Termodinamica

2ª ATIVIDADE DE CONEXÃO 1ª ETAPA 10 pts Disciplina Experiência Aplicada em Máquinas Térmicas Curso Engenharia Mecânica Período Docente Helder Monteiro Santana Aluno Questão 01 4pts Uma indústria do setor alimentício está avaliando qual combustível utilizar em sua nova caldeira que terá capacidade para gerar 50 toneladas de vapor por hora a 30 bar e 320C A fábrica está localizada em uma região onde há disponibilidade de carvão mineral biomassa bagaço de cana óleo BPF e gás natural Algumas características desses combustíveis estão indicadas abaixo Tipo Combustível Poder Calorífico UmidadeVisc osidade Emissões Facilidade de Uso Custo Sustentabilidade Sólido Carvão Mineral 2530 MJkg Alta em carvão bruto Alta SO₂ cinzas Média precisa de sistema de exaustão Baixo Baixa fóssil Pellets de Biomassa 1619 MJkg Baixa 510 Baixa Alta alimentação automática Médio Alta renovável resíduos reaproveitados Líquido Óleo Diesel 4245 MJkg Baixa viscosidade Moderada CO₂ NOₓ Alta queima rápida fácil controle Alto Baixa fóssil Óleo BPF pesado 3942 MJkg Alta precisa aquecimento Alta SO₂ partículas Média exige sistema de pré aquecimento Médio Baixa fóssil Gasoso Gás Natural GN 3542 MJm³ Baixa CO₂ NOₓ Alta com rede de distribuição Médio baixo c rede Média fóssil Com base nos fatores técnicos econômicos e ambientais qual combustível seria a opção mais adequada para essa indústria Justifique sua escolha considerando as vantagens e desvantagens de utilizar o combustível Questão 02 6pts Uma caldeira operando com óleo combustível cuja composição é 80 de carbono C 10 de hidrogênio H 3 de enxofre S 5 de oxigênio O e 2 de umidade W produz 100 toneladas por hora de vapor a 40 bar e 350C Antes da instalação de um préaquecedor de ar a temperatura dos gases de exaustão era de 345C e o excesso de ar no queimador estava em 15 Após a implementação do pré aquecedor de ar a temperatura dos gases de saída caiu para 240C Além disso devido ao ar préaquecido na entrada do queimador foi possível reduzir o excesso de ar para 8 aumentando a eficiência da combustão A água de alimentação da caldeira entra a 65C e a temperatura ambiente é 20C Considere as perdas estimadas exceto pelos gases da chaminé igual a 3 o calor específico do ar igual a 1009 kJkgK e o calor específico doas gases da combustão igual a 1310 kJkgK Com base nessas informações calcule a A eficiência da caldeira antes da instalação do préaquecedor b A temperatura do ar após a instalação do préaquecedor c Calcule a eficiência da caldeira após a instalação do préaquecedor d Calcule a economia de combustível obtida após a instalação do préaquecedor TABELAS TERMODINÂMICAS EQUAÇÕES APLICAÇÃO EQUAÇÃO Calor de préaquecimento