ASA 2- TEORIA DA PROPULSÃO Cristiane Aparecida Martins Agosto/2012

Classificação dos Sistemas de Propulsão C.A.Martins, ITA

Motores ‘Perfeitos' a eficiência de conversão de energia é de 100% mas nem toda a energia é convertida em trabalho, o que significa que parte da energia é desperdiçada na exaustão. No motor elétrico o mínimo valor (na exaustão) é o zero (Terra), o que significa que teoricamente é possível obter 100% de eficiência na exaustão da carga elétrica, a qual não deixará nenhum resíduo. No motor hidráulico a mínima pressão de exaustão é a atmosférica, o que significa que parte da energia será desperdiçada na exaustão. No motor térmico, 'máquina térmica' a mínima temperatura é obtida nas condições ambientes, ou seja da ordem de 300K, significando que também existirá uma energia residual na saída. Se a saída fosse de Zero absoluto conseguiríamos extrair toda a energia contida.

MÁQUINAS TÉRMICAS UTILIZAM FLUIDO DE TRABALHO

MÁQUINA TÉRMICA: CADEIA PROPULSIVA Energia Química Calor (Energia Térmica) Potência Mecânica Potência Mec. para Fluxo Gás Empuxo Combustão Térmica Mecânica Propulsiva A eficiência global para cadeia propulsiva é dada:

– Termoquímica – Conceitos Básicos Balanço de Massa Balanço de Energia Cristiane Martins ASA 2 – 2-2012

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Balanço de Massa (sem reação química) ENTRADA = SAÍDA Qs + Qw = C Cristiane Martins ASA2 – 2-2012

Fundamentos da Combustão Cristiane Martins ASA2 – 2-2012 9

Conservação de Massa Cristiane Martins ASA2 – 2-2012 10

Processo de Combustão Combustível + Oxidante  Produtos Exemplo: 1 CH4 + 2 O2  1 CO2 + 2 H2O Oxidante Combustível Fonte de ignição Cristiane Martins ASA2 – 2-2012 11

Combustão: seqüência de reações químicas. Chama: propagação da combustão no espaço; associação entre os escoamentos e as reações químicas. Cristiane Martins ASA2 – 2-2012 12 12

A composição dos produtos de exaustão provenientes das reações de combustão dependem de inúmeros fatores, incluindo tipo de oxidante, composição, temperatura dos gases e razão de equivalência. Processo reacional – equilíbrio adiabático

Reações de Combustão

Exemplos de Processos de Combustão 15

Chama laminar - vela

Explosão

Chama turbulenta tipo jato de GNV

Chamas – (queima rica a queima pobre) Diferentes tipos de chama dependendo da disponibilidade de oxidante. Da esquerda para direita de sem pré-mistura até pré-misturada. http://en.wikipedia.org/wiki/Flame Cristiane Martins ASA2 – 2-2012

Combustão confinada

Queimador industrial - álcool

Queimador Industrial - Queimador para caldeira utilizando gás de alto forno

Combustão de dimetil hidrazina assimétrica com tetróxido de nitrogênio. Foguete Longa Marcha 4B, lançamento do CBERS-2, 21/10/2003.

Propagação de fogo em leitos florestais. 24

Propulsor de 200 N; MMH/N2O4 – INPE/LCP. 25

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Lei de Conservação de Massa Massa não pode ser criada ou destruída (Reações nucleares excluídas) Você consegue avaliar toda a massa que entra, é gerada e sai ou se acumula em determinado sistema?? Balanço Material. Cristiane Martins ASA2 – 2-2012

Cálculos Estequiométricos Cristiane Martins ASA2 – 2-2012 28

Procedimento de Cálculo dos Coeficientes Estequiométricos 1 CH4 + x O2  y CO2 + z H2O C: 1 = y  y = 1, H: 4 = 2z  z = 2, O: 2x = 2y + z  x = 2. Cristiane Martins ASA2 – 2-2012 29

Conservação de Massa na Reação de Combustão Estequiométrica 1 CH4 + 2 O2  1 CO2 + 2 H2O, 16 g + 64 g = 44 g + 36 g. Cristiane Martins ASA2 – 2-2012 30

Somente massa é conservada. Número de mols, em geral, não o é. 1 H2 + 1/2 O2  1 H2O, 2 g + 16 g = 18 g, (massa) 1 + 1/2  1. (número de mols) Cristiane Martins ASA2 – 2-2012 31

Combustível Combustível industrial precisa: Substância química que, quando em contato com um oxidante, pode produzir uma reação exotérmica, ou seja, uma reação que libera energia na forma de calor. Combustível industrial precisa: (a) existir em grandes quantidades, (b) possuir baixo custo, e (c) ser aplicável no processo industrial em consideração. Cristiane Martins ASA2 – 2-2012 32

