Uma pequena caldeira utiliza gás GLP como combustível e trabalha com um excesso de ar de 12%. Considerando a composição do GLP (em volume) como sendo 50% de propano
e
de butano
, calcular:
a) O poder calorífico inferior do GLP (em base mássica e volumétrica)
b) A relação estequiométrica ar/combustível em massa e em volume
c) A vazão volumétrica de
) para a queima de
de GLP
d) A vazão volumétrica dos gases da combustão na chaminé da caldeira (a
)
e) A velocidade dos gases na chaminé cujo diâmetro é de 300mm
a) O poder calorífico inferior do GLP (em base mássica e volumétrica)
b) A relação estequiométrica ar/combustível em massa e em volume
c) A vazão volumétrica de
d) A vazão volumétrica dos gases da combustão na chaminé da caldeira (a
e) A velocidade dos gases na chaminé cujo diâmetro é de 300mm
Passo 1
Beleza, vamos lá! Temos um exercício sobre combustão de GLP (Gás Liquefeito de Petróleo), que é composto igualmente por propano (
) e butano (
). A caldeira está operando com um excesso de ar de 12%. Vamos precisar de conceitos de poder calorífico, estequiometria da combustão, vazões volumétricas e velocidade dos gases. Vamos resolver cada parte passo a passo para entender tudo certinho!
Passo 2
a) Calcular o poder calorífico inferior do GLP (em base mássica e volumétrica)
Primeiro, precisamos entender o que é o poder calorífico inferior (PCI). O PCI é a quantidade de energia liberada quando um combustível queima completamente, sem considerar a energia da água formada durante a combustão.
Como o GLP é uma mistura de propano e butano, vamos calcular o PCI ponderando os valores individuais de cada componente.
Passo a passo:
-
Identificar o PCI de cada componente:
- PCI do propano (
): aproximadamente - PCI do butano (
): aproximadamente
- PCI do propano (
-
Calcular o PCI em base mássica:
- Como a mistura é 50% propano e 50% butano em volume, mas precisamos em massa. Assumindo densidades:
- Densidade do propano:
- Densidade do butano:
- Densidade do propano:
- Calculamos a média ponderada considerando as massas de cada componente.
- Como a mistura é 50% propano e 50% butano em volume, mas precisamos em massa. Assumindo densidades:
-
Calcular o PCI em base volumétrica:
- Simplesmente a média aritmética dos PCIs dos componentes, já que estão em igual volume.
Cálculos:
Vamos assumir que temos 1 m³ de GLP.
- Massa de propano:
- Massa de butano:
- Massa total:
PCI mássico:
PCI volumétrica:
Passo 3
b) Calcular a relação estequiométrica ar/combustível em massa e em volume
A relação estequiométrica ar/combustível indica a quantidade de ar necessária para queimar completamente uma quantidade de combustível sem excesso ou falta de ar.
Passo a passo:
-
Escrever a equação de combustão para cada componente:
- Propano:
- Butano:
- Propano:
-
Calcular o ar necessário para cada componente:
- O ar é composto por 21% de
e 79% de .
- O ar é composto por 21% de
-
Calcular a relação ar/combustível:
- Para a mistura, calcular a média ponderada considerando as proporções de propano e butano.
Cálculos:
Para simplificar, consideramos apenas o ar necessário por mole de combustível e depois convertemos para massa e volume.
-
Relação estequiométrica mássica:
-
Relação estequiométrica volumétrica:
Após os cálculos, obtemos:
- Relação estequiométrica ar/combustível em massa: aproximadamente
- Relação estequiométrica ar/combustível em volume: aproximadamente
Passo 4
c) Calcular a vazão volumétrica de ar a
para a queima de
de GLP
Aqui, precisamos levar em conta o excesso de ar de 12% e ajustar a relação estequiométrica.
Passo a passo:
-
Determinar a vazão estequiométrica de ar:
- Use a relação estequiométrica volumétrica obtida na parte b).
-
Calcular o excesso de ar:
- 12% a mais do que o ar estequiométrico.
-
Calcular a vazão total de ar necessário:
Cálculos:
- Vazão estequiométrica de ar:
- Com excesso de ar:
Passo 5
d) Calcular a vazão volumétrica dos gases da combustão na chaminé a
Precisamos considerar como o aumento de temperatura afeta o volume dos gases, utilizando a Lei dos Gases Ideais.
Passo a passo:
-
Calcular a vazão estequiométrica de produtos de combustão:
- Baseado na combustão completa, considerando
, e .
- Baseado na combustão completa, considerando
-
Ajustar para o excesso de ar:
- Proporcional à quantidade de ar utilizada.
-
Aplicar a correção térmica para
: - Usar a relação de volumes com a temperatura através da Lei de Charles:
onde as temperaturas devem estar em Kelvin.
- Usar a relação de volumes com a temperatura através da Lei de Charles:
Cálculos:
- Temperatura inicial (ar ambiente):
- Temperatura final:
Aplicando a Lei de Charles:
- Vazão de produtos:
Passo 6
e) Calcular a velocidade dos gases na chaminé cujo diâmetro é de 300mm
Para encontrar a velocidade dos gases, usamos a relação entre vazão volumétrica, área da chaminé e velocidade.
Passo a passo:
-
Calcular a área da chaminé:onde
-
Usar a equação da continuidade:onde
é a vazão volumétrica e é a velocidade. -
Isolar a velocidade:
Cálculos:
- Área da chaminé:
- Vazão volumétrica dos gases:
- Velocidade:
Resposta
a) Poder Calorífico Inferior do GLP:
- Mássico:
- Volumétrico:
b) Relação Estequiométrica Ar/Combustível:
- Massa:
- Volume:
c) Vazão Volumétrica de Ar a
:
d) Vazão Volumétrica dos Gases na Chaminé a
:
e) Velocidade dos Gases na Chaminé (Diâmetro de 300mm):
Espero que isso te ajude a entender melhor cada etapa do exercício! Se tiver mais dúvidas, é só perguntar.