do ar atmosférico 𝑸 𝒂𝒓 𝒎 𝒂𝒓𝒄𝒑𝒂𝒓𝑻𝒂𝒓 𝑻 Calor de préaquecimento do combustível 𝑸 𝒄 𝒎 𝒄𝒄𝒑𝒄𝒐𝒎𝒃𝑻𝒄 𝑻 Calor útil 𝑸 ú𝒕𝒊𝒍 𝒎 𝒗𝒉𝒗𝒗 𝒉𝒂𝒂 Poder calorífico inferior PCI 𝑷𝑪𝑰𝒍𝒔 𝒕 𝟑𝟑𝟗 𝟏𝟑 𝑪𝒕 𝟏𝟎𝟐𝟗 𝟗𝟓 𝑯𝒕 𝟏𝟎𝟖 𝟖𝟓 𝑺𝒕 𝑶𝒕 𝟐𝟓 𝟏𝟐 𝑾𝒕 Relação ArCombustível 𝑨 𝑪 𝟎 𝟏𝟏𝟒𝟗 𝑪𝒕 𝟎 𝟑𝟒𝟒𝟖 𝑯𝒕 𝟎 𝟎𝟒𝟑𝟏 𝑺𝒕 𝑶𝒕 Fluxo de massa do Ar 𝒎 𝒂𝒓 𝒎 𝒄𝜶 𝑨 𝑪 Calor perdido nos gases de escape 𝑸 𝒆 𝒎 𝒂𝒓 𝒎 𝒄𝒄𝒑𝒈𝑻𝒈 𝑻 𝒎 𝒄 𝑨 𝑪 𝟏 𝒄𝒑𝒈𝑻𝒈 𝑻 Calor perdido devido à combustão química incompleta 𝑸 𝒒 𝒎 𝒂𝒓 𝒎 𝒄 𝝆𝒈 𝟏𝟐𝟔𝑪𝑶 𝟏𝟎𝟖𝑯𝟐 𝟑𝟓𝟖𝑪𝑯𝟒 Massa específica dos gases de escape 𝝆𝒈 𝑷𝑴 𝑹𝑻 Calor perdido devido ao arrefecimento externo da caldeira 𝑸 𝒑 𝑨𝒑𝒉𝒄𝒐𝒏𝒗 𝒉𝒓𝒂𝒅𝑻𝒑 𝑻 Calor perdido devido à escória 𝑸 𝒆𝒔𝒄 𝒎𝒄 𝟏 𝜶𝒂𝒓𝒓 𝑨𝒕 𝟏𝟎𝟎𝒄𝒑𝒆𝒔𝒄𝑻𝒆𝒔𝒄 𝑻 𝑸𝒇𝒖𝒔ã𝒐 Eficiência da caldeira método direto 𝜼 𝑸 ú𝒕𝒊𝒍 𝑸 𝒅𝒊𝒔𝒑 𝟏𝟎𝟎 𝒎 𝒗𝒉𝒗𝒗 𝒉𝒂𝒂 𝒎 𝒄𝑷𝑪𝑰 𝟏𝟎𝟎 Eficiência da caldeira método indireto 𝜼 𝟏𝟎𝟎 𝑸 𝒑𝒆𝒓𝒅𝒂𝒔 𝑸 𝒅𝒊𝒔𝒑 𝟏𝟎𝟎 𝒎 𝒂𝒓 Fluxo de massa do ar 𝒎 𝒄 Fluxo de massa do combustível 𝒎 𝒗 Fluxo de massa do vapor 𝒄𝒑𝒂𝒓 Calor específico do ar 𝒄𝒑𝒄 Calor específico do combustível 𝒄𝒑𝒈 Calor específico dos gases 𝒄𝒑𝒆𝒔𝒄 Calor específico da escória 𝑻 Temperatura ambiente 𝑻𝒂𝒓 Temperatura do ar para a combustão 𝑻𝒄 Temperatura do combustível 𝑻𝒈 Temperatura dos gases de escape 𝑻𝒑 Temperatura da parede 𝑻𝒆𝒔𝒄 Temperatura da escória 𝜶 Excesso de ar 𝒉𝒗𝒗 Entalpia do vapor de água 𝒉𝒂𝒂 Entalpia da água de alimentação 𝑪𝒕 𝑯𝒕 𝑺𝒕 𝑶𝒕 𝑾𝒕 𝑨𝒕 Teor de carbono hidrogênio enxofre oxigênio umidade e escória do combustível na base de trabalho 𝑪𝑶 𝑯𝟐 𝑪𝑯𝟒 Teor de monóxido de carbono hidreto metano não queimado 𝒉𝒄𝒐𝒏𝒗 𝒉𝒓𝒂𝒅 Coeficiente médio de convecção e de radiação 𝜶𝒂𝒓𝒓 Coeficiente das cinzas arrastadas 𝑷 Pressão dos gases de escape 𝑴 Massa molar dos gases de escape 𝑹 Constante Universal dos Gases 𝑻 Temperatura dos gases de escape 𝑨𝒑 Área das paredes QUESTAO 1 Neste estudo analisei a melhor opcao de combustıvel para uma caldeira de 50 th 50 000 kgh operando a 30 bar e 320C Apos considerar aspectos tecnicos econˆomicos e ambientais concluı que a utilizacao de biomassa pellets ou bagaco de cana se destaca como a alternativa mais equilibrada e sustentavel Calculos e Analise Tecnica 1 Calculo da Energia Necessaria Para a producao de vapor considerei a diferenca de entalpia entre a agua de alimentacao e o vapor superaquecido Entalpia da agua de alimentacao aproximadamente 340 kJkg Entalpia do vapor aproximadamente 2778 kJkg Assim a variacao de entalpia e h 2778 340 2438 kJkg Dessa forma a energia util por hora para 50 000 kg de vapor e Qutil 50 000 2438 121 900 000 kJh 121 900 MJh Considerando uma eficiˆencia de 85 da caldeira a energia que deve ser fornecida pelo combustıvel e Qinput 121 900 MJh 085 143 412 MJh 2 Consumo de Biomassa Utilizando pellets de biomassa com poder calorıfico medio de 175 MJkg o consumo de