Fatores que Afetam a Seleção de um Combustível (a) Disponibilidade, (b) Custo, (c) Aplicabilidade, (d) Eficiência do processo, (e) Características de formação de poluentes, (f) Facilidade de controle, (g) Presença de impurezas como cinzas, e (h) Facilidade de transporte. Cristiane Martins ASA2 – 2-2012 33

Classificação dos Combustíveis Pelo estado de agregação: sólidos; líquidos; gasosos. Pela origem: naturais; artificiais. Cristiane Martins ASA2 – 2-2012 34

Classificação dos Combustíveis Combustíveis naturais podem ser: sólidos, como carvão mineral, madeira e turfa; líquidos, como petróleo; gasosos, como gás natural. Combustíveis artificiais resultam do processamento dos combustíveis naturais, e podem também ser: sólidos, como coque de carvão e carvão vegetal; líquidos, como gasolina e querosene; gasosos, como gás de coqueria e gás de alto forno. Cristiane Martins ASA2 – 2-2012 35

Oxidante Ar: 78,08% nitrogênio, 20,95% oxigênio, 0,93% argônio, 0,03% dióxido de carbono, 0,01% de outros gases. Para fins de balanço: 79% nitrogênio e 21% oxigênio. XN2,ar = 0,79 e XO2,ar = 0,21. Cristiane Martins ASA2 – 2-2012 36

Composição mássica do ar: YN2,ar = 0,768; YO2,ar = 0,232. Massa molecular do ar: M = 28,84 g/gmol Cristiane Martins ASA2 – 2-2012 37

Estequiometria de uma reação considera a relação entre moles de reagentes e produtos. Não fornece NENHUMA informação sobre balanço energético da reação química. Entretanto sabemos que energia pode ser produzida (combustão) ou absorvida (derretimento de gelo) por determinadas reações. Cristiane Martins ASA2 – 2-2012

Reação de combustão estequiométrica de metano com ar: 1 CH4 + 2 O2 + 7,52 N2  1 CO2 + 2 H2O + 7,52 N2 Reação de combustão de metano com excesso de ar: 1 CH4 + 2a O2 + 7,52a N2  1 CO2 + 2 H2O + 7,52a N2 + 2(a-1) O2 16 g + 64a g + 210,56a g = 44 g + 36 g + 210,56a g + 64 (a-1) g Cristiane Martins ASA2 – 2-2012 39

Esquema de Balanço de Massa para Combustão de Metano com Ar 1 CH4 + 2a O2 + 7,52a N2  1 CO2 + 2 H2O + 7,52a N2 + 2(a-1) O2 Cristiane Martins ASA2 – 2-2012 40

Fator de Ar (a) a < 1  A combustão é redutora Razão entre o volume de ar utilizado e o volume de ar necessário para combustão completa de uma certa quantidade de combustível. a = Var utilizado/Var estequiométrico a < 1  A combustão é redutora a = 1  A combustão é estequiométrica a > 1  A combustão é oxidante Cristiane Martins ASA2 – 2-2012 41 41

Valores Usuais do Coeficiente de Excesso de Ar (a) Combustível Tipo de fornalha ou queimador a Carvão pulverizado Aquatubular completa Aquatubular parcial fundo seco 1,15 – 1,20 1,15 – 1,40 Carvão britado Fornalha ciclone 1,10 – 1,15 Carvão Grelha fixa Grelha vibratória Grelha rotativa Grelha fixa alimentação por baixo 1,30 – 1,60 1,15 – 1,50 1,20 – 1,50 Óleo combustível Queimadores de óleo tipo registro Queimadores multicombustível 1,05 – 1,15 1,05 – 1,20 Gás natural Gás de coqueria Gás de alto forno Queimadores tipo registro Queimadores de bocal intertubos 1,05 – 1,10 1,07 – 1,12 1,15 – 1,18 Madeira Grelha 1,20 – 1,25 Bagaço de cana Todas as fornalhas 1,25 – 1,35 Combustíveis Excesso de ar (a) Sólidos 30 a 100%, a = 1,3 a 2,0 Líquidos 10 a 30%, a = 1,1 a 1,3 Gasosos 5 a 20%, a = 1,05 a 1,2 Fonte: Pinheiro & Valle, Controle de Combustão: Otimização do Excesso de Ar; disponível em www.geocities.com Cristiane Martins ASA2 – 2-2012 42

Comum a apresentação das condições iniciais em termos: razão combustível/ar Comum a apresentação das condições iniciais em termos: - de razão mássica combustível/ oxidante - razão mássica oxidante / combustível razão de equivalência  (atual/ estequiométrico)  = 1 – estequiometria (quantidade de oxidante exata para combustível)  < 1 – pobre ( excesso de oxidante)  > 1 – rica (excesso de combustível) Cristiane Martins ASA2 – 2-2012

