combustiveis

Definições


Exotérmico

(z) [De ex(o)- + -term(o)- + -ico2.]
Adjetivo.

1.
Fís.-Quím. Diz-se de processo ou de reação química que ocorre em um sistema (19), e em que há liberação de calor para o meio externo. [Opõe-se a endotérmico.]

Estequiometria

(tè) [Do gr. stoicheîon, ‘elemento’, +-metria.] Substantivo feminino. Quím.

1.Parte da química em que se investigam as proporções dos elementos que se combinam ou dos compostos que reagem.

2.A proporção dos elementos num composto, ou dos compostos numa reação.

Entalpia de Formação


A entalpia de formação depende da temperatura dos reagentes e produtos.

Portanto, a Tabela fornece os valores de entalpia de formação das substâncias mais importantes para a geração de energia com parâmetros de ajuste para a correção da temperatura.

Unidades


Na prática, o Poder Calorífico é definido em unidades de energia por unidade de massa.

As principais unidades são:

  • kcal/ton;
  • kcal/kg;
  • kWh/kg.

No caso de combustíveis líquidos e gasosos, ele pode ser expresso em unidades de energia por unidades de volume. Porém, neste caso, deve-se fornecer a referência de densidade e/ou as condições de temperatura e pressão.

As principais unidades são:

  • kcal/m3;
  • MMBtu/m3;
  • kWh/m3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Capítulos

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Introdução


Combustível é qualquer substância cuja reação química seja exotérmica.

Entretanto, as condições de preço, de disponibilidade na natureza ou de processo de fabricação em quantidade comercial limitam o número de combustíveis usados na geração de energia elétrica.

Tendo por base o seu estado físico nas condições ambientes, eles são classificados de acordo com a figura abaixo. Esta lista não é definitiva porque novos combustíveis deverão aparecer.

É importante observar que para todos os estados físicos já existem combustíveis renováveis no mercado.

 

 

Propriedades Básicas dos Combustíveis


As propriedades dos combustíveis são:

  • Poder Calorífico;
  • Temperatura da Chama;

Poder Calorífico


A principal característica de qualquer combustível é gerar energia, normalmente na forma de calor.

Considerando que uma reação química ocorre dentro de um volume de controle, figura abaixo, sem a realização de trabalho nem variações de energia cinética e potencial, a energia liberada pela reação será dada por:

(1)

Onde:

  • Q é a energia liberada pela combustão;
  • Hp é a entalpia dos produtos da combustão;
  • Hr é a entalpia dos reagentes da combustão.

Se os reagentes são estáveis e a reação química ocorre em condições de temperatura e pressão constantes, esta variação de entalpias é denominada de entalpia de formação.

As entalpias de formação podem ser positivas ou negativas.

Substâncias com entalpia de formação positiva necessitam de energia para serem formadas - reações endotérmicas.

Por outro lado, substâncias com entalpia de formação negativa liberam energia quando formadas - reações exotérmicas.

Quando a reação química em questão é uma combustão completa, a temperatura e pressão constantes, a variação de entalpia é chamada de entalpia de combustão.

Se os produtos da combustão contém água no estado líquido, a entalpia de combustão é chamada de Poder Calorífico Superior - PCS.

Por outro lado, se a água encontra-se em estado gasoso, a entalpia de combustão é chamada de Poder Calorífico Inferior - PCI.

A diferença entre estes valores é igual ao calor de vaporização em condições padrão.

Como na prática os produtos e reagentes são formados por diversas substâncias a diferentes temperaturas é preciso considerar a energia gasta para elevar a temperatura epressão dos reagentes e/ou dos produtos.

Para isso, utilizando-se o conceito de energia interna, o poder calorífico passa a ser a variação da energia interna do sistema.

Considerando que a energia interna é dada por:

E que os gases envolvidos na combustão são ideais, teremos que:

Finalmente, a equação(1) pode ser escrita da seguinte maneira:

Onde:

  • U é a energia interna;
  • N é a quantidade de moles da substância i;
  • h é a entalpia;
  • T é a temperatura

No caso de sólidos, líquidos e gases com calor específico constante, podemos utilizar a seguimte relação:

Nos casos em que o calor específico dos gases não pode ser considerado constante, deve-se utilizar valores obtidos a partir de tabelas para calcular este fator.

