EXERCÍCIOS BALANÇO TÉRMICO
DISCIPLINA EMA-003 - SISTEMAS TÉRMICOS I

PROFESSOR: Paulo César da Costa Pinheiro, Dr.

1. BALANÇO TERMICO DE CALDEIRAS

Deduzir todas as equações estequiometricas e resolver os balanços térmicos abaixo:

1) Uma caldeira produz 1.000 kg/h de vapor saturado a uma pressão de 3,0 kgf/cm2 absoluta. A caldeira é simultaneamente alimentada com água a 25° C e com 800 kg/h de condensado a 120°C, que retorna do processo, como mostra a figura abaixo. Calcular a carga térmica (calor cedido à caldeira) para a produção do vapor desejado. A purga retira 20 kg/h de líquido da caldeira. Para a solução do problema utilize a tabela de vapor. (Provão Engenharia Química 1977)

2) Uma Caldeira é aquecida mediante a combustão de uma mistura de hidrocarbonetos de poder calorífico superior 41000 kJ/kg. A temperatura do combustível e ar que entram na câmara de combustão é 25 oC. A combustão é bastante ineficiente e a análise dos gases da combustão indicam a existência ded 11% de CO e 1,60% de CO2 (base molar), além de N2 e O2. A análise elementar do combustível mostra um teor mássico de 80% C e 20% H. Se a temperatura dos gases de exaustão for 250 oC, qual o calor liberado na caldeira (kJ/kg comb)?

3) O ensaio de uma caldeira produziu os seguintes resultados:
Pressão manométrica atmosférica = 76,2 cm Hg
Pressão manométrica do vapor = 8,436 kg/cm2
Temperatura da água de alimentação = 48 oC
Temperatura da casa da caldeira = 26 oC
Consumo de combustível = 57,53 kg/h
Composição do combustível = C=80%, H = 5%; O = 3%; S= 2%; W=2%; A=8%
PCI do combustível = 8000 kcal/kg comb seco
Coeficiente de excesso de ar = 45%
Temperatura média de saída dos produtos da combustão = 320 oC
Calor específico médio dos produtos da combustão = 0,24 kcal/kg.oC
Perda térmica por radiação = 3%
O vapor produzido (453 kg/h, título 0,90) é consumido em uma máquina térmica de Potência efetiva 50,65 CV e condensado à temperatura de 48oC. Calcular o balanço térmico da caldeira. Calcular o rendimento geral da instalação de vapor.

4) Calcular com a maior aproximação possível o rendimento térmico de uma caldeira com os dados seguintes:
Poder calorífico do carvão seco = 7950 kcal/kg
Composição do carvão: C=85%; W = 15%
Teor de CO2 nos produtos da combustão = 9%
Teor de CO nos produtos da combustão = 0,5%
Temperatura do ar de combustão = 15 oC
Temperatura dos produtos da combustão = 325 oC
Calor específico médio dos produtos da combustão = 0,25 kcal/kg
Perdas devido à radiação térmica da caldeira = 14%
Teor de carbono nas cinzas recolhidas na fornalha = 2%

5) Determinar o balanço térmico de uma caldeira onde:
Composição do carvão (seco): C=85%; H=7%; A=5%; O=3%
Teor de umidade = 18%
Consumo de carvão como recebido (úmido): 194,8 kg/h
Temperatura da água de alimentação: 45 oC
Vazão da água de alimentação = 1350 kg/h
Pressão do vapor = 7,031 kg/cm2 (título 1,0)
Temperatura dos produtos da combustão = 340 oC
Teor de CO2 nos produtos da combustão = 8,5%
As perdas por irradiação e pelo combustível não consumido (que caíu debaixo da grelha) pode ser tomada como 22%. Se o balanço térmico não fechar, discutir as possibilidades dos dados acima serem corretos.

6) Uma caldeira gera 5436 kg de vapor por hora, sob a pressão de 17,575 kg/cm2, e temperatura 316 oC, com água fornecida a 82 oC. O título do vapor na entrada do superaquecedor é 0,98. O carvão consumido é de 739,3 kg/h, com poder calorífico 6472 kcal/kg. O coeficiente de excesso de ar é 35%. Considerando o calor específico médio dos gases 0,25 kcal/kg, e a temperatura atmosférica 15,6 oC. Calcular:
a) o rendimento térmico;
b) a taxa de evaporação a 100 oC (kg vapor/kg comb);
c) a temperatura aproximada dos produtos da combustão descarregados;
d) a fração e energia transmitida no superaquecedor.

