TRABALHO DE ESTEQUIOMETRIA DA COMBUSTÃO DA CALDEIRA

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NOME: ADRIANO FERNANDES DE BARROS 
TRABALHO: GERAÇÃO E DISTRIBUIÇÃO DE CALOR 
DATA: 11/11/2010 
 
CALDEIRA 
 Tipo: Fumo-tubular 
 Produção de vapor: 10000 kgf/h 
 Pressão do vapor saturado seco: 8 bar (pressão manométrica) 
 Água de alimentação: 18°C 
Perda nos gases de exaustão: 20% 
Perdas por radiação: 5% 
Perdas por descarga de fundo: 3% 
Excesso de ar de combustão: 35% 
Combustível: lenha de eucalipto seca 
Grelha: mecânica fixa (vibratória) 
 
PEDE-SE 
Determinar a estequiometria da combustão 
Volume de ar real da combustão 
Dimensionar a fornalha (volume) 
Dimensionar a grelha de combustão 
Dimensionar a chaminé para tiragem natural e induzida 
 
 
 
 
 
 
 
RENDIMENTO DA CALDEIRA 
Perdas: gases exaustão .......... 20% 
 radiação ...................... 5% 
 descarga de fundo ...... 3% 
Total de perdas: 28% 
ηcaldeira= 100% - 28% = 72% 
ηcaldeira = 72% 
 
COMBUSTÃO 
Lenha de eucalipto seca 
Carbono - 50,22% 
Hidrogênio - 6,29% 
Nitrogênio - 0,06% 
Oxigênio - 43,05% 
Cinza - 0,38% 
 
Composição de 1kg (1000g) de lenha seca 
Carbono - 502,2g 
Hidrogênio - 62,9g 
Nitrogênio - 0,6g 
Oxigênio - 430,5g 
Cinza - 3,3g 
TOTAL - 1000g 
 
Nº de moles do combustível 
n (C) = 502/12 = 41,85 moles 
n (H2) = 62,9/2 = 31,45 moles 
n (N2) = 0,6/28 = 0,02 moles 
n (O2) = 430,5/32 = 13,45 moles 
As reações estequiométricas pressupõem combustão completa 
Todo C a CO2 
Todo H a H2O 
Todo S a SO2 (não existe) 
 
C e H consumirão oxigênio para combustão, entretanto, existem 430,5g ou 
13,45moles de oxigênio em 1kg de lenha seca combinado com parte do hidrogênio 
 
O2 Teórico = O2 para combustão completa 
 O2 existente no combustível 
n O2 Teórico = nC + nH2/2 - nO2 combustível 
n O2 Teórico = 41,85 + 31,45/2 - 13,45 
n O2 Teórico = 44,125 moles 
 
“O ar contém aproximadamente 21% de oxigênio” 
100 moles de ar seco contém 21 moles de O2 
O2 Teórico = 44,125 moles 
n (ar seco) = 44,125/0,21≈ 210,12 moles 
Sabendo que 1 mol de gás em CNTP ocupa 22,4 litros, o volume de ar será: 
Var = 210,12 x 22,4 = 4.706,67 litros 
Var = 4,71 m³ 
Var Teórico = 4,71m³ ar / Kg lenha seca 
Considerando as condições do ar como 27ºC e 700mmHq, pode-se determinar o 
volume real do ar seco. 
 
P x V = n x R x T 
700 x V = 210,12 x 62,3 x (273 + 27) 
V = 5.610,2 Litros 
Var Teórico para combustão completa é de 5.610,2 litros 
 
Volume de ar real 
Admitindo 35% de excesso de ar 
Var real = 5.610,2 x 1,35 
Var real = 7,57m³ 
 
“O ar que entra na combustão deve sair pela chaminé.” 
 
DIMENSIONAMENTO DA FORNALHA 
 
Área da Grelha 
Volume da câmara de combustão 
 
Área da Grelha: Suporte do Combustível 
Existem valores tradicionais para a relação: consumo de combustível / área de 
suporte 
R = B/SG B=consumo de combustível (Kg/h) 
 SG = área suporte (m²) 
Lenha tiragem artificial = B/SG ≈ 150 a 300Kg/h/m² 
Consumo de combustível para produção de 10T Vapor/h 
p man 8 bar 
p Absoluta 9 bar ≈ 9Kgf/cm² 
Calor total = 662 Kcal/Kg → h = 662 kcal/kg 
Água que entra = 18ºC → h18ºC ≈ 18kcal/kg 
∆h = 662 – 18 = 644 kcal/kgde água para transformar vapor 
mágua = mvapor = 10000kg/h 
Q = m x ∆h = 10000 x 644 
Q = 6440000 kcal/h para transformar 10T de água em vapor 
 
COMBUSTÍVEL LENHA SECAPCS = 4000kcal/kg 
Peso do combustível = 6440000/4000 
Peso do combustível = 1610 kg/h 
 
Blenha = 1610 kg/h 
Para queima em grelha fixa: a eficiência da combustão em caldeira fumo tubular 
com excesso de ar 30% a 100%, varia de 70% a 80%. 
 
