EER0013 Aula 17 Balanço Energético em Caldeiras

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Universidade Federal da Integração Latino-Americana
Instituto Latino-Americano de Tecnologia, Território e Infraestrutura
Engenharia de Energia
Prof. Fabyo Luiz Pereira
fabyo.pereira@unila.edu.br
UNILA – ILATTI – EE Foz do Iguaçu / PR
Aula 17 – Balanço Energético em Caldeiras
EER0013 – Máquinas Térmicas
EER0013 – Máquinas Térmicas 2 / 15
Tópicos da Aula
● Balanço Energético em Caldeiras:
● Energia fornecida.
● Energia disponível.
● Energia útil.
● Energia perdida:
● Gases de combustão secos.
● Umidade presente nos gases de combustão.
● Combustão parcial.
● Cinzas.
● Purgas e vapor de nebulização.
● Fluxo de energia pelas fronteiras do equipamento.
● Taxa de evaporação e rendimento térmico.
● Controle da combustão.
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Energia Fornecida e Energia Disponível
● Cálculo da Energia Fornecida e da Energia disponível:
● Análise energética Fundamental para um bom controle do equipamento e →
melhor aproveitamento da energia.
● Comportamento térmico de qualquer sistema:
● Equação da continuidade e 1a lei da termodinâmica OK!→
● 2a lei da termodinâmica Identifcam-se o tipo e a magnitude das perdas.→
● Geralmente é difícil:
● Identifcar com precisão todos os
fluxos de massa que cruzam a
fronteira do equipamento.
● Determinar o fluxo de calor perdido
para o meio ambiente pelas paredes
do equipamento.
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● A avaliação energética na câmara de combustão deve considerar:
● Energia liberada pela combustão.
● Energia associada aos fluxos de massa do combustível e do ar de combustão.
● Energia associada à umidade do ar, vapor de nebulização e outros fluxos.
● Fluxos de energia:
● Fluxo de energia fornecido à fornalha:
● Fluxo de energia disponível na fornalha:
● Energias específcas (por unidade de massa):
● Energia específca fornecida à fornalha:
● Energia específca disponível na fornalha:
q˙ f=m˙cb (PCS+Δhcb)+m˙ar(Δhar+warΔ hvp )+ ...
q˙d=m˙cb(PCI+Δhcb)+m˙ar(Δ har+warΔ hvp)+...
q f=(PCS+Δ hcb)+mar (Δ har+warΔ hvp)+...
qd=(PCI+Δ hcb )+mar (Δ har+war Δhvp)+...
Energia Fornecida e Energia Disponível
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Energia Útil
● Cálculo da Energia Útil:
● Energia útil é a parcela de energia realmente absorvida pela água no interior da 
caldeira, e é calculada com base na energia absorvida:
● Pelo economizador.
● No processo de mudança de fase da água.
● Pelos superaquecedores e reaquecedores.
● Energia residual absorvida no aquecedor de ar Já associada ao fluxo de ar.→
● O fluxo de energia útil pode ser determinado por:
● O fluxo de vapor não é igual ao fluxo de água de alimentação, pois:
● Se a caldeira produz apenas vapor saturado, a entalpia de saída da água é 
determinada por:
q˙u=m˙v (hv−ha)
m˙ v=m˙a−m˙pg−m˙n
hv=(1−x )hl+x hv ou hv=hl+ x hlv
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Energia Útil
● Problema:
● Poucas instalações operam em regime permanente.
● Assim, os seguintes parâmetros variam constantemente:
● O fluxo de vapor.
● A pressão de trabalho.
● O título.
● Logo, é difícil determinar o fluxo de vapor.
● Solução:
● Calcula-se o fluxo de energia útil por uma das seguintes diferenças:
● Entre o fluxo de energia fornecida e o fluxo de energia perdido:
● Entre o fluxo de energia disponível e o fluxo de energia perdido:
q˙u=q˙ f−q˙ p
q˙u=q˙d−q˙ p
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Energia Perdida
● Cálculo da Energia Perdida:
● Determinar as perdas é essencial na investigação do comportamento térmico 
das caldeiras.
● A energia total perdida é dada pela soma das perdas parciais:
● Gases de combustão secos (CO2, SO2, N2, O2, …).
● Umidade presente nos gases de combustão (H2O).
● Combustão parcial (carbono incombusto).
● Cinzas (saem quentes).
● Purgas e vapor de nebulização.
● Fluxo de energia pelas fronteiras do equipamento (pelo isolamento).
● Em condições de combustão total, as perdas com as cinzas, purgas, vapor de 
nebulização e pelas paredes do equipamento representam menos de 2% da 
energia total disponível na fornalha.
