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Combustíveis

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. Tendo por base o seu estado físico, eles podem ser:

• Sólidos

• Líquidos

• Gasosos

Poder Calorífico

A principal característica de qualquer combustível é gerar calor. Esta propriedade é chamada de Poder Calorífico e é definida como sendo a quantidade de calor desprendida pela combustão estequiométrica do combustível. O Poder calorífico é definido em unidades de energia por unidade de massa. 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.

O elemento químico 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.

Conforme mostrado no capítulo de Combustão, um dos produtos da queima de qualquer combustível é a água. Dependendo da fase desta água, a quantidade de calor liberada muda. Nos casos extremos, a água pode estar totalmente no estado líquido ou no estado gasoso. Em função disso, costuma-se fornecer dois valores de Poder Calorífico; o superior e o inferior. O Poder Calorífico Superior – PCS – representa o calor liberado pela combustão tendo toda a água resultante na fase líquida e o Poder Calorífico Inferior – PCI representa o calor liberado pela combustão estando toda a água resultante no estado gasoso.

Portanto, a diferença entre eles é a entalpia de vaporização da água formada na reação e da água previamente existente no combustível. Matematicamente, isto pode ser aproximado pela seguinte maneira:

 

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 [kJ/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 utilizando-se a expressão acima. 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.

Considerando uma combustão estequiométrica e com os reagentes e produtos nas condições normais de temperatura e pressão -CNTP- o calor gerado pela reação será dado pela diferença entre a entalpia absoluta dos reagentes e dos produtos. Portanto, por definição, o poder calorífico e a entalpia da combustão serão dados por:

 

Onde:

• h_p é a entalpia dos produtos da reação;

• h_r é a entalpia dos reagentes.

Se Δh_c for menor do que zero, a reação é exotérmica e, se for maior do que zero, é endotérmica. O poder calorífico -PCI- é igual a entalpia de combustão - Δh_c- com sinal trocado.

A entalpia absoluta de uma substância é dada por sua entalpia de formação e a entalpia de variação. A primeira está associada a sua energia química e a segunda depende unicamente da temperatura.

Um combustível é constituído sobretudo de hidrogênio e carbono, tento o hidrogênio o poder calorífico de 28700Kcal/kg enquanto que o carbono é de 8140Kcal/kg, por isso, quanto mais rico em hidrogênio for o combustível maior será o seu poder calorífico.

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 constante1.

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:

H_rea(T₁,P)=H_prod(T_ch,P)

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.

Fazendo algumas simplificações, a temperatura de chama pode ser dada por:

 

Onde:

T_ch é a temperatura da chama [ºK]

T_ar é a temperatura do ar na entrada da combustão [ºK]

PCI é o poder calorífico inferior [kJ/kg]

m_c é a massa de combustível queimada [kg/s]

m_g é a massa dos gases de combustão [kg/s]

C_pg calor específico dos gases de combustão [kJ/kg.K]

Exemplo

Temperaturas Limite