Admitindo-se eficiência da combustão 70% teremos um acréscimo de combustível 
de 30%. 
 
Breal = 1610 x 1,3 = 2093kg/h ≈ 2000kg/h 
Breal = 2000kg/h 
Adota-se o valor intermediário R = 225 kg/h/m² 
R = B/SG = 2000/225 = 8,89m² ≈ 9m² 
Área total da Grelha = 9m² 
Em grelhas planas a área de ar varia segundo o combustível de 15 a 35%. 
Usaremos 30% (maior área menor velocidade do ar, menor arraste de cinza melhor 
eficiência). 
Área do ar 9m² x 30% ≈ 2,7m² 
Área total da grelha 9m² 
Área total da grelha vazada 2,7m² 
 
Área mínima da grelha 
Sg = B/R = 2093/300 = 6,98m² ≈ 7m² 
 
Área máxima da grelha 
Sg = B/R = 2093/150 = 13,95m² ≈ 14m² 
 
 
VOLUME DA CÂMARA DE COMBUSTÃO 
Determinar pelo parâmetro: carga da fornalha 
K = B x PCI / V onde, B = consumo de combustível 
 PCI = poder calorífico inferior do combustível kcal/kg 
 V = volume da câmara de combustão 
K lenha – 150000 a 200000kcal/kg 
Lenha PCS ≈ PCI - 4000kcal/h/m³ 
V= (2093 x 4000) / 200000 = 41,86m³ 
Volume da câmara de combustão ≈ 42m³ 
 
Exemplo: 
Caldeira com tubos de 6m de comprimento 
Área da grelha 9m² - comprimento 6m e largura 1,5m 
Altura 42m³ / 9m² ≈ 4,7m 
Área da grelha 14m² 
Altura 42m³ / 14m² ≈ 3m 
 
DIMENSIONAMENTO DA CHAMINÉ 
Chaminé cilíndrica 
Quantidade de lenha queimada 2093kg/h 
Volume de ar real 7,57m³/kg de lenha 
Entrada dos gases de combustão da chaminé ≈ 300°C 
Velocidade média dos gases de combustão na chaminé, recomendada para 1 a 3 
caldeiras v ≈ 5m/s na chaminé 
 
Ar ambiente 
t = 27°C 
UR = 70% 
P = 700mmHg 
Tiragem ∆pt ≈ 3 a 5 mmH2O caldeiras antigas 
Tiragem absoluta ≈ 4mmH2O 
Volume dos gases da combustão 
Vg = 7,57 x 2093 = 15844m³/h 
Adotaremos um valor maior ≈ 50% para evitar saída de cinzas 
Vg real ≈ 15844 x 1,5 = 23766m³/h 
∆p tiragem ≈ 4mmH2O 
Chaminé em chapa λ ≈ 0,016 (coeficiente de atrito) 
 
DIÂMETRO DA CHAMINÉ 
Q = A . v 
A = 23766 / (5 x 3600) = 1,32m² 
A = (𝜋. D²)/4 = 1,3m 
D chaminé = 1,3m 
 
CÁLCULO DA ALTURA TEÓRICA DA CHAMINÉ 
Htc = 2 x ∆pt 
Htc = 2 x 4 = 8m 
 
CÁLCULO DO PESO ESPECÍFICO DO AR 
t = 27°C 
UR = 70% 
pa = 700mmHg ou 0,95kgf/cm² 
pst – pressão de saturação do vapor de água na temperatura de 27°C (tabelado) 
ps 27°C =0,037kgf/cm² 
ρar = 1,293 x [273 / (273 + t )] x[ pa – (3/8 x UR x pst) ] / po 
ρar = 1,293 x [273 / (273 + 27 )] x {[ 0,95 – (3/8 x 0,7 x 0,037) ] / 1,033} 
ρar = 1,072kgf/m³ 
 
CÁLCULO DA TEMPERATURA MÉDIA DOS GASES 
tmg = tgb – (0,3 x Htc) 
tmg = 300 – (0,3 x 8) 
tmg = 297,6°C ou 570,6K 
 
CÁLCULO DO PESO ESPECÍFICO MÉDIO DOS GASES DA COMBUSTÃO 
ρmg = (ts / tmg) x (pb / 760) 
ρmg = (365 / 570,6) x ( 700 / 760) 
ρmg = 0,589kgf/m³ 
 
CÁLCULO DA ALTURA REAL DA CHAMINÉ 
Hrc = [∆p / (ρar - ρmg)] + [ρmg / (ρar - ρmg)] x (v² / 2g) x {1 +[ λ x (H / Dm)]} 
Hrc = {[4 / (1,072 – 0,589)] + [0,589 / (1,072 – 0,589)]} x (5² / 2.9,81) x {1 +[ 0.016 x (8 
/ 1,3)]} 
Hrc = 13,18m