7) Uma caldeira gera 50000 kg de vapor/hr, consumindo em uma grelha rotativa 10.000 kg/h de carvão britado a 250 oC. O vapor é gerado a partir de água fornecida a 60 oC em um preaquecedor externo. Este carvão apresenta a seguinte composição: C=50%; H=2%, S=6%, W=2% e A=40%. O ar de combustão recebe um preaquecimento por meio de um recuperador de calor de 30 a 80 oC. Os gases de escape são lançados na atmosfera a 300 oC. Todas as cinzas do combustível são recolhidas no cinzeiro a 250 oC e elas contêm 3% de carbono. Calcular:
1) A pressão e entalpia do vapor produzido.
2) O balanço térmico da caldeira.

8) Uma usina de cana de açucar fará a transformação da sua unidade geradora de vapor a óleo combustível para álcool hidratado obtida na sua própria instalaçâo. Foram adotados os seguintes dados:
- Produção de vapor saturado (título 90% e pressão manométrica 19 kgf/cm2) = 20.000 kg/h
- Temperatura da água de alimentação na saída do economizador = 40 oC
- Temperatura da fumaça após o preaquecedor = 400oC
- Perdas pelo costado da caldeira = 4%
- Combustível: Alcool hidratado (temp = 40 oC)
- Coeficiente de excesso de ar = 2%
- Composição do ar atmosférico local = O2 = 20,6%; N2 = 77,5%; H2O = 1,89%

Faça o balanço térmico completo que permita especificar os equipamentos complementares, destacando os seguintes itens:
- Balanço de massa do ar e dos produtos da combustão;
- Poder calorífico inferior do combustível;
- Calor que entra no equipamento;
- Valor da perdas de calor;
- Calor útil;
- Rendimento térmico;
- Vazâo de combustível e vazôes horárias totais de ar de combustão e produtos formados;
- Supondo que a água de alimentaçâo possui um teor de sólidos dissolvidos de 5ppm, e supondo que segundo norma internacional o teor máximo permitido na caldeira seja de 80 ppm, determinar a vazâo de purga e a perda adicional (%) pela purga.

9) Criar (bolar) e resolver uma questão sobre o balanço térmico de caldeiras, funcionando com óleo combustível (tem q2, q3 e q5, e despreza-se q4 e q6) resolvendo o balanço pelo métodos direto e indireto. Levar em consideração tudo que puder.


EXERCÍCIOS RESOLVIDOS

[3a Prova de Sistemas Térmicos I, 2 Semestre 1998, 02/03/1999]
Uma Caldeira ATA-18, flamotubular, de capacidade 3,3 ton/h a uma pressão de trabalho de 2 kgf/cm2, opera em uma fábrica consumindo 95 kg/hora de óleo combustível BPF (PCI = 41000 kJ/kg base seca) e produzindo 1450,7 kg/hora de vapor a 120 oC com título 90% (Entalpia da água saturada a 120 oC = 503,8 kJ/kg, Entalpia do vapor saturado a 120 oC = 2706,3 kJ/kg).

A análise desta caldeira apresentou os seguintes resultados:
Análise dos Produtos da Combustão (Orsat):
      Teor de O2 = 7,0 % Volumétrica
      Teor de CO2+SO2 = 10,5 % Volumétrico
      Teor de CO = 0,5 % Volumétrico

Temperatura dos produtos da Combustão na base da chaminé = 215 oC
Temperatura ar de combustão = 60 oC
Temperatura ambiente = 30 oC
Temperatura do óleo combustível = 60 oC
Umidade absoluta do ar atmosférico = 0,015kg/kg ar seco (quantidade de água no ar Cuidado!!)

Temperatura da água de alimentação = 32 oC

Consumo de vapor saturado para atomização do combustível: 0,2 kg/kg comb

Calor específico médio do ar = 1,33 kJ/m3.oC
Calor específico médio dos produtos da combustão = 1,6 kJ/m3.oC
Calor específico médio do combustível = 1,9 kJ/kg.oC

Composição do óleo combustível : C = 83,0%, H = 10,4%, S = 2,8%, O = 0,5%, N = 0,3%, H2O = 3,0%

Considerando a perda de energia pelo costado da caldeira Q5 = 1% e desprezando as perdas pelo combustível não queimado Q4, fazer o balanço térmico tomando como referência 25 oC.

