Semana 6 EXEMPLOS PRÁTICOS – MISTURAS COMBUSTÍVEIS

CH4 + 2 (O2 + 3,76 N2) ---- 1CO2 + 2H2O + 7,56 N2 Em volume considere-se aproximadamente a seguinte:

Sempre se utiliza a queima estequiométrica nas máquinas térmicas? Comentários Práticos Sempre se utiliza a queima estequiométrica nas máquinas térmicas?

Em um motor a pistão, ciclo OTTO, como fica a razão FO Em um motor a pistão, ciclo OTTO, como fica a razão FO? Ou a razão Ar/Combustível OF??

REAÇÕES BÁSICAS. C + O2 + N2 ----> CO2 + N2 H + 1/2O2 + N2 -----> H2O + N2

Cristiane Martins PRP28 – 1-2013

E a razão FO na câmara de combustão da turbina a gás? Ou a razão OF? Ou melhor FO??

Quanto de ar entra em uma turbina?

COMENTÁRIOS DOS DESAFIOS Baseados no limite do material da turbina (Tt4), combustores devem operar com valores muito abaixo da estequiometria Para a maioria dos combustíveis hidrocarbonetos utilizados, FO ~ 0.06 (baseado na massa) Comparação entre razão combustível/ar real e razão combustível/ar estequiometrica é chamada razão de equivalência Razão de Equivalência = f = (FO)real / (FO)estequiometria Para maioria das aeronaves modernas f ~ 0.3 Resumo Se f = 1: Estequiometria Se f > 1: Rico (em combustível) Se f < 1: Pobre (em combustível) Cristiane Martins PRP28 – 1-2013

PORQUE ISTO É RELEVANTE? Maioria das misturas NÃO queima muito longe da estequiometria Existe o Limite de Flamabilidade Altamente dependente da pressão Aumento da pressão, aumento do limite de flamabilidade Exigência para combustão, da ordem de f > 0.8 Turbina a Gas NÃO operam nem perto do nível da estequiometria Temperaturas (de chama adiabatica) associadas com combustão estequiométrica são muito altas para turbina Fixar Tt4 implica aproximadamente f < 0.5 Então como resolver? Queima (manter combustão) próximo f=1 com parte do ar da saída compressor Então mistura gases muito quentes com o ar remanescente para reduzir a temperatura na entrada da turbina

SOLUÇÃO: REGIÕES DE QUEIMA Turbine Air Primary Zone f~0.3 f ~ 1.0 T>2000 K Compressor

ZONAS DO COMBUSTOR : DETALHES Zona Primária Ancora a Chama Fornece tempo suficiente para ocorrer mistura e oxidação ‘completa’ do combustível Razão de Equivalencia próxima de f=1 Intermediária (Zona Secundária) Baixa altitude (maiores pressões no combustor) Recuperação de perdas por dissociação (primarimente CO → CO2) e Oxidação da fuligem Completa a queima que não ocorreu na zona primária devido a mistura ruim Alta altitude (menores pressões no combustor) Baixa pressão implica menor taxa de reação na zona primária Serve basicamente como uma extensão da zona primária (aumenta o tempo de residência tres) L/D ~ 0.7 Zona de Diluição (critica para durabilidade da turbina) Mix com ar para reduzir a temperatura para valores aceitáveis na turbina Tailor temperature profile (low at root and tip, high in middle) L/D ~ 1.5-1.8

E em um motor foguete? Como fica a razão de mistura?

Propulsor de 200 N; MMH/N2O4 – INPE/LCP. 16

OF – razão de mistura Razão de mistura ótima (OF) é definida como aquela que produzirá o mais alto impulso específico para dados reagentes. A razão de mistura ótima é função da pressão para a qual o foguete irá operar. Um motor com alta pressão na câmara de combustão e baixa pressão na saída da tubeira, ou seja, razão de seção larga, produzirá a melhor razão de mistura possível.

Porque é melhor formar CO2 e não CO? Para cada kg de CO formado significa (8084-2420) = 5654 kcal perdidos

TH2 = 2380 K TCH4 = 2226 K TC3H8 = 2267 K Uma vez ignitado a temperatura de chama adiabática não difere muito Mas, atenção com outras propriedades Velocidade de chama Limite de flamabilidade Compare os PCIs

para lembrar... Para gás ideal a fração molar xi do componente i'th em uma mistura de gases a (P e T) é igual a fração volumétrica deste componente. Visto que: P.V = N.R.T P = pressão V = volume N= massa/Mol T = temperatura Ni número de mols do constituinte i Ntot número de mols total

Ex1 - Calcule a % de CO2 em base seca quando CH4 é queimado com 15% de excesso de ar por volume. Ex2 – Uma mistura combustível contém 60% de CH4, 30% de CO e 10% de O2 por volume. Calcule o oxigênio estequiométrico exigido na queima. Ex3 - Um motor a pistão queima a mistura de C12H26 (aproximação do diesel) e ar em proporção estequiométrica. A análise da porcentagem volumétrica de O2 em base seca nos produtos de combustão encontrou 1,2%. Baseado nesta análise, determine as concentrações de CO e CO2 em base seca nos produtos de combustão. Ex4 - Um combustível contém em base mássica: 90% de C 10 % de H2 O gás de exaustão em base seca contém 15% de CO2 por volume. Calcule o excesso de ar em base mássica. **Lembrete em base mássica ar = N2 (0,767) e O2 (23,30) Ex5- Propano (C3H8) é queimado com 61% de excesso de ar, que entra a 25C na câmara de combustão. Assuma combustão completa e pressão de 1 atm e determine :a) razão ar-combustível (OF), (b)% de CO2 por volume de produtos Ex6 - Etano (C2H6) é queimado com ar atmosférico e a análise volumétrica dos produtos em base seca é a seguinte:10% CO2, 1% CO, 3% O2 e 86% N2. Construa a equação de combustão e determine: a) a porcentagem de excesso de ar b) a razão ar-combustível (OF)

