Há ao menos duas formas de se descrever o desempenho térmico de um forno, utilizando a porcentagem de calor disponível ou a temperatura de chama adiabática
Há ao menos duas formas de se descrever o desempenho térmico de um forno. Utilizando a porcentagem de calor disponível [1], que indica a eficiência térmica, ou a temperatura de chama adiabática [2], que indica a intensidade de transferência de calor. Ambos os fatores podem ser utilizados para indicar a produtividade do forno.Os cálculos para o balanço do sistema com pré-aquecimento do ar são mais complexos do que para o enriquecimento por oxigênio devido à presença de um fluxo de reciclagem e da adição de um recuperador de calor. A ferramenta Atingir Meta do Excel (Excel´s Goal Seek) não é capaz de resolver o conjunto de equações para este exemplo. Em vez disso, vamos precisar utilizar a ferramenta Solver do Excel.
O calor de combustão inicialmente se mostra como um calor sensível aos produtos da combustão. A temperatura de chama adiabática (TCA) é a mais alta temperatura atingida pela chama antes que qualquer calor apreciável tenha sido transferido para a carga. O calor é transferido do gás de combustão para a carga principalmente por radiação, a qual é proporcional à quarta potência da temperatura [3].
Claramente, quanto mais alta a TCA, mais efetiva a chama será na transferência de calor para o conteúdo do forno. A TCA calculada nunca é atingida na prática, mas tem uma aproximação muito boa quando a combustão é rápida e a chama não colide diretamente no conteúdo ou paredes do forno. A TCA é utilizada principalmente para comparar mudanças na intensidade térmica para diferentes parâmetros de combustão (ou seja, tipo de combustível, % de ar em excesso, enriquecimento em oxigênio etc). Aqui, mostraremos como calcular a TCA para o metano (CH4) queimado com 40% de ar em excesso.
Procedimentos de Cálculo
A Fig. 1 mostra os três passos para calcular uma TCA. Por favor, faça o download da planilha AFT-Calc.xlsx, a qual tem detalhes deste exemplo e lida com diversos combustíveis e variáveis porcentagens de ar em excesso. O efeito do calor nos passos 1 e 2 são facilmente calculáveis utilizando-se as técnicas apresentadas nas colunas anteriores [4,5]. Entretanto, é necessário um procedimento diferente para o efeito do calor no passo 3. Para ilustrar, mostraremos o cálculo da TCA quando o ar entra a 38°C e o metano entra a 20°C.
A Tabela 1 mostra os dados relevantes de entalpia obtidos do FREED [6]. A Tabela 2 mostra a quantidade de reagentes e produtos [1]. Quando os reagentes entram com temperatura entre 0 e 100°C, podemos utilizar o Cp em vez das equações quadráticas de entalpia. Para o ar normal, Cp = 29,16 J/g.mol.°C, e para o CH4, o Cp = 36,0 J/g.mol.°C.
As Equações 1a e 1b mostram o efeito do calor no passo 1, e a Equação 2 é o DeltaH0comb para o metano (passo 2). A soma algébrica destes dois termos deve ser igual ao valor do passo 3 (+807.200 J), que é o HTCA – H25 do gás de combustão.
A equação de calor contido para cada espécie da Tabela 1 foi multiplicada pela quantidade de espécies (Tabela 2). A Equação 3 mostra a soma dos termos combinados a partir do zero. A fórmula quadrática [7] foi utilizada para calcular a TCA.
A planilha www.industrialheating.com/AFT-Calc.xlsx faz todos estes cálculos aritméticos e mais, e você pode customizá-la para a sua própria situação.
Equilíbrio da TCA Teórica x Real
A TCA calculada na Equação 3 é chamada de TCA teórica porque assume que os produtos da combustão são inteiramente CO2 e H2O. Acima de 1650°C, entretanto, há uma perda significativa na proporcionalidade deste equilíbrio de CO2 e H2O para outros gases, além da formação de NO (g). A planilha mostra a diferença entre a TCA teórica e a real. Este será assunto de um artigo posterior.
Referências
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[1] Arthur Morris, “Available Combustion Heat,” Industrial Heating, May 2013.
[2] Wikipedia contributors, “Adiabatic flame temperature,” Wikipedia, the Free Encyclopedia, March 2013 http://en.wikipedia.org/wiki/Adiabatic_flame_temperature.
[3] Wikipedia contributors, “Thermal radiation,” Wikipedia, the Free Encyclopedia, March 2013. http://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_radiation.
[4] Arthur Morris, “Calculating the Heat of Combustion of Natural Gas,” Industrial Heating, September 2012.
[5] Arthur Morris, “Making a Heat Balance,” Industrial Heating, December 2012.
[6] www.thermart.net.
[7] Wikipedia contributors, “Quadratic equation,” Wikipedia, the Free Encyclopedia, March 2013. http://en.wikipedia.org/wiki/Quadratic_equation.
