Análise do rendimento da combustão

Para analisar o processo de combustão, optou-se por dividi-lo, concetualmente, em dois momentos (espaços): a fornalha (local onde o combustível é queimado e de onde saem os produtos de combustão) e o permutador de calor (local onde o calor da corrente dos gases de combustão é utilizado para aquecer um fluido, como água, vapor ou ar) (Quaak et al., 1999). Na Figura 6.3, apresenta-se um esquema do balanço de massa no processo de combustão, estando representados os dois espaços mencionados anteriormente.

Figura.6.3 - Representação esquemática do processo de combustão nos dois momentos: fornalha e permutador de calor (Quaak et al., 1999; Silva 2018; Braga 2019).

6.4.1 Fornalha

A fornalha é espaço onde ocorre a queima propriamente dita e onde têm origem os produtos de combustão. Alberga também a câmara de combustão, no qual se desenvolve a chama e se completa a combustão. De uma forma geral, a fornalha deve evaporar as substâncias voláteis do combustível, elevar a temperatura do combustível até à combustão, proporcionar a condição ideal para uma combustão completa, criando turbulência para misturar o ar e o combustível, e impedir a troca de calor entre os gases quentes de combustão e o ambiente. Deste modo, as paredes interiores da fornalha têm de suportar altas temperaturas, apresentar elevada resistência ao choque térmico, reduzida dilatação térmica e devem ser revestidas com uma camada de tijolos refratários, responsáveis por reter o calor no interior da fornalha (Nogueira et al., 2005).

A alimentação da fornalha consiste no combustível (neste caso os briquetes aditivados de biomassa) e no comburente (ar atmosférico), como é possível visualizar na Figura 6.3.1. Durante a combustão, as ligações químicas do combustível são quebradas e, consequentemente, liberta-se energia térmica, ficando esta disponível na corrente dos gases quentes de combustão, Figura 6.3.

A energia contida no combustível que não foi transferida para a corrente de gases de combustão, na forma de energia térmica, é, deste modo, perdida. Estas perdas englobam:

• As cinzas voláteis, partículas de pequenas dimensões que são arrastadas pela corrente de gases de combustão, passando através do permutador de calor, sem que a sua energia térmica seja utilizada;

• Partículas não queimadas nas cinzas, partículas de maiores dimensões que ficam no fundo da fornalha, cuja energia química armazenada não é libertada;

• os compostos não queimados na corrente de gases, como o monóxido de carbono, cuja energia química armazenada é armazenada durante a combustão;

• as perdas para o ambiente, nomeadamente as perdas por radiação e convecção (Quaak et al., 1999).

Relativamente à fornalha, é possível calcular o rendimento da combustão 𝜂_*&+,, recorrendo à equação 6.4.

𝜂"#$%=

energia térmica disponível na corrente de gases quentes de combustão

energia química na biomassa _(6.4)

Os valores típicos dos rendimentos térmicos da combustão, baseados no PCI do combustível, encontram-se no intervalo entre 65 % e 99 %, para caldeiras bem isoladas com sistemas de combustão sofisticados (Quaak et al., 1999; Silva, 2018). Este rendimento é fortemente dependente da reação ser ou não completa e das perdas existentes na fornalha. A energia térmica disponível para a transferência de calor com o outro fluido (água) é tanto maior quanto maior for a sua temperatura. No permutador de calor, a energia térmica disponível nos gases quentes de combustão é então transferida

as temperaturas é diretamente proporcional à quantidade de calor que foi transferida para a água (Quaak et al., 1999).

6.4.2 Permutador de calor

O aproveitamento energético dos gases quentes provenientes da combustão da biomassa no aquecimento da água que alimenta a caldeira é feito no permutador. A energia térmica disponível para a transferência de calor com o outro fluido (água) é tanto maior quanto maior for a sua temperatura. No permutador de calor, a energia térmica disponível nos gases quentes de combustão é então transferida para a água, aquecendo-a. Deste modo, a saída do permutador corresponde à corrente dos gases de combustão à temperatura de exaustão na chaminé, sendo que a diferença entre as temperaturas é diretamente proporcional à quantidade de calor que foi transferida para a água (Quaak et al., 1999).

O rendimento da transferência de calor 𝜂_A< é calculado pela equação 6.5.

𝜂&'=

energia térmica disponível na água

energia térmica disponível na corrente de gases de combustão (6.5)

Na prática, calcula-se normalmente um outro rendimento, o rendimento térmico 𝜂_%, através da equação 6.6,

𝜂(= 𝜂"#$%∙ 𝜂&'=

energia térmica disponível na água

energia química na biomassa (6.6)

No entanto, é possível calcular um valor aproximado da temperatura dos gases de combustão imediatamente antes da transferência de calor para a água, desprezando todas as perdas de calor para o exterior, considerando assim a fornalha num sistema adiabático. Deste modo, a temperatura dos produtos da combustão a calcular designa-se temperatura adiabática de chama e é definida como a temperatura máxima que os produtos podem atingir nesta reação (Pinho, 2011).

Neste caso, como não há calor trocado durante a combustão (nem trocas de trabalho), recorrendo à primeira Lei da Termodinâmica, a entalpia do sistema permanece constante, como é possível verificar na Figura 6.4 pela representação do processo 1 – 2 numa linha horizontal.

Figura 6.4 - Combustão adiabática a pressão constante (Pinho 2011).

Deste modo, o balanço de energia pode-se escrever segundo a equação 6.7

𝑄

F ? = 𝐻$?− 𝐻)F= (𝐻$?− 𝐻$@) + (𝐻$@− 𝐻)@) + (𝐻)@− 𝐻)F) ⇔

⇔ 0 = 𝐻$?− 𝐻)F= (𝐻$?− 𝐻$@) + (𝐻$@− 𝐻)@) + (𝐻)@− 𝐻)F)

(6.7)

onde 𝐻_$? é a entalpia dos produtos no estado 2, 𝐻_$@ é a entalpia dos produtos no estado de referência 0, 𝐻_)F é a entalpia dos reagentes no estado 1 e 𝐻_)@ é a entalpia dos reagentes no estado de referência 0.

Esta última equação pode ser aproximada, considerando regime permanente e que os reagentes e os produtos são misturas de gases perfeitos, resultando na equação 6.8,

[ 𝑚̇$!\𝑐̃$)*_(𝑇?− 𝑇@)

!

+ 𝑚̇*&+,Δℎ@+ [ 𝑚̇)!\𝑐̃$+*_(𝑇@− 𝑇F)

!

= 0 _(6.8)

onde 𝑚̇_*&+, é o caudal mássico de combustível, 𝑚̇_)! é o caudal mássico do reagente 𝑖, 𝑚̇_$! é o caudal mássico do produto 𝑖, 𝑐̃_$+* é o calor específico mássico do reagente 𝑖 a pressão constante à temperatura média (entre 𝑇_@ e 𝑇_F), 𝑐̃_$)* é o calor específico mássico