Balanço energético em geradores de vapor CVP

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Aula 05 – 11/05/2016
Prof. Me. Paulo Henrique Neves Pimenta
(2016.1M – 27h)
1- Uma caldeira queimando metanol é usada na produção de vapor. O metanol
entra na caldeira com temperatura e pressão respectivamente iguais a 25°C e
0,1 MPa, já o ar é pré-aquecido, até a temperatura de 400 K, na saída do
equipamento a temperatura dos gases de combustão é de 600°C. A água entra
na caldeira com temperatura e pressão, respectivamente, de 20 °C e 20 MPa e
sai a uma temperatura de 500°C. Sabendo-se que o rendimento da caldeira é
de 85%. Considerando o ar teórico e uma reação estequiométrica. Determine:
a) A quantidade de calor por kg de água que deve ser transferida para a água?
b) A razão entre as massas de ar e combustível
c) A razão entre as vazões mássicas de metanol e água.
d) Se a vazão de água fosse de 25 kg/s, qual seria o consumo de combustível?
a) Análise da água
𝑑𝑚∀.𝑐.
𝑑𝑡
= 𝑚𝑒 − 𝑚𝑠
𝑑𝐸∀.𝑐.
𝑑𝑡
= 𝑄∀.𝑐. − 𝑊∀.𝑐. + 𝑚𝑒 ℎ𝑒 +
1
2
𝑉𝑒
2 + 𝑔𝑍𝑒 − 𝑚𝑠 ℎ𝑠 +
1
2
𝑉𝑠
2 + 𝑔𝑍𝑠
𝑇𝑒 = 20℃
𝑃𝑒 = 20 MPa
ℎ𝑒 = 103,98 kJ/kg
𝑇𝑠 = 500 ℃
𝑃𝑠 = 20 MPa
ℎ𝑠 = 3 238,18 kJ/kgSaída
Entrada
𝑞água = 3 134,2 kJ/kg
b)
CH3OH + a O2 + 3,76 N2 → CO2 + 2H2O + 3,76aN2
CH3OH + 1,5 O2 + 3,76 N2 → CO2 + 2H2O + 5,64N2
𝐴𝐶𝑚á𝑠𝑠𝑖𝑐𝑎 =
𝑛𝑎𝑟𝑀𝑎𝑟
𝑛𝑐𝑜𝑚𝑏𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏
𝐴𝐶𝑚á𝑠𝑠𝑖𝑐𝑎 =
1,5 1 + 3,76 ∙ 28,97
1 ∙ 32,042
𝐴𝐶𝑚á𝑠𝑠𝑖𝑐𝑎 = 6,4555
kgar
kgmetanol
c)
CH3OH + 1,5 O2 + 3,76 N2 → CO2 + 2H2O + 5,64N2
 𝑞𝑉.𝐶 + 
𝑅
𝑛𝑒 ℎ𝑓
0 + ∆ ℎ
𝑒
= 𝑤𝑉.𝐶. + 
𝑃
𝑛𝑠 ℎ𝑓
0 + ∆ ℎ
𝑠
Reagentes:
Metanol: 
 ℎ𝑓
0 = −201 300 kJ/kmol
∆ ℎ = 0
Oxigênio: 
 ℎ𝑓
0 = 0
∆ ℎ = 3027 kj/kmol
Nitrogênio: 
 ℎ𝑓
0 = 0
∆ ℎ = 2971 kj/kmol
Produtos
Dióxido de carbono: 
 ℎ𝑓
0 = −393 522 kJ/kmol
∆ ℎ = 26 627,356 kj/kmol
Agua (vapor): 
 ℎ𝑓
0 = −241 826 kJ/kmol
∆ ℎ = 20 880, 4525 kj/kmol
Nitrogênio: 
 ℎ𝑓
0 = 0
∆ ℎ = 17 369,9755 kj/kmol
CH3OH + 1,5 O2 + 3,76 N2 → CO2 + 2H2O + 5,64N2
 𝑞𝑉.𝐶 + 
𝑅
𝑛𝑒 ℎ𝑓
0 + ∆ ℎ
𝑒
= 𝑤𝑉.𝐶. + 
𝑃
𝑛𝑠 ℎ𝑓
0 + ∆ ℎ
𝑠
 𝑞comb = 
𝑃
𝑛𝑠 ℎ𝑓
0 + ∆ ℎ
𝑠
− 
𝑅
𝑛𝑒 ℎ𝑓
0 + ∆ ℎ
𝑒
 𝑞comb = −530 816, 0172
kJ
kmolCH3OH
 𝑞comb = −530 816, 0172
kJ
kmolCH3OH
𝑞comb = −16 566,2573
kJ
kgCH3OH
−0,85 𝑄comb= 𝑄água
−0,85 𝑚comb𝑞comb = 𝑚água𝑞água
 𝑚comb
 𝑚água
=
𝑞água
−0,85𝑞comb
 𝑚CH3OH
 𝑚água
= 0,2226
kgCH3OH
kgágua
d) 
 𝑚CH3OH
 𝑚água
= 0,2226
kgCH3OH
kgágua
Se a vazão de água for 25 kg/s:
 𝑚CH3OH = 5,565 kg/s
2- Responda o exercício anterior considerando o ar poluído
composto por ( 77,3% de 𝑁2 + 20,5% 𝑑𝑒 𝑂2 + 0,1% 𝑑𝑒 𝐶𝑂2 +
2,1% 𝑑𝑒 𝐻2𝑂) ao invés do ar teórico