Aula 10 - Estudo da combustão

Prévia do material em texto

COMBUSTÃO E COMBUSTÍVEIS 
Principais fontes de energia 
1. Forças da natureza: gravidade em quedas de água; 
2. Energia nuclear: liberada de reações nucleares; 
3. Combustíveis: energia obtida a partir de reações de 
combustão. 
 
Matriz Energética 
Consumo Mundial de Energia 
PROCESSO DA COMBUSTÃO 
• Combustão: é uma reação de óxido-redução 
(em altas temperaturas). 
 
COMBUSTÍVEL + COMBURENTE (O2) 
 
 
 REDUTOR OXIDANTE 
PROCESSO DA COMBUSTÃO 
• Reações de combustão convertem a energia 
potencial de um combustível em energia térmica 
útil, que se manifesta sob vários tipos de 
atividades e radiação (ex.: calor). 
 
• Geralmente, essas reações ocorrem entre 
materiais carbonáceos e o oxigênio do ar. 
• Como a reação é exotérmica, o processo se 
torna auto-ativante até a extinção completa do 
combustível. 
ESTUDO TÉRMICO DA COMBUSTÃO 
Principais objetivos da combustão de 
combustíveis carbonáceos: 
 
 Geração de vapor de água; 
 Aquecimento de fornos ou outros espaços; 
 Produção de trabalho por meio de motor de combustão 
interna ou turbina a gás. 
ESTUDO TÉRMICO DA COMBUSTÃO 
Na combustão pode-se obter a quantidade 
máxima de calor útil: 
 
 Assegurando-se que a combustão do combustível seja 
completa; 
 Utilizando quantidade mínima de ar em excesso para a 
finalidade. 
 
ESTUDO TÉRMICO DA COMBUSTÃO 
Problemas da prática da combustão: 
 
 Fazer com que o combustível e o ar necessário para a 
combustão estejam em mistura íntima; 
 Se o combustível for gasoso, essa dificuldade é 
pequena, o gás e o ar podem ser misturados antes que 
entrem na câmara de combustão; 
 A combustão mais difícil apresenta-se quando o 
combustível é sólido. 
 
PROCESSO DA COMBUSTÃO 
Componentes do sistema de combustão 
 
 
 
COMBUSTÃO 
C + O2  CO2 
H2 + ½O2  H2O 
S + O2  SO2 
Combustível 
Comburente 
Cinzas 
Gases residuais 
 (fumos) 
CO2, SO2, CO e 
vapor de H2O 
Resíduos 
sólidos 
• Combustíveis: substâncias que podem ser 
queimadas facilmente ao ar atmosférico, com 
desprendimento de grande quantidade de calor. 
 
• Composição: carbono (C), hidrogênio (H), oxigênio 
(O), nitrogênio (N) e enxofre (S) são elementos 
químicos que compõem a maioria dos 
combustíveis. 
PROCESSO DA COMBUSTÃO 
Definição dos componentes do sistema de 
combustão 
 
 
 
• Comburente: substância à custa da qual se dá a 
combustão. Essa substância é o oxigênio. 
• Fonte: naturalmente, o “ar atmosférico”. 
Composição do ar atmosférico (%) 
Nitrogênio 78,03 
Oxigênio 20,99 
Argônio 0,94 
Dióxido de carbono 0,03 
Hidrogênio 0,01 
Outros 1,686x10-3 
21% O2 
79% N2 + 
gases inertes 
PROCESSO DA COMBUSTÃO 
Definição dos componentes do sistema de 
combustão 
 
 
 
• Gases residuais ou fumos: substâncias gasosas, 
como CO2, SO2, CO que se desprendem junto com o 
vapor d’água (H
2
O), durante a combustão. 
 
• O conhecimento da composição dos gases residuais 
(especialmente CO2) é de grande importância no 
controle da combustão. 
PROCESSO DA COMBUSTÃO 
Definição dos componentes do sistema de 
combustão 
 
 
 
• Cinzas: resíduos sólidos da combustão de um 
combustível sólido. 
• As cinzas de um carvão mineral são materiais 
inorgânicos (silicatos de Al, piritas de Fe, carbonatos 
de Ca e Mg) e podem ser “intrínsecas” ou “acidentais”. 
• Após a combustão do carvão, as cinzas transformam-
se em óxidos. 
• O teor de cinzas é determinado efetuando-se a 
combustão completa de uma amostra do combustível. 
PROCESSO DA COMBUSTÃO 
Definição dos componentes do sistema de 
combustão 
 
