Enunciado

Em um processo de combustão, n-octano ( C 8 H 18 ) é queimado no combustor de pressão constante de um motor de avião com 70% de excesso de ar. O ar entra nesse combustor a 600 kPa e 327 °C, o combustível líquido é injetado a 25 °C e os produtos de combustão saem a 600 kPa e 1.227 °C. Determine a geração de entropia e destruição da exergia por unidade de massa de combustível durante esse processo de combustão. Considere T 0 = 25 º C

Passo 1

Vamos assumir que:

A combustão está completa.

Existem condições operacionais estáveis.

O ar e os gases de combustão são gases ideais.

Mudanças nas energias cinética e potencial são insignificantes.

Sabemos que as massas molares de C 8 H 18 e ar são 114 kg/kmol e 29 kg/kmol, respectivamente (Tabela A-1).

Passo 2

O combustível é queimado completamente com o excesso de ar e, portanto, os produtos contêm apenas C O 2 ,   H 2 O ,   N 2 e um pouco de O 2 livre. Considerando 1 kmol C 8 H 18 , a equação de combustão pode ser escrita como:

C 8 H 18 ( l ) + 1.7 a t h ( O 2 + 3.76 N 2 ) → 8 C O 2 + 9 H 2 O + 0.7 a t h O 2 + 1.7 × 3.76 a t h N 2

onde a t h é o coeficiente estequiométrico e é determinado a partir do balanço de O 2 :

1.7 a t h = 8 + 4.5 + 0.7 a t h → a t h = 12.5

Então,

C 8 H 18 ( l ) + 21.25 ( O 2 + 3.76   N 2 ) → 8 C O 2 + 9 H 2 O + 8.75 O 2 + 79.9 N 2

Passo 3

Sob condições de fluxo constante, o balanço do sistema de balanço energético E e n t - E s a í d a   = Δ E s i s t e m a aplicado na câmara de combustão com W = 0 se reduz a:

- Q s a í d a   = ∑ N p ( h ̄ ° f + h ̄ - h ̄ ° ) P - ∑ N R ( h ̄ ° f + h ̄ - h ̄ ° ) R

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

portanto:

- Q s a í d a =   - 1,631,335   k J / k m o l   d e   C 8 H 18

A geração de entropia durante esse processo é determinada a partir de:

S g e r = S P - S R + Q s a í d a T s u r r = ∑ N P S ̄ P - ∑ N R S ̄ R + Q s a í d a T s u r r

Os valores de entropia listados nas tabelas de gás ideais são para pressão de 1 atm. Os gases do ar e do produto estão a uma pressão total de P m = 600 k P a ( 600 / 101325 = 5.92   a t m ) , mas as entropias devem ser calculadas à pressão parcial dos componentes que é igual a P i = y i P t o t a l , onde y i é a fração molar do componente i. Então,

S i = N i s ̄ i ( T , P i ) = N i ( S ̄ ° i ( T , P 0 ) - R u l n ( y i P m ) )

Passo 4

Os cálculos de entropia podem ser apresentados em forma de tabela como

portanto,

S g e r = S P - S R + Q s a í d a T s u r r = 9658.1   k J / K   p o r   k m o l   d e   C 8 H 18

A destruição da exergia é:

X d e s t = T 0 S g e r = 2,878,114   k J / K   p o r   k m o l   d e   C 8 H 18

A geração de entropia e destruição de exergia por unidade de massa de combustível são

S g e r = S ̄ g e r M c o m b u s t í v e l = 84.72   k J / K . k g   C 8 H 18

X d e s t = X d e s t ̄ M c o m b u s t í v e l = 25,250   k J / k g   C 8 H 18

Resposta

S g e r = 84.72   k J / K . k g   C 8 H 18

X d e s t = 25,250   k J / k g   C 8 H 18

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