Razão de equivalência (f) Exemplo com álcool etílico 1 C2H5OH + 3 O2 + 11,28 N2  2 CO2 + 3 H2O + 11,28 N2.   Com 5 % de excesso de ar, teremos:   1 C2H5OH + 3,15 O2 + 11,84 N2  2 CO2 + 3 H2O + 11,84 N2 + 0,15 O2

REAÇÕES BÁSICAS. C + O2 + N2 ----> CO2 + N2 H + 1/2O2 + N2 -----> H2O + N2 Cristiane Martins ASA2 – 2-2012

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Combustão e Velocidade de Exaustão Cristiane Martins ASA2 – 2-2012

Considerando que empuxo, thrust F, é a resultante entre as forças exercidas no interior pelos gases de combustão e exterior pela pressão atmosférica nas redondezas, como ilustra a Figura. Cristiane Martins ASA2 – 2-2012

- termo de velocidade SEMPRE fornece empuxo; Empuxo possui dois termos contribuintes: 1° termo trata da contribuição da velocidade de saída (momentum) enquanto que o 2° termo está relacionado com a contribuição dada pela pressão de saída. Atente-se que: - termo de velocidade SEMPRE fornece empuxo; - termo de pressão pode AUMENTAR ou DIMINUIR o empuxo. Cristiane Martins ASA2 – 2-2012

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OF – razão de mistura Ao se definir razão de mistura ótima (OF) 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.

Diferente de outros propelentes, a razão de mistura ótima para o par oxigênio líquido e hidrogênio líquido (LOX/LH2) não necessariamente é aquela que produz máximo impulso específico. Devido a extrema baixa densidade do hidrogênio, o volume de propelente reduz significativamente para razões de mistura maiores. Máximo impulso específico ocorre tipicamente por volta de OF 4,5, entretanto se a razão de mistura for aumentada para 5.5, por exemplo, o volume de estocagem é reduzido para um quarto do que para 3.5. Isto conduz a tanques propelentes menores, veículos de menor massa e menos arrasto o que compensa a perda de desempenho que ocorre ao se utilizar uma razão de mistura maior. Na prática, muitos motores de LOX/LH2 utilizam razões de mistura entre 5-6, por exemplo, o veículo russo RL-10A-4 [10]. cuja especificação é:

RL-104-4 Ready (Flight Certified): December 1990 Propellants: LOX/LH2 O/F Ratio: 5.5 Thrust (Vac): 20,800 lbf at 449 ISP Chamber Pressure: 578 psia Expansion Ratio: 84

RL-10B-2 RL-10B-2 Ready (Flight Certified): May 1998 Propellants: LOX/LH2 O/F Ratio: 5.88 Thrust (Vac): 24,750 lbf at 465.5 ISP Weight: 664 lbs T/W Ratio (vac): 32.27 Chamber Pressure: 644 psia Engine Length: 86.5” (Stowed), 163.5” (Deployed) Nozzle Diameter: 84.5 inches Expansion Ratio: 285 References: A Review of United States Air Force and Department of Defense Aerospace Propulsion Needs (2006) – Appendix

RL-10B-2

LOX/LH2

Outro exemplo é o par bipropelente tetróxido de nitrogênio e monometilhidrazina, N2O4/MMH, onde a razão de mistura de 1,67 resulta em tanque de combustível e oxidante de mesmo tamanho. Tamanhos de tanque idênticos simplificam grandemente a manufatura, o sistema de integração e montagem de todo o sistema propulsivo. Assim mesmo que a razão de mistura ótima esteja por volta de 1,2 a simplificação de construção compensa a perda em impulso específico.

Aerojet AJ-10-190 (Shuttle OMS System) Ready (Man Rated): April 1981 Propellants: MMH and N2O4 O/F Ratio: 1.65 Thrust (vac): 6,000 lbf at 313.2 ISP Weight: 297 lbs T/W Ratio (vac): 20.2 Chamber Pressure: 125 psia Engine Length: 77 inches Engine Nozzle Exit Diameter: 46 inches Expansion Ratio: 55

LOX/METANO LIQUIDO

LOX & ETANOL * * * * 75% C2H5OH + 25% H2O

LOX & RP-1 (QUEROSENE) * * ** n-Dodecane, C12H2

LOX & UDMH

ÁCIDO NÍTRICO FUMEGANTE * & MMH** *83.5% HNO3 + 14% N2O4 + 2.5% H2O **Monometilhidrazina

ÁCIDO NÍTRICO FUMEGANTE * & RP-1** *83.5% HNO3 + 14% N2O4 + 2.5% H2O ** n-Dodecane, C12H26

ÁCIDO NÍTRICO FUMEGANTE * & UDMH** *83.5% HNO3 + 14% N2O4 + 2.5% H2O **Dimetilhidrazina

N2O4 & MMH

N2O4 & UDMH

PERÓXIDO DE HIDROGÊNIO* & RP-1** * 85% H2O2 + 15% H2O ** n-Dodecane, C12H26