Portanto, o poder calorífico é a quantidade de energia, possível de ser liberada pela combustão de determinado combustível em condições estequiométricas, por unidade de massa.

Conforme mostra a Tabela em anexo, a substância química com maior poder calorífico é o hidrogênio, seguido pelo metano, propano, carbono, etanol e metanol.

O carbono, que é o elemento básico do carvão, apresenta o menor poder calorífico.

Por isso, os combustíveis derivados de petróleo substituíram o carvão após a revolução industrial.

É importante observar que, na prática, existem duas fontes de água no processo de combustão: os átomos de hidrogênio existente nas moléculas do combustível e as moléculas de água misturadas ao combustível e ao ar.

Para levar isto em consideração, de acordo com Garcia, o PCI pode ser calculado a partir do PCS através da seguinte expressão:  

eq pci

Onde:

  • PCI é o Poder Calorífico Inferior [kj/kg];
  • PCS é o Poder Calorífico Superior [kj/kg];
  • H é o teor de hidrogênio no combustível [kg/kg em base seca];
  • u é o teor de umidade do combustível [kg de água/ kg de combustível seco];

O Poder Calorífico Superior é normalmente medido em laboratório e o PCI inferior é obtido indiretamente por cálculo.

Como a temperatura dos gases de combustão é muito elevada nas máquinas térmicas, a água contida neles se encontra sempre no estado de vapor.

Portanto, deve-se considerar sempre o poder calorífico inferior e não o superior nos cálculos de eficiência de usinas termelétricas e na comercialização de combustíveis.

Temperatura da Chama


Outra característica importante dos combustíveis é a temperatura da combustão.

Este dado é fundamental para o projeto e dimensionamento de equipamentos e máquinas térmicas.

A temperatura teórica da chama é calculada considerando que todo o calor resultante da combustão é transferida sem perdas para os produtos da combustão.

Como um processo sem troca de calor é denominado de adiabático, a temperatura da chama também é denominada de temperatura adiabática de chama.

Na verdade existem duas temperaturas adiabáticas da chama; uma para combustão a pressão constante e outra para combustão a temperatura constante.

Se a mistura ar combustível queima adiabaticamente em pressão constante, a entalpia absoluta dos reagentes no estado inicial é igual à entalpia absoluta dos produtos no estado final, de acordo com a expressão abaixo:

Portanto, a temperatura do estado final será a temperatura adiabática da chama à pressão constante.

Teoricamente, a definição é simples no entanto utilizá-la na prática requer o conhecimento da composição dos reagentes e dos produtos.

De acordo com Garcia, fazendo algumas simplificações, a temperatura de chama pode ser dada por:  

Onde:

  • Tch é a temperatura da chama [ºK];
  • Tar é a temperatura do ar na entrada da combustão [ºK]
  • PCI é o poder calorífico inferior [kJ/kg];
  • mc é a massa de combustível queimada [kg/s]
  • mg é a massa dos gases de combustão [kg/s]
  • Cpg calor específico dos gases de combustão [kJ/kg.K]

A figura abaixo, apresenta a variação da temperatura adiabática da chama para diversos combustíveis em função da relação combustível-comburente normalizada.

Observa-se que o acetileno apresenta a maior temperatura adiabática de chama. Por isso, este gás é muito utilizado na prática em maçaricos.

Por outro lado, o metano possui uma temperatura de chama menor do que a do propano.

De acordo com Chaw, o parâmetro que mais influencia a temperatura de chama é a relação entre número de moléculas de Carbono e o número de moléculas de Hidrogênio (C/H).

Quanto maior a relação C/H maior será a temperatura adiabática da chama.

Aparentemente, esta conclusão não faz sentido porque a temperatura adiabática de chama do hidrogênio é uma das maiores apresentadas na figura.

Contudo, de acordo com Chaw, esta relação ocorre devido a três fatores:

  • Maior energia nas ligações duplas e triplas de carbono que existem nos hidrocarbonetos mais pesados;
  • O menor número relativo de átomos de hidrogênio que serão transformados em água que absorve calor na vaporização;
  • Necessidade de aquecer o nitrogênio do ar.