combustıvel necessario e calculado por Massa de pellets 143 412 MJh 17 5 MJkg 8195 kgh 8 2 toneladash 1 Justificativas para a Escolha da Biomassa 1 Aspectos Ambientais A escolha da biomassa e extremamente vantajosa do ponto de vista ambiental Utilizando resıduos agrıcolas como o bagaco de cana o ciclo de carbono tende a ser quase neutro reduzindo significativamente as emissoes de CO2 2 Aspectos Econˆomicos Sob o ponto de vista da economia a escolha pela bioenergia de biomassa e ainda mais competitiva quando ha a localizacao do resıduo que o compoe bagaco de cana ou pellets Reducao de custos logısticos e precos estaveis frente a combustıveis fosseis atrelados a variacoes de mercado internacional consolidam a viabilidade da escolha Ademais polıticas de incentivo e reducao de impostos aplicadas a fontes renovaveis sao fatores que podem potencializar a vantagem econˆomica 3 Aspectos Tecnicos e Operacionais Apesar do fato de que a biomassa tem um poder calorıfico de 1619 MJkg inferior ao dos combustıveis fosseis os sistemas modernos de queima tais como a fornalha com leito fluidizado ou a grelha automatizada gracas a avancos tec nologicos sao capazes de garantir uma operacao eficiente e segura A utilizacao da biomassa para caldeiras de grande porte e realizada de forma tecnicamente viavel por meio da adaptacao de sistemas de alimentacao como silos transpor tadores e sistemas de despoeiramento 4 Comparativo com Outros Combustıveis Carvao Mineral Apesar do alto poder calorıfico 2530 MJkg e do baixo custo de aquisicao seu uso implica em elevadas emissoes de SO2 cinzas e CO2 exigindo investimentos adicionais em sistemas de controle de poluicao Oleo BPF e Oleo Diesel Embora apresentem poder calorıfico elevado 3945 MJkg esses combustıveis tˆem custos elevados e impactos ambi entais significativos devido as suas emissoes alem de exigirem sistemas de preaquecimento e cuidados especiais no manuseio 2 Gás Natural Oferece uma queima mais limpa com baixas emissões e facilidade de controle Entretanto como combustível fóssil ele não atende aos critérios de sustentabilidade desejados e depende fortemente de infraestrutura de distribuição Conclusão Após a análise integrada dos cálculos de demanda energética e das características dos diferentes combustíveis defendo que a biomassa é a alternativa mais equilibrada para uma caldeira de 50 th a 30 bar e 320C Portanto considerando o equilíbrio entre desempenho técnico economia operacional e impacto ambiental concluo que a biomassa representa a escolha mais adequada para essa aplicação promovendo uma operação sustentável e alinhada às tendências atuais de redução de emissões QUESTÃO 2 1 Poder Calorífico e Ar Estequiométrico