHDCOBOACH1 2224 
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor. Prof. José Antonio Perrella Balestieri
1,5= (1+e)= (1+0,5)= 1+ 50/100
Combustão: princípios físicos
Combustível Excesso de ar (e)
Combustíveis sólidos
Carvão em pó
Antracita 20%
Betuminoso 20%
Carvão na grelha
Mecanizada 30 a 60%
Móvel 60 a 70%
Turfa 40%
Lenha 40%
Cavaco 30%
Serragem 20 a 30%
Combustíveis líquidos
Diesel 5%
Óleo combustível 10%
Combustíveis gasosos Gás natural liquefeito 5 a 10%
Valores de excesso de ar para diferentes combustíveis – queima em caldeiras
VLASSOV, D. Combustíveis, combustão e câmaras de combustão. Curitiba, Editora da UFPR, 2001, 185 p.
Excesso de ar em motores de combustão interna podem chegar a 150%
Excesso de ar em conjuntos a gás podem variar de 100 a 300%
Razão de equivalência:
http://www.biblioteca.pucminas.br/teses/EngMecanica_ValenteOS_1.pdf
Prof. José Antonio Perrella BalestieriOs direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
Combustão: análise química de combustíveis
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
 )76,3)(
24
)(1( 22 NOk
zy
xeSOHC kzyx
22222 )
24
()
24
)(1(76,3
2
kSOOk
zy
xeNk
zy
xeOH
y
xCO 
http://www.proceedings.scielo.br/scielo.php?pid=MSC0000000022000000200022&script=sci_arttext , 17/02/2014
Análise imediata (proximate analysis): A análise aproximada é relativamente simples e pode ser realizada com um forno
de secagem, um forno de laboratório e uma balança – determina-se a umidade, a matéria volátil, a cinza e (por diferença) o
teor de carbono fixo (C) de um combustível, usando testes padrão da ASTM. A umidade é analisada pela perda de peso
observada a 110 ° C. A matéria volátil é expelida em um cadinho fechado por aquecimento lento até 950aC e a amostra é
pesada novamente.
Análise elementar (ultimate analysis): A análise elementar envolve técnicas químicas mais avançadas, fornecendo a 
composição química dos combustíveis, geralmente o teor de carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, enxofre e cinzas do 
combustível seco em uma base percentual em massa.
(REED, T.N; DAS, A. Handbook of Biomass Downdraft Gasifier Engine Systems. Colorado: Solar Energy Research lnstitute, 1988.
http://www.proceedings.scielo.br/scielo.php?pid=MSC0000000022000000200022&script=sci_arttext
Combustão: análise química de combustíveis
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
http://www.quimis.com.br/produtos.php?cat=3&sub=3&prod=22 , 17/02/2014
http://hiq.linde-gas.com.br/international/web/lg/br/like35lgspgbr.nsf/docbyalias/anal_gaschrom
Aparelho de Orsat
Cromatógrafo de gases
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
http://www.quimis.com.br/produtos.php?cat=3&sub=3&prod=22
http://hiq.linde-gas.com.br/international/web/lg/br/like35lgspgbr.nsf/docbyalias/anal_gaschrom
Combustão: análise química de combustíveis
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
http://www.athena.biblioteca.unesp.br/exlibris/bd/tcc/beg/19387/2011/vicentini_mc_tcc_guara.pdf 
http://www.proceedings.scielo.br/scielo.php?pid=MSC0000000022000000200022&script=sci_arttext , 17/02/2014
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
http://www.proceedings.scielo.br/scielo.php?pid=MSC0000000022000000200022&script=sci_arttext
Combustão: análise química de combustíveis
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
 )76,3)(
2
1
4
59,1
1)(1( 22159,11 NOeOHC
2222 )
2
1
4
59,1
1()
2
1
4
59,1
1)(1(76,3
2
59,1
1 OeNeOHCO 
222222159,11 98725,0)88475,1(76,3795,01)76,3(88475,1 ONOHCONOOHC 
http://www.athena.biblioteca.unesp.br/exlibris/bd/tcc/beg/19387/2011/vicentini_mc_tcc_guara.pdf ,17/02/2014
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
http://www.proceedings.scielo.br/scielo.php?pid=MSC0000000022000000200022&script=sci_arttext
Combustão: medida de poder calorífico em bomba calorimétrica
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
http://mixquimica.com.br/doc/aulas_animadas/CURIOSIDADES%20DA%20QUIMICA/calorimetro.swf, 17/02/2014
http://www.emsintese.com.br/2009/funcionamento-de-uma-bomba-calorimetrica
http://mutuslab.cs.uwindsor.ca/schurko/animations/bombcal/animation1.htm
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
http://mixquimica.com.br/doc/aulas_animadas/CURIOSIDADES DA QUIMICA/calorimetro.swf
http://www.emsintese.com.br/2009/funcionamento-de-uma-bomba-calorimetrica
http://mutuslab.cs.uwindsor.ca/schurko/animations/bombcal/animation1.htm
Combustão: medida de poder calorífico por cálculo termodinâmico
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
MOLAR
R
f
P
f
m
hhnhhn
PC