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Energia Perdida
● Perda de Calor pelos Gases de Combustão Secos:
● Representa a maior parcela de perdas e deve ser calculada considerando a 
energia associada aos gases CO2, SO2, N2 e O2:
● Alternativamente, pode-se calcular a energia específca perdida pelos gases 
de combustão secos:
● Simplifcadamente, para cálculos que não exijam grande grau de precisão:
● Fluxo de energia perdido pelos gases de combustão secos:
● Energia específca perdida pelos gases de combustão secos:
● A temperatura dos gases na chaminé varia de 120 a 300oC.
q˙gs=m˙cb (qCO 2+qSO 2+qN 2+qO2)
qgs=
44
12
xm
C ΔhCO 2+2 xm
S ΔhSO2+(0,7685mar
* + xm
N )ΔhN 2+(e−1)m ar
* Δhar
qgs≈mgsc par (T g−T
*)
q˙gs≈m˙ cbmgs c par (T g−T
*)
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Energia Perdida
● Perda de Calor com a Umidade dos Gases de Combustão:
● O fluxo de calor perdido com a umidade dos gases de combustão pode ser 
determinado considerando a energia associada à água formada na 
combustão do hidrogênio do combustível, umidade do próprio combustível, 
vapor de nebulização, umidade do ar de combustão e vapor consumido por 
sopradores de fuligem:
● A energia específca perdida com a umidade dos gases de combustão é 
determinada por:
● As equações acima estão de acordo se o fluxo de energia fornecido for 
calculado com base no PCS. Caso se faça o cálculo usando o PCI, as equações 
acima devem ser modifcadas.
q˙v=m˙cb(qHcb+qwcb+qvn+qwar+qvsf )
qv=(9 xm
H+xm
W+vn+war e mar
* +v sf )Δ hvp+...+2440 (vn+v sf )+2440(xm
H+xm
W )
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Energia Perdida
● Perda de Calor com as Cinzas:
● Deverá ser calculada de acordo com as temperaturas medidas em cada local 
de extração.
● Pode-se determinar essa perda de calor usando as equações abaixo:
● Fluxo de energia perdido pelas cinzas:
● Energia específca perdida pelas cinzas:
q˙cz=xm
Cz m˙ cbΔhcz
qcz=xm
CzΔhcz
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Energia Perdida
● Perda de Calor por Combustão Parcial:
● Queimadores mal operados podem gerar presença de CO ou fuligem nos 
gases de combustão.
● Fornalhas de combustíveis sólidos apresentam considerável teor de Cnq nas 
cinzas.
● É importante avaliar o quanto ela representa no balanço geral medindo:
● A concentração de CO na base da chaminé.
● O conteúdo de carbono incombusto arrastado para o cinzeiro (Cnq).
● Pode-se determinar essa perda de calor usando as equações abaixo:
● Fluxo de energia perdido pela combustão parcial:
● Energia específca perdida pela combustão parcial:
q˙cp=m˙cb (qCnq+qCO)
qcp=xm
Cnq(33900+Δhc )+126V gs%CO
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Energia Perdida
● Perda de Calor com as Purgas:
● Normalmente é muito pequena, e depende do operador da caldeira.
● A quantidade de água purgada pode ser estimada sabendo a frequência e o 
tempo de cada drenagem. Em termos médios:
● Fluxo de energia perdido pelas purgas:
● Energia específca perdida pelas purgas:
q˙ pg=m˙pg(hl−ha)
q pg=
m˙ pg
m˙cb
(hl−ha)
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Energia Perdida
● Perda de Calor pelas Fronteiras do Equipamento:
● As perdas por radiação e convecção são calculadas com base em equações 
mais complexas, para cada caso em particular, de acordo com formulações 
disponíveis em bibliografas específcas.
● Para cálculos aproximados, estas perdas correspondem:
● Para caldeiras médias/grandes:
● De 0,5 a 1,0% do calor total disponível.
● Para caldeiras pequenas:
● De 1,0 a 3,0% do calor total disponível.
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Taxa de Evaporação e Rendimento Térmico
● Taxa de Evaporação e Rendimento Térmico:
● A taxa de evaporação é a quantidade de vapor gerado por kg de combustível:
● O rendimento térmico representaa fração da energia realmente aproveitada do 
total de energia investida no equipamento.
● Pode ser referenciado ao PCI (energia disponível) ou ao PCS (energia fornecida).
● O rendimento da caldeira é dado por:
● De acordo com o PCI:
● Cálculos aproximados desconsideram a energia associada aos fluxos de 
combustível e do ar de combustão. Tomando por referência o PCI, tem-se:
m v=
m˙ v
m˙cb
η=
q˙u
q˙d
ou η=1−
q˙ p
q˙d
η=
q˙u
q˙ f
ou η=1−
q˙ p
q˙ f
η=
m˙ v (hv−ha)
m˙ cb PCI
● De acordo com o PCS:
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Controle da Combustão
● Controle da Combustão:
● Indispensável para manter um bom rendimento térmico.
● Para minimizar as perdas de calor, pode-se adotar as seguintes medidas:
● Queimar adequadamente o combustível, com um mínimo excesso de ar.
● Usar queimadores modernos ou fornalhas apropriadas ao combustível.
● Incluir recuperadores de calor ou adotar medidas de melhoramento térmico.
● Operar a níveis compatíveis com a carga do equipamento.
● Usar água tratada, evitando a formação de depósitos ou incrustações.
● Instrumentar e manter pessoal treinado para levantar dados e detectar 
alterações no funcionamento normal do equipamento.
● Exemplo 13.1 (pg 172).
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