Enunciado

Combustível propano ( C 3 H 8 ) a 25 °C é misturado continuamente com 50% de excesso de ar a 500 °C em uma câmara de combustão à pressão atmosférica. Os produtos da combustão saem a 1.500 °C, e a vazão volumétrica do ar é de 1 m 3 / s . Determine a taxa de transferência de calor nesse combustor.

Passo 1

Vamos assumir que:

Existem condições operacionais estáveis.

Ar e gases de combustão são gases ideais.

As energias cinética e potencial são desprezíveis.

A combustão está completa.

As massas molares de propano e ar são 44 kg / kmol e 29 kg / kmol, respectivamente (Tabela A-1).

Passo 2

A equação da combustão pode ser escrita como:

C 3 H 8 + 1.5 a t h ( O 2 + 3.76 N 2 ) → 3 C O 2 + 4 H 2 O + 0.5 a t h O 2 + 1.5 a t h × 3.76 N 2

O coeficiente estequiométrico é obtido do balanço de O 2 :

1.5 a t h = 3 + 2 + 0.5 a t h → a t h = 5

Substituindo:

C 3 H 8 + 7.5 ( O 2 + 3.76 N 2 ) → 3 C O 2 + 4 H 2 O + 2.5 O 2 + 28.2 N 2

O volume específico de ar que entra no sistema é:

ν a i r = R a r T P = 2.190 m 3 / k g

e a vazão mássica desse ar é

m a r ˙ = V a r ˙ v a r = 0.4566 k g / s

A proporção ar-combustível para este processo de combustão é:

A F = m a r m c o m b u s t í v e l = 23.53 k g   a r / k g   c o m b u s t í v e l

A taxa de fluxo de massa do combustível é

m ˙ c o m b u s t í v e l = m a r ˙ A F = 0.01941 k g / s

A transferência de calor para esse processo de combustão é determinada a partir do balanço energético E i n - E o u t = Δ E s i s t e m a , aplicado na câmara de combustão com W = 0. Temos:

- Q o u t = ∑ N P ( h º f _ + h _ - h º _ ) P - ∑ N P ( h º f _ + h _ - h º _ ) R

Passo 3

Supondo que o ar e os produtos de combustão sejam gases ideais, temos h = h (T). Das tabelas,

Substituindo:

Q o u t = 596881 k J / k m o l   C 3 H 8

Então, a taxa de transferência de calor para uma vazão mássica de 0,01941 kg / s para o propano se torna

Q ˙ o u t = N ˙ Q o u t = m ˙ M Q o u t = 263.3 k W

Resposta

Q ˙ o u t = 263.3 k W

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