O Poder Calorífico Inferior

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Máquinas Térmicas Engenharia Mecânica

Aula 403 – Poder calorífico inferior

A parte principal de combustíveis orgânicos usados em Motores de Combustão Interna (MCI) é hidrocarbonetos que têm grandes poderes caloríficos. Vapores dos hidrocarbonetos de combustíveis facilmente misturam-se com o ar formando uma mistura combustível. Combustíveis derivados de petróleo apresentam uma mistura mecânica de vários hidrocarbonetos. A composição de combustíveis geralmente é apresentada por massa elementar de trabalho: Ct + Ht + Ot + Nt + St + At + Wt = 100%, onde Ct, Ht, Ot Nt, St, At, e Wt são porcentagens de carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, enxofre, cinzas e humildade do combustível correspondentemente.

Uma característica mais importante de qualquer combustível é o poder calorífico que é a quantidade do calor que se liberta durante a combustão completa do combustível. O poder calorífico é medido em Joule (J, kJ, MJ) por quilograma de combustíveis líquidos ou por metro cúbico de combustíveis gasosos, pois em MJ/kg ou MJ/m3.

O valor do poder calorífico depende de composição química do combustível. O poder calorífico é determinado de experiência de combustíveis líquidos em um banco especial que se chama bomba calorimétrica em que o combustível é queimado no meio do oxigênio puro, de combustíveis gasosos em um calorímetro.

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Calorímetro

Na bomba calorimétrica é determinado a chamado o poder calorífico superior Hsup. O valor do poder calorífico superior inclui um calor de condensação do vapor da água formado pela combustão do hidrogênio e pela umidade contida no combustível. Em MCI gases de escape têm a temperatura maior de que a de condensação do vapor da água e por isso este calor de condensação não se aproveita. Em cálculos térmicos dos MCI é usado poder calorífico inferior Hin, que não inclui o calor de condensação de vapor da água. Entre poder calorífico superior e inferior há uma correlação:

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onde: H e W - porcentagem mássica do hidrogênio e da umidade em combustível líquido. A maiorias dos motores consomem combustíveis líquidos provenientes do petróleo, isto é: gasolina, óleo diesel (simplesmente diesel), óleo combustível para motores Diesel de grande potência que são usados em viaturas pesadas e navios e, também, é usado o etanol. Nos últimos tempos, cada vez mais, são usados combustíveis gasosos, gás comprimido (GNV) e liquefeito (GLP) que são mais ecológicos.

Um combustível líquido derivado do petróleo, pela massa é composto em geral de carbono C, hidrogênio - H e pequenas quantidades de enxofre - S, oxigênio - O e nitrogênio - N. A Tabela abaixo apresenta a composições típicas e alguns parâmetros de combustíveis derivados do petróleo.

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Sabendo a composição elementar de um combustível derivado do petróleo é possível calcular poder calorífico inferior do combustível - Hin pela equação empírica de D.I. Mendeleev:

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Nota: coeficientes numéricos em Eq. (1.2) não são poderes caloríficos de respectivos elementos químicos.

Comparando os poderes caloríficos da gasolina e do diesel vemos que o primeiro é maior por que tem maior teor de hidrogênio. Há de notar que coeficientes numéricos que figuram na equação acima não são poderes caloríficos dos elementos químicos presentes nesta equação.

Exemplo: A composição de massa de trabalho de um diesel é seguinte: Ct=88,4%, Ht=10,4%, St=0,4%, Nt=0,5%. Pede-se para calcular o poder calorífico inferior do diesel.

Solução

Usando a correlação de Mendeleev, tem-se:

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Exemplo: A composição de massa de trabalho de gasolina pura (sem etanol) é seguinte: Ct=86,67%, Ht=13,26%, St=0,07%. Pede-se para calcular o poder calorífico inferior do diesel.

Solução

Usando a correlação de Mendeleev, tem-se:

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Os combustíveis líquidos, não derivados de petróleo, são o etanol etílico C2H5OH (etanol ou simplesmente etanol) e óleos vegetais. No Brasil, devido a sua posição favorável geográfica, há grandes possibilidades de produção do etanol e biocombustíveis a partir da massa orgânica. É mais importante, que o etanol e biocombustíveis são combustíveis renováveis, que apesar de longe caminho de reprodução, na realidade são produtos transformados da energia solar. Muitos países, dependentes de importação de petróleo, adicionam certas quantidades do etanol à gasolina e ao diesel, formando uma mistura mecânica homogênea.