Calcular:
1) Poder Calorífico Inferior E Superior do combustível como recebido (kJ/kg) [1]
2) Volume do Ar Estequiométrico Seco (m3/kg) [1]
3) Coeficiente de Excesso de ar [2]
4) Volume TOTAL do ar ÚMIDO utilizado nesta combustão (m3/kg) [1]
5) Volume dos produtos da combustão estequiométrica (SECOS) (m3/kg) [2]
6) Composição dos produtos da combustão real (SECOS) (m3/kg) [1]
7) Volume TOTAL ÚMIDOS dos produtos da combustão (m3/kg) [1]
8) Energia disponível (kJ/kg) [3]
9) Perda de energia devido a entalpia dos gases da chaminé (%) [2]
10) Perda de energia devido à combustão incompleta (%) [1]
11) Rendimento da caldeira (método direto) (%) [2]
12) Rendimento da caldeira pelo método indireto. [2]
13) Temperatura adiabática da chama (oC) [1]

Resolução:

1) Poder Calorífico Inferior E Superior do combustível como recebido (kJ/kg)
PCIr = PCId (100-W) - 2441 W
PCIr = 41000 x 0,97 - 2441 x 0,03
PCIr = 39697 kJ/kg comb
PCSr = PCIr + 2441 (9H + W)/100
PCSr = 39697 + 2441 (9 x 10,4 + 3)/100
PCSr = 42055 kJ/kg comb

2) Volume do Ar Estequiométrico Seco (m3/kg)
GO2o = 32/12 C + S + 16/2 H - O
GO2o = 32/12 x 0,83 + 0,028 + 16/2 0,104 - 0,005
GO2o = 3,068 kg O2/kg comb
Garo = GO2o/0,231 = 13,28 kg ar/kg comb
Varo = Garo/1,293 = 10,271 m3 ar/kg comb

3) Coeficiente de Excesso de ar
a = 21 / [21 - 79 (%O2 - 0,5 %CO) / %N2]
%N2 = 100 - %CO2 - %SO2 - %CO - %O2
%N2 = 100 - 10,5 - 0,5 - 7,0
%N2 = 82
a = 1,4486

4) Volume TOTAL do ar ÚMIDO utilizado nesta combustão (m3/kg)
Var = Varo = 1,4486 x 10,271
Var = 14,879 (m3 /kg comb)
Var' = Var + Vh2o
Vh2o = (22,4/18,016) d 1,293 a Varo
Vh2o = 1,2433 x 0,015 x 1,293 x 1,4486 x 10,271
Vh2o = 0,359 (m3 h20/kg comb)
Var' = 15,238 (m3 ar /kg comb)

5) Volume dos produtos da combustão estequiométrica (SECOS) (m3/kg)
C + O2 -> CO2 C + ½O2 -> CO, basta calcular o volume de CO2
Vco2 = 22,4/12 C = 22,4/12 x 0,830 = 1,5493 (m3 CO2/kg comb)
Vso2 = 22,4/32 S = 22,4/32 x 0,028 = 0,0196 (m3 SO2/kg comb)
Vn2o = 0,79 Varo + (22,4/28) N = 0,79 x 10,273 + 0,8 x 0,003 = 8,11807 (m3 N2 /kg comb)
Vgso = Vco2 + Vso2 + Vn2o
Vgso = 1,5493 + 0,0196 + 8,11807
Vgso = 9,687 (m3/kg comb)