 
 
As reações mais importantes no processo da 
combustão são: 
 
 C(grafite) + O2  CO2 + 94,03 kcal/mol 
 H2(g) + ½O2  H2O(v) + 57,80 kcal/mol 
 H2(g) + ½O2  H2O(l) + 68,32 kcal/mol 
 S(s) + O2  SO2(g) + 72,0 kcal/mol 
 S(s) + 1,5O2  SO3(g) + 105,5 kcal/mol 
PROCESSO DA COMBUSTÃO 
Reações importantes: 
 
Se houver falta de O2 para a combustão completa do 
carbono, ocorrerá também a seguinte reação endotérmica: 
C(grafite) + CO2  2CO - 40,79 kcal/mol 
 
O que significa perda de combustível sob a forma de CO, o 
qual também pode ser queimado, liberando calor: 
CO (gás) + ½O2  CO2 + 69,91 kcal/mol 
PROCESSO DA COMBUSTÃO 
1. Incompleta: realiza-se com uma quantidade de 
oxigênio inferior à estequiométrica para oxidar 
completamente o combustível; 
2. Teoricamente completa: realiza-se com a quantidade 
estequiométrica de oxigênio para oxidar completamente 
a matéria combustível; 
3. Praticamente completa: realiza-se com uma quantidade 
de oxigênio maior do que a estequiometricamente 
necessária para oxidar a matéria combustível. 
 
PROCESSO DA COMBUSTÃO 
Tipos de combustão 
 
 
 
Termos comuns e sequência de reações: 
 
 
 
 
 
 
PROCESSO DA COMBUSTÃO 
Cálculos estequiométricos da combustão 
 
 
 
(1) H2 + ½O2  H2O 
(2) C + ½O2  CO 
(3) CO + ½O2  CO2 
Oxigênio teórico 
Ar teórico 
Ar real 
Quantidade de oxigênio necessária para oxidar 
completamente a matéria combustível. 
 
A quantidade de oxigênio teórico pode ser expressa por: 
 
O2 teórico = O2 para combustão completa - O2 do combustível 
 
 
 
 
PROCESSO DA COMBUSTÃO 
Definição de oxigênio teórico: 
 
 
 
Definição de ar teórico: 
Quantidade de ar que contenha a quantidade de oxigênio 
teórico. 
Como o teor de O2 no ar é de 21% (vol. ou mol), a quantidade de 
ar teórico pode ser determinada pela proporção: 
100 L (moles) ar  21 L (moles) O2 
V (ou n) ar teórico  V (ou n) O2 teórico 
 
V ( ar . teórico)=
V (O2 . teórico)
0,21
PROCESSO DA COMBUSTÃO 
n (ar .teórico)=
n(O
2
. teórico)
0,21
Quantidade de ar maior do que a teoricamente necessária, 
de forma a garantir combustão completa. 
 
Ar real = Ar teórico + Ar em excesso 
 
Necessidade do ar em excesso: 
1. Facilitar o contato íntimo entre o ar e o combustível na câmara 
de combustão. 
2. Reações de combustão são reações de equilíbrio químico e o 
aumento de temperatura desloca o equilíbrio para a esquerda 
(endotérmica). O uso de excesso de ar desloca o equilíbrio para 
a direita (favorecendo o processo de combustão). 
PROCESSO DA COMBUSTÃO 
Definição de ar real 
 
 
 
A porcentagem correta ou ótima de ar em excesso 
depende do tipo de combustível, da construção da 
instalação e das condições de operação. 
Estimativa de acordo com o estado físico do 
combustível: 
1. Combustíveis gasosos: 5-30% ar em excesso. 
2. Combustíveis líquidos: 20-40% ar em excesso. 
3. Combustíveis sólidos: 30-100% ar em excesso. 
PROCESSO DA COMBUSTÃO 
CONTROLE DA COMBUSTÃO 
Análise dos gases 
residuais (fumos) de 
uma combustão 
Composição 
volumétrica: CO2, 
CO, O2 e N2 
“Lei da 
conservação das 
massas” 
Eficiência da 
combustão e 
quantidade de ar 
em excesso 
MOTORES DE 4 TEMPOS 
A explosão impele o êmbolo ou o pistão, o 
qual no fim do seu curso, abre a válvula de 
escape, eliminando os gases e retorna à situação 
inicial para a admissão de nova carga de ar e 
combustível. 
FIM DA AULA