 )()( 00
0
fh - estado de referência 25°C e 0,1 MPa
OH
0
fCO
0
f
P
0
f 22
)h+h( D )h+h( B )hh(n 
24 O
0
fCH
0
f
R
0
f )h+h(A + )h+h( 1)hh(n 
OHDCOBOACH1 2224 
PCIOH
PCSOH
)gouv(2
)liq(2


Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
H – entalpia de reação (kJ/kmol)
Combustão: medida de poder calorífico por cálculo termodinâmico
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
PCI é o Poder Calorífico Inferior [kJkg];
PCS é o Poder Calorífico Superior [kJ/kg];
H é o teor de hidrogênio no combustível [kJ/kg em base seca];
u é o teor de umidade do combustível [kg de água/ kg de combustível seco]
L é o calor latente de evaporação, em kJ/kg de vapor d’água, estimado por: L = 2500 − 2,370.t , sendo t a temperatura do ar 
(bulbo seco) em ºC. (http://www.tdnet.com.br/meteoro/tabelas/Psicrometria%20-%20conceitos.pdf ) t=25°C  L=2440 kJ/kg
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
http://www.tdnet.com.br/meteoro/tabelas/Psicrometria - conceitos.pdf
Combustão: cálculo do calor específico a pressão constante dos gases de exaustão
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
   
gasesarcomb
ZYX OHDCOBOAOHC 222
.
...1 
)(
..
)( 22
DB
cDcB
Tc
OHPCOP
ngasesp



3
3
2
210  CCCCc p  [kJ/kg.K] para 1000/)(KT
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
Análise exergética
1ª Lei da TD – quantitativa
(em regime permanente)
Q representa os fluxos de calor transferido ao volume de controle em análise, W é a
potência de eixo, Ee e Es são potências térmicas (decorrentes da entalpia, energias cinética
e potencial) que entram (e) e saem (s) do sistema e I corresponde a formas de potência
não computadas anteriormente (erros de medida, precisão de equipamentos, ...)
2ª Lei da TD– qualitativa
(em regime permanente)
: exergia associada à transferência de calor
A diferença entre a exergia associada à transferência de calor (que depende da
temperatura na qual se processo o fluxo térmico) e a potência de eixo equivale à diferença
entre os fluxos exergéticos que saem e que entram e a exergia destruída no processo (Ed):
Exd > 0 para processos reais  Exd = 0 para processos reversíveis
 
T
TT
QEx
r r
0r
r
Q  




 

Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
Análise exergética
Estado morto restrito é aquele no qual a pressão e a temperatura são iguais às do ambiente,
enquanto a velocidade e a elevação do sistema são nulas em relação ao nível de referência do
ambiente. As propriedades do estado morto restrito representam-se com o subscrito 0:
Po = 101 kPa e To= 25°C = 298 K.
Estado morto absoluto é aquele para o qual se satisfazem as mesmas condições do estado morto
restrito e, além disso, o sistemase acha em equilíbrio químico com o ambiente, ou seja, a
composição e a concentração do sistema não produziriam nenhum tipo de trabalho associado ao
potencial químico ou a diferença entre as pressões parciais dos componentes do sistema e do
ambiente.
Parcelas da exergia total (PELLEGRINI, 2008)
PELLEGRINI, L. F. Análise e Otimização Termo-
Econômica-Ambiental Aplicada à Produção 
Combinada de Açúcar, Álcool e Eletricidade.
2008. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica). 
Universidade de São Paulo, São Paulo.
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
Análise exergética
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
Chaibakhsh, Ali. (2012). Modelling and long-term simulation of a heat recovery 
steam generator. Mathematical and Computer Modelling of Dynamical 
Systems. 19. 91-114. 10.1080/13873954.2012.698623. 
Moran, M.J.; Shapiro, H.N. Fundamentals of engineering 
thermodynamics: SI version. West Sussex: John Wiley, 2006, 5th ed.
• A temperatura do vapor que sai do 
condensador (e portanto, da água 
condensada) varia entre 40°C e 60°C nos 
países tropicais
• A temperatura dos gases de exaustão na 
saída da chaminé varia entre 100°C e 200°C 
para combustíveis ‘limpos’ como o GN
 Em ambos os casos, mesmo estando acima da 
temperatura ambiente, suposta 25°C, 
exergeticamente não é interessante aproveitar 
esses fluxos energéticos, pois a capacidade de 
produzir trabalho entre essas diferenças de 
temperatura é irrisória
 A análise exergética auxilia a valorizar os 
fluxos energéticos relevantes e a assumir o 
que seriam perdas (térmicas)
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
Análise exergética
Exergia física: trabalho máximo que pode ser obtido quando certa porção de substância
ou fluxo é trazida ao estado de equilíbrio termomecânico com o meio ambiente, por meio
de processos reversíveis.
Exergia química: trabalho teórico mínimo para formar uma quantidade
de matéria a partir dos componentes presentes no ambiente por meio de processos
reversíveis.
processo
1 0
ambiente
)]ss(T)ZZ(g
2
VV
hh[mxemxE 01001
2
0
2
1
01
1
0
1
0


 
 
 

Pi Pi
iio
Q
ii
Q
subst xlnxTRexxex
OLIVEIRA JR., S. Exergy: Production, Cost and Renewability. Sao Paulo: Springer,2013
x é a fração molar do componente “i” no processo em estudo
exi
Q são valores tabelados para os distintos componentes da reação
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
Análise exergética
Formulação para cálculo de exergia;
- exergia física para gases
-exergia química de combustível fóssil gasoso: seja a reação de combustão 
combustível + ar  produtos da combustão
 

















0
1
0
1
p001p01
P
P
lnR
T
T
lncTTTcmEx 
OH
2
b
aCOO)
4
b
a(HC 222ba 
)exxexx()gaga(ex Q
RR
Q
PPPPRR
Q  
ig é a função de Gibbs (G = H-T0S)
 
Q
O
QQ
CO
p,T
)l(O2HCOOfuel
Q
fuel 2)l(O2H2
00
22
ex
4
b
aex
2
b
exag
2
b
gag
4
b
agex 


















Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
Análise exergética
MORAN, M.J.; SHAPIRO, H.N. Fundamentals of engineering thermodynamics. West Sussex, John Wiley, 2006. 5th edt.
nota: ech = exQ
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
Análise exergética
MORAN, M.J.; SHAPIRO, H.N. Fundamentals of engineering thermodynamics. West Sussex, John Wiley, 2006. 5th edt.
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
Análise exergética



e
s
Ex
xE
rendimento exergético:
E1 é a exergia do ar de entrada , que na temperatura ambiente tem valor nulo.
E2 é a exergia do combustível
E3 é a exergia dos produtos da combustão
3
2
1
Câmara de Combustão
Superfície de Controle
COMBm
ARm
Gm
21
3
EE
E




Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
Análise exergética
MORAN, M.J.; SHAPIRO, H.N. Fundamentals of engineering thermodynamics. West Sussex, John Wiley, 2006. 5th edt.
35,0
00100
35
EEE
E
FWAirfF
1f
boiler 






8897,0
67,2035
75,12
EE
W
2f1f
e
estemturbin 





Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.