6) Composição dos produtos da combustão real (SECOS) (m3/kg)
Vn2 = 0,79 Var + (22,4/28) N = 0,79 x 14,879 + 0,8 x 0,003
Vn2 = 11,758 (m3 N2/kg comb)
Vo2 = 0,21 (a - 1) Varo = 0,21 (1,4486 -1) x 10,271
Vo2 = 0,96759 (m3 O2 /kg comb)
Vgs = Vco2 + Vco + Vso2 + Vn2 + Vo2
Vgs = 1,5493 + 0,0196 + 11,758 + 0,96759
Vgs = 14,2945 (m3/kg comb)
Composição dos produtos (%)
%N2 = Vn2 /Vgs = 11,758/14,2945
%N2 = 82,2%
%O2 = Vo2/Vgs = 0,96759/14,2945
%O2 = 6,8%
%CO2+SO2+CO = (Vco2+Vco+Vso2)/Vgs
%CO2+SO2+CO = (1,5493+0,0196)/14,2945
%CO2+SO2+CO = 10,98%
Na combustão incompleta temos: C + O2 -> CO2, C + O2 -> CO + ½O2
%CO = 0,5% (dado) -> %CO2 + SO2 = 10,48%
%O2 = %O2 + ½%CO = 6,8 + ½ x 0,5 = 7,05%
Vco = Vo2 =

7) Volume TOTAL ÚMIDOS dos produtos da combustão (m3/kg)
Vg = Vgs + Vh2o + Vatomizaçao
Vh2o = (22,4/2) H + (22,4/18,06) W + d a (22,4/18,06) 1,293 Varo
Vh2o = 11,2 x 0,104 + 1,24 x 0,03 + 0,015 x 1,4486 x 1,24 x 1,293 x 10,273
Vh2o = 1,561 (m3/kg comb)
Datomizacao = 0,2 kg/kg comb
Vatomizacao = (22,4/18,06) 0,2 = 0,249 (m3/kg comb)
Vg = Vgs + Vh2o + Vatomizaçao
Vg = 14,2941 + 1,561 + 0,249 = 16,104 (m3/kg comb)

8) Energia disponível (kJ/kg)
Qd = PCI + Qcomb + Qar + Qvapor
PCI = 39697 kJ/kg comb
Qcomb = m CPcomb T
Qcomb = 1 x 1,9 x (60-25) = 66,5 kJ/kg
Neste exemplo o ar é preaquecido a 60 oC dentro da caldeira pelo preaquecedor de ar:
Assim Qarex = Var' CPar T
Qarex = 15,238 x 1,33 (30-25) [30 oC é a temperatura atmosférica!]
Qarex = 101,3 kJ/kg comb
Caso o ar fosse preaquecido a 60 C por um sistema EXTERNO à caldeira então:
Qarex =Var' CPar T
Qarex = 15,238 x 1,33 (60-25)
Qarex = 709,3 kJ/kg comb
Qvapor = Dvapor (hv - hv25)
Qvapor = 0,2 [(0,9 x 2706,3 + 0,1 x 503,8) -2441]
Qvapor = 9,01 kJ/kg comb
Qd = 39697 + 66,5 + 101,3 + 9,01
Qd = 39873,8 (kJ/kg comb)

9) Perda de energia devido a entalpia dos gases da chaminé (%)
Q2 = Vg Cpg (Tg - Tpci) - Var' Cpar (Tatm - Tpci)
Q2 = 16,104 x 1,6 x (215-25) - 15,238 x 1,33 (30 - 25)
Q2 = 4794,28 kJ/kg
q2 = Q2/Qd = 4794,28/39873,8 = 12,02%

10) Perda de energia devido à combustão incompleta (%)
Q3 = (126,4 CO + 108 H2 + 358,2 CH4) Vdg (1-0,01 q4)
Q3 = (126,4 x 0,5) 14,2941
Q3 = 903,39 kJ/kg
q3 = Q3/Qd = 903,39/39873,8 = 2,27 %

11) Rendimento da caldeira (método direto) (%)
Qu = Dsp (Hsp-Hfw) + Dst (Hst - Hfw) + [Drh (Hrh"-rh')] + Dbw (H'-Hfw) + Qh
Qu = 1450,7 [(0,9x 2706,3 + 0,1x503,8) - 4,186 x 32]
Qu = 3.412.188,6 kJ/h = 947,83kW
Q1 = Qu /B = 3.412.188,6 / 95 = 35917,8 kJ/kg comb
= Q1 / Qd = 35917,8 / 39873,8 = 90,08 %

12) Rendimento da caldeira pelo método indireto.
= 100 - q2 - q3 - q4 - q5 - q6
= 100 - 12,02 - 2,27 - 0,0 - 1,0 - 0,0
= 84,71 %


Esta página foi atualizada em 17/Abril/2002
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