Máquinas Térmicas - Exercicios

Prévia do material em texto

MÁQUINAS TÉRMICAS
Engenharia Mecânica
EQUIPE 6
Bruno Marcelo
Cândido Matheus
Cassia Kimberly
Cristiano Lima
Dario Vale
Rogerio Barros
Vitoria Izel
Manaus, AM
7° PERÍODO 
Os cálculos da eficiência energética nos Geradores de Vapor.
Professor: João Evangelista Neto
Determinar o balanço térmico e energético nos Geradores de Vapor flamotubulares.
Exercício 1
Um Gerador de Vapor flamotubular gera 2 t/h de vapor saturado com uma pressão de 25 bar. A água de alimentação entra no GV a 50 ºC e a temperatura de saída dos gases é de 350 ºC. O combustível utilizado é o Óleo combustível médio e é aquecido até 120 ºC e têm um VCI de 9500 kcal/kg, utilizando uma Relação Ar/Combustível 14,5 : 1 para a combustão com um excesso de ar do 12 %, obtendo uma Composição dos gases de escape de SO2 (10 %). CO2 (10 %), H2O (5 %), CO (3 %). As perdas estimadas (exceto gases da chaminé) são do 5 %. As purgas efetuadas no GV são do 2 % do água de alimentação. O ar têm uma temperatura de 30 ºC.
a) Calcular o rendimento térmico da caldeira.
b) A adição de um recuperador de calor, baixando a temperatura dos gases da chaminé para 260 ºC, através do pré-aquecimento do ar de combustão até 60 ºC, deve proporcionar economia de combustível?.
Dados:
Gerador de Vapor flamotubular, gerando Vapor saturado
mVS = 2 t/h = 2000 kg/h
pVS = 25 bar.
Taa = 50 ºC
Tge = 350 ºC
SO2 (10 %). CO2 (10 %), H2O (5 %), CO ( 3 %)
Óleo combustível Médio
Tcom = 120 ºC
VCI = 9500 kcal/kg. 
Relação Ar/Combustível 14,5 : 1 com um λ = 1,12 %
TAr = 30 ºC
∑Perdas = 5 %
mp = 0,02 maa
η = ?
A adição de um recuperador de calor, baixando a Tge = 260 ºC, através do pré-aquecimento do ar de combustão até os 60 ºC, deve proporcionar economia de combustível?.
Solução do exercício - Indireto
Para óleo combustível:
Rápido, K = 0,56
Médio, K = 0,58
Pesado, K = 0,59
Óleo combustível médio
CO2(10%)
CO(3%)
Tge=350°C
Tar=30°C
 ∑Perdas = 5 %
Solução do exercício - Direto
0
0
Solução do exercício – Coleta das entalpias 
hsat = f (pVS, Vapor saturado) = 2803,1 kJ/kg
haa = f (Taa, Líq. resfriado) = 209,33 kJ/kg
hp = f (pVS, Líq. saturado) = 962,11 kJ/kg
TV.sat = TL.sat = f (pvs, Vapor saturado) = 223,99 ºC
Pvs 25bar = 2,5 MPA
Taa= 50°C
Solução do exercício - Direto
B (comb.)
mAr (ar)
mgc (gases)
maa (água)
mp (purga)
mVS (vapor Sat.)
GV
Para a água
Mp= 0,02maa
Mvs=2000kg/h
Solução do exercício - Direto
Qu = 2000(2803,1-209,33) + 40,82 (962,11-209,33)
Qu = 5218268,48 Kg/h
Mva = 2000Kg/h
Pvs=hvs= 2803,1Kj/kg
Pvs=hvl= 962,11Kj/kg
Taa=hls = 209,33Kj/kg
Mp = 40,82Kg/h
VCI = 9500Kcal/kg (39773,65Kj/kg)
Tcom = 120°C
Qd = VCI + Qfc + Qva + Qa
Qd = VCI + ( 1,738 + 0,0025 * Tc) Tc
Qd = 39773,65 + (1,738 + 0,0025 * 120 ) * 120
Qd = 40018,21 Kj/kg
0
0
VCI – valor ou poder calórico inferior do combustível (kJ/kg)
Qfc – calor produto ao aquecimento do combustível (kJ/kg)
Qva – calor introduzido com o vapor de atomização (kJ/kg)
Qa – calor produto com aquecimento do ar (kJ/kg)
 5218268,48 * 100
80,72 *40018,21
B = 161,54 kg/h
n = 80,72 %
Solução do exercício
A adição de um recuperador de calor, baixando a temperatura dos gases da chaminé para 260 ºC, através do pré-aquecimento do ar de combustão até 60 ºC, deve proporcionar economia de combustível?.
Para óleo combustível:
Rápido, K = 0,56
Médio, K = 0,58
Pesado, K = 0,59
Óleo combustível médio
CO2(10%)
CO(3%)
Tar = 30°C
 ∑Perdas = 5 %
Solução do exercício
A adição de um recuperador de calor, baixando a temperatura dos gases da chaminé para 260 ºC, através do pré-aquecimento do ar de combustão até 60 ºC, deve proporcionar economia de combustível?.
Va = h - Δh + Δca
 