Considero 1 kg de óleo combustível com composição mássica C 080 H 010 S 003 O 005 Umidade 002 Utilizando a fórmula aproximada de Dulong para o Poder Calorífico Superior HHV HHV 33 700 C 144 200 H O8 9 300 S e subtraindo o calor de condensação do vapor do hidrogênio para obter o PCI obtenho PCI 38500 Para o ar estequiométrico considerando que 1 de C consome 267 de O2 1 de H2 consome 8 de O2 1 de S consome 1 de O2 e levando em conta o O presente no combustıvel chego a aproximadamente 2 916 de O2 por kg de combustıvel Como o ar possui cerca de 23 de O2 em massa Ar estequiometrico 2916 023 12 68 arkg combustıvel 2 Situacao 1 Antes do PreAquecedor Com excesso de ar de 15 tenho mar 1268 1 015 14 58 arkg combustıvel A massa total de gases de exaustao e mgas 1 1458 15 58 gaskg combustıvel Considerando a temperatura dos gases de exaustao de 345C e a temperatura ambiente de 20C ou seja Tgases 325 C com calor especıfico medio dos gases cpg 1 310kgK obtenho a perda na chamine Qchamine 1558 1310 325 6630kg combustıvel As demais perdas radiacao purgas etc correspondem a 3 do PCI Qoutros 003 38510 1155kg Logo a perda total e Qtotal perdido 6630 1155 7785kg Dessa forma a eficiˆencia da caldeira e η1 1 7785 38510 798 η1 80 4 3 Situacao 2 Apos o PreAquecedor a Balanco de Calor no PreAquecedor Agora com excesso de ar de 8 mar 1268 1 008 13 69 arkg combustıvel resultando em uma massa total de gases de mgas 1 1369 14 69 gaskg combustıvel A temperatura dos gases cai para 240C antes eram 345C e aplico o balanco de calor no trocador mgas cpg 345 240 mar cpar Tar saıda 20 com cpg 1 310kgK e cpar 1 009kgK Efetuo o calculo 1469 1310 105 2020kg 1369 1009 Tar saıda 20 2020kg Desse modo resolvendo para Tar saıda Tar saıda 166C Tar saıda 166C b Nova Eficiˆencia da Caldeira A nova perda na chamine e dada por Qchamine 1469 1310 240 20 4235kg e as demais perdas permanecem em Qoutros 1155kg Assim a perda total e Qtotal perdido 4235 1155 5390kg 5 A nova eficiˆencia e entao η2 1 5390 38510 86 η2 86 4 Economia de Combustıvel Considerando uma caldeira que produz 100th de vapor a 40bar e 350C a partir de agua de alimentacao a 65C 1 A entalpia do vapor e conforme tabela hvapor 3093 5kg 2 A entalpia da agua de alimentacao a 65C e hf 272kg ou alternati vamente cp 4 18kgK 65 0 3 O calor absorvido pelo vapor na caldeira e h 3093 5 272 2821 5kg Com uma vazao de vapor de 100000kgh a taxa de energia util e Qutil 100 000 2821 5 2 82 108 h Antes do preaquecedor com η1 80 mcomb 2 82 108 0 80 38510 9 19e3kgh 9 2th Apos o preaquecedor com η2 86 mcomb novo 2 82 108 0 86 38510 8 52e3kgh 8 5th Logo a economia de combustıvel e 9 19 8 52 0 67th reducao de quase 7 ou seja Economia 0 67th 7 6