Ex1 - Calcule a % de CO2 em base seca quando CH4 é queimado com 15% de excesso de ar por volume. 1 9,5 1 2 7,52 com 15% de excesso 1 10.95 1 2 8,65 0,3 em base seca – significa sem umidade (H2O), a análise fica: N2 = 8,65 CO2 = 1 O2 = 0,3 total = 9,95 moles assim a % CO2= 1/9,95 x 100 = 10%

Ex2 – Uma mistura combustível contém 60% de CH4, 30% de CO e 10% de O2 por volume. Calcule o oxigênio estequiométrico exigido na queima. significa que precisa 1,2 m3 + 0,15 m3 = 1,35 m3 total mas já existe 0,1 m3 de O2 no combustível, logo o oxigênio necessário para queima estequiométrica será de 1,25m3

Ex3 - Um motor a pistão queima a mistura de C12H26 (aproximação do diesel) e ar em proporção estequiométrica. A análise da porcentagem volumétrica de O2 em base seca nos produtos de combustão encontrou 1,2%. Baseado nesta análise, determine as concentrações de CO e CO2 em base seca nos produtos de combustão. Solução: 1. Escreva a reação considerando combustão completa C12H26 + 18,5.O2 + 69,56N2  12CO2 + 13H2O + 69,56N2. Para situação de combustão incompleta (considerando apenas CO como produto de combustão incompleta): C12H26 + 18,5.O2 + 69,56N2  aCO2 + bCO + 13H2O + cO2 + 69,56N2. balanço C: a + b = 12 balanço O: 37 = 2.a + b + 13 + 2c Em base seca: C12H26 + 18,5.O2 + 69,56N2  aCO2 + bCO + 13H2O + cO2 + 69,56N2.

A concentração de O2 em Base Seca é dada por: balanço C: a + b = 12 balanço O: 37 = 2.a + b + 13 + 2c c = 1 a = 10, b = 2 e c = 1 Desta forma, a reação global fica: C12H26 + 18,5.O2 + 69,56N2  10CO2 + 2CO + 13H2O +1O2 + 69,56N2

Ex4 - Um combustível contém em base mássica: 90% de C 10 % de H2 O gás de exaustão em base seca contém 15% de CO2 por volume. Calcule o excesso de ar em base mássica. **Lembrete em base mássica ar = N2 (0,767) e O2 (23,30) 32 44 0,90 2,4 3,30 4 32 36 0,10 0,8 1 total de O2 necessário = 3,2 ar ideal (razão estequiométrica)=?

3,2 moles de O2 = 3,2/0,233 = 13,73 kg de ar estequiométrico N2 = 0,767 x 13,73 = 10,53 kg Seja x o excesso de ar % Total CO2 3,30 kg 330/T O2 3,2 x kg 320 x/T N2 10,53 (1+ x) 1053 (1+x)/T Total = T = 3,30 + 3,2 x + 10,53 (1+x) Convertendo estas % em massa para % em volume por dividir pela massa molecular CO2 330/44T = 7,5/T O2 320x/32T = 10x/T N2 1053 (1+x)/28T = 37,6 (1+x)/T Total = (1/T) (7,5 + 10 x + 37,6 + 37,6x) Total = (1/T) (45,1 + 47,6 x) %CO2= 15 = (7,5/T)100/ [(1/T) (45,1 + 47,6 x) 0,15 = (7,5)/ (45,1 + 47,6 x) 45,1 + 47,6x = 50 47,6 x = 50 – 45,1 x = 0,1029 Resposta: A % de excesso de ar é de 10,3%

A % de excesso de ar é de 10,3% significa que N2 = 10,53 (1+ x) = 10,53 (1 + 0,103) = 11,61 kg Assim o ar fornecido foi de 11,61/0,767 = 15,14 kg de ar.

Ex5- Propano (C3H8) é queimado com 61% de excesso de ar, que entra a 25C na câmara de combustão. Assuma combustão completa e pressão de 1 atm e determine :a) razão ar-combustível (OF), (b)% de CO2 por volume de produtos 61% excesso de ar (161% de ar teórico)

a) razão ar-combustível (OF) (b)% de CO2 por volume de produtos

Ex6 - Etano (C2H6) é queimado com ar atmosférico e a análise volumétrica dos produtos em base seca é a seguinte:10% CO2, 1% CO, 3% O2 e 86% N2. Construa a equação de combustão e determine: a) a porcentagem de excesso de ar b) a razão ar-combustível (OF)

Assumindo 100 kmoles de produtos em base seca: Solução: Assumindo 100 kmoles de produtos em base seca: os coeficientes para cada Simplificando para 1 kmol

a) Determine % excesso de ar reação estequiométrica, combustão completa: balanço de O2

b) Determine razão OF em base mássica

Exercícios Na queima do butano (a) encontre a razão estequiométrica por volume. (b) calcule a % de CO2 presente no gás de exaustão em base seca se for utilizado 30% de excesso de ar. R: – a (30,95/1) e b (10,6%) Na queima do propano (a) encontre a razão estequiométrica por volume. (b) calcule a % de O2 presente no gás de exaustão em base seca se for utilizado 20% de excesso de ar. R: – a (23,81/1) e b (3,8%)