Comportamento PVT e Propriedades Termodinâmicas de Substâncias Puras

COMPORTAMENTO PVT DE SUBSTÂNCIAS PURAS Tabelas termodinâmicas Região de equiíbrio LíquidoVapor Specific Volume m3kg Internal Energy kJkg Enthalpy kJkg Entropy kJkgK Temp oC Press bar Sat Liquid vf103 Sat Vapor vg Sat Liquid uf Sat Vapor ug Sat Liquid hf Evap hfg Sat Vapor hg Sat Liquid sf Sat Vapor sg Temp oC 01 000611 10002 206136 000 23753 001 25013 25014 00000 91562 01 4 000813 10001 157232 1677 23809 1678 24919 25087 00610 90514 4 5 000872 10001 147120 2097 23823 2098 24896 25106 00761 90257 5 6 000935 10001 137734 2519 23836 2520 24872 25124 00912 90003 6 8 001072 10002 120917 3359 23864 3360 24825 25161 01212 89501 8 PROPRIEDADES DOS SISTEMAS BIFÁSICOS Propriedades do vapor úmido Quando as fases líquida e vapor coexistem à temperatura de saturação definese o título total massa massa da fasevapor título x O volume específico da mistura é g l x v x v v 1 E sabendose que Vl mlvl e Vg mgvg e V Vl Vg Qualquer outra propriedade g l x M x M M 1 Tabelas termodinâmicas Exemplo Propriedades associadas ao vapor dagua superaquecido a 10MPa e 400oC v 002641 m3kg u 28324 kJkg T oC v m3kg u kJkg h kJkg s kJkgK v m3kg u kJkg h kJkg s kJkgK p 80 bar 80 MPa Tsat 29506oC p 100 bar 100 MPa Tsat 31106oC Sat 002352 25698 27580 57432 001803 25444 27247 56141 320 002682 26627 28772 59489 001925 25888 27813 57103 360 003089 27727 30198 61819 002331 27291 29621 60060 400 003432 28638 31383 63634 002641 28324 30965 62120 440 003742 29467 32461 65190 002911 29221 32132 63805 480 004034 30257 33484 66586 003160 30054 33214 65282 h 30965 kJkg s 62120 kJkgK Tabelas termodinâmicas Quando um estado não se encontra dentro dos valores fornacidos pela tabela uma interpolação linear se faz necessária entre os valores adjacentes Exemplo Volume específico v associado ao vapor superaquecido a 10 bar e 215oC T oC v m3kg u kJkg h kJkg s kJkgK p 10 bar 10 MPa Tsat 17991oC Sat 01944 25836 27781 65865 200 02060 26219 28279 66940 240 02275 26929 29204 68817 02275 02060 m3kg v 02060 m3kg 240 200oC 215 200oC slope v 02141 m3kg Poder Calorífico A maioria dos combustíveis contêm hidrogênio e sua constituição dá como resultado no processo de combustão o vapor dágua A água formada pode permanecer no estado vapor ou se condensar no ambiente de combustão Resultam daí dois valores para o calor de combustão do combustível que contêm hidrogênio Poder calorífico superior quando se considera que todo vapor dágua formado pela combustão do hidrogênio contido no combustível é condensado e resfriando à temperatura ambiente Considerase no caso entalpia de vaporização da água Poder calorífico inferior quando se considera que o vapor dágua não se condensa e todo produto resultante da combustão do hidrogênio permanece em estado de vapor Poder Calorífico 𝑃𝐶𝐼 𝑃𝐶𝑆 𝑥𝐻𝑣𝑎𝑝 Onde PCI Poder calorífico inferior PCS Poder calorífico superior X título Poder Calorífico Transformando para base úmida Condições entálpicas do vapor superaquecido hsup hg cptsup tsat Assim as condições entálpicas de um vapor superaquecido serão maiores que as do vapor saturado onde cp calor específico do vapor à pressão de trabalho tsup temperatura de superaquecimento do vapor tsat temperatura do vapor saturado tsup tsat grau de superaquecimento do vapor Pressão de vapor temperatura e entalpia A pressão temperatura e entalpia do vapor estão intimamente relacionadas variando a pressão observamse conseqüentes variações da temperatura e da entalpia do vapor Essas propriedades são largamente utilizadas pelos técnicos pois podese conseguir com isso condições de trabalho completamente distintas Nos sistemas de aquecimento o vapor mais empregado é o de baixa pressão em pressões que variam de 4 a 16 atmosferas absolutas em temperaturas compreendidas entre 140 e 200ºC dificilmente se empregam vapores em sistemas de aquecimento com temperatura acima de 200ºC por motivos econômicos As instalações se tornam mais complexas e caras exigindo dispositivos de segurança e tubulações especiais Além do mais o vapor com 4 ata apresenta a entalpia de condensação de 510 kcalkg e já um de 16 