Donde:
h- Coeficiente de excesso de ar na saída da câmara de combustão.
Δh- Coeficiente de infiltração na câmara de combustão (slide 32).
Δca- Coeficiente de infiltrações no pre-aquecedor de ar (slide 32).
Interpolação
	Condutos de gás	Infiltra.
	Fornos de câmara para polvo de carvão, gás e petróleo:
Com recobrimento metálico das paredes (extração de resíduos sólidos).
Sim recobrimento metálico (com extração de resíduos sólidos).
Ciclônico com bajo vácuo.
Com recobrimento metálico das paredes (extração de resíduos líquidos).	0,05
0,08
0,03
0,05
	Fornos para combustão em pila e semi-suspensão:
Mecânicos e sem mecânicos.
Manuais	0,1
0,3
	Feixes da caldeira:
Primeiro para D> 50 t/h
Primeiro para D  50 t/h
Segundo para D  50 t/h	0,00
0,05
0,1
	Ductos de gases despões do agregado da caldeira:
Condutos de aço (por 10 m de comprimento)
Condutos de tijolo (por 10 m de comprimento)	0,01
0,05
	Superaquecedores e reaquecedores (por etapa)	0,03
	Condutos de gás	Infiltra.
	Economizadores:
Caldeiras de D > 50 t/.h (por etapa)
Caldeira de D  50 t/h
de Aço
de fofo (com revestimento)	0,02
0,08
0,1
0,2
	 Pre-aquecedores de ar Tubulares
Caldeiras de D> 50 t/h (por etapa)
Caldeiras de D  50 t/h (por etapa)
 Pre-aquecedores de ar Regenerativos 
Caldeiras de D > 50 t/h
Caldeiras de D  50 t/h
 De fofo:
De tubos com aletas
De placas com aletas	0,03
0,06
0,2
0,25
0,1
0,2
	Armadilhas de cinzas:
Caldeiras de D < 50 t/h
Caldeiras de D > 50 t/h
Ciclônicos, de baterias e lavadores de gases	0,1
0,15
0,05
	Condutos de gases despões do agregado de caldeira:
Condutos de aço (por 10 m de comprimento)
Condutos de tijolo (por 10 m de comprimento)	0,01
0,05
Infiltraciones
Para o Ar:
Solução do exercício
Qd = VCI + Qfc + Qva + Qa
Qd = VCI + ( 1,738 + 0,0025 * Tc) Tc + Qa
Qd = 39773,65 + (1,738 + 0,0025 * 120 ) * 34,06
Qd = 39980,27 Kj/kg
0
VCI – valor ou poder calórico inferior do combustível (kJ/kg)
Qfc – calor produto ao aquecimento do combustível (kJ/kg)
Qva – calor introduzido com o vapor de atomização (kJ/kg)
Qa – calor produto com aquecimento do ar (kJ/kg)
 5218268,48 * 100
84,74 *39980,27
B = 154,02 kg/h
VCI = 9500Kcal/kg (39773,65Kj/kg)
n = 80,72 %
Qu = 5218268,48 kg/h
Tc = 120°C
Há uma economia de combustível de 7,52kg/h com o pré-aquecimento.
Os cálculos da eficiência energética nos Geradores de Vapor.
Professor: João Evangelista Neto
Determinar o balanço energético nos Geradores de Vapor aquatubulares.
Exercício 2
O Gerador de vapor produz 45 t/h de vapor superaquecido a uma pressão de 1,8 MPa e temperatura de 593 ºC, a temperatura da água de alimentação é de 110 ºC. Durante as medições realizadas pôde-se determinar:
A análises da composição química dos gases de escape foi obtido: CO2 (14 %), CO (1,35 %), O2 (6 %), o volume de gases secos de 2,46 m3/kg e uma temperatura de 200 ºC. As cinzas saem a uma temperatura de 230 ºC. O fluxo de purga é de 135 kg/h. -Temperatura do bagaço antes de entrar no forno tc = 60 ºC. Da análises elementar do bagaço obtém-se VCI = 9200 kJ/kg, umidade Wt = 50 %.
Determine a eficiência de trabalho do Gerador de Vapor e o consumo específico de combustível (kgcomb/kgvapor).
Dados:
Gerador de Vapor aquatubular
mVsup = 45 t/h = 45000 kg/h
pVSup = 1,8 MPa
Tvsup = 593 ºC
Taa = 110 ºC
Tge = 200 ºC
CO2 (14 %), O2 (6 %), CO (1,34 %)
Vgs = 2,46 m3/kg
Combustível é Bagaço
Tcom = 60 ºC
Tcinzas = 230 ºC
VCI = 9200 kJ/kg
cpBagaço = 1,55 kJ/kgºC 
Wt = 50 %
TAr = 30 ºC
mp = 135 kg/h
η = ?
b = ? (kgcomb/kgvapor).
Solução do exercício - Indireto
Combustível Bagaço
CO2(14%)
CO(1,34%)
Tge=200°C
Tar=30°C
Wt=50%
Para bagaço:
Interpolação
K = 0,905
Solução do exercício - Indireto
0
0
q4 = f(tipo comb. “bagaço”) = 4 
	Combustible	Modo de combustión	q4 (%)
	Sólidos	Chama	0,5 - 2
		Suspesão	1 - 4
		Semi-suspensão	3 - 6
	Bagazo 	- 	4
	Líquidos	Chama	0 - 1
	Gases	Chama	≈ 0 
Qd = VCI + Qfc + Qva + Qa
Qd = VCI + Cp * Tc
Qd = 9200 + 1,55 * 60
Qd = 9293 Kj/kg
0
0
Dados:
VCI = 9200kj/kg
Cp = 1,55 kj/kg.C
Tc= 60°C
Vgs = 2,46m³/kg
CO = 1,34%
q6 = 0 , Geralmente é tida em conta quando a Tcinzas é maior a 400 ºC
A temperatura de saída das cinzas é de 230 ºC e pode-se despreciar.
q5 = 1 , A perda por radiação – convecção ocorre em ambos geradores de vapor. (Valor aproximado)
45 T/h
Valor aproximado1,0
Solução do exercício - Indireto
haa = f (Taa,Líq. resfriado) = 461,30 kJ/kg
hp = f (pVSup, Líq. saturado) = 884,55 kJ/kg
Taa= 110°C
Pvs = 1,8 MPA
Interpolação
Dados:
Mp = 135 kg/h
Qd = 9293 kj/kg
Solução do exercício – Coleta das entalpias 
hvsup = f (pVSup, TVSup) = 3676,16 kJ/kg
haa = f (Taa, Líq. resfriado) = 461,3 kJ/kg
hp = f (pVSup, Líq. saturado) = 884,55 kJ/kg
1,8 MPA = 593°C
Interpolação
Qu = 45000*(3676,16-461,3) + 135 (884,55-461,3)
Qu = 144725838,8 Kg/h
Solução do exercício - Direto
 144725838,8 * 100
74,52 * 9293
B = 20898,60 kg/h
B = 21 T/h
Dados:
Qd = 9293kj/kg
n= 74,52%
Mv = 45000kg/h
Consumo específico de combustível
Obrigado
å
å
-
=
-
=
q
p
1
η
(%)
q
p
100
η
å
å
+
=
Perdas
q
2
q
p
%
14,28
3
10
30)
(350
*
0,58
q
 
%
 
CO
 
 
CO
)
T
 
-
 
(T
K*
 
 
q
2
a
g
2
2
=
+
-
=
+
=
(%)
100
*
Q
*
d
B
Q
u
cedido
Q
absorvido
Q
η
=
=
÷
ø
ö
ç
è
æ
å
÷
ø
ö
ç
è
æ
÷
ø
ö
ç
è
æ
-
+
÷
÷
ø
ö
ç
ç
è
æ
-
+
-
+
-
=
aa
h
p
h
*
p
m
h
´
raq
h
´´
raq
*
raq
m
aa
sat
*
m
sat
h
aa
h
sa
*
m
sa
Q
u
h
h
÷
ø
ö
ç
è
æ
÷
ø
ö
ç
è
æ
-
+
-
=
aa
h
p
h
*
p
m
aa
sat
*
m
sat
Q
u
h
h
kg/h700,61B
40018,21*12,81
100*5216729,93
100*
d
Qη*
u
Q
B
(%)100*
Q*
d
B
Q
u
η



å
å
+
=
Perdas
q
2
q
p
%
26
,
0
1
3
10
30)
0
26
(
*
0,58
q
 
%
 
CO
 
 
CO
)
T
 
-
 
(T
K*
 
 
q
2
a
g
2
2
=
+
-
=
+
=
(
)
af
Ar
a
a
h
h
*
V
Q
-
=
%03,01
34,141
30)200(*9050,
q
 % 
CO CO
)T - (TK*
 q
2
ag
2
2






7
q
6
q
5
q
4
q
3
q
q
2
q
p


 
%
Q
100*
100
q
1*CH*358H*108CO*126*V
q
d
gs
4
42
3










d
Q
aa
h
p
h
*
p
m
7
q
÷
ø
ö
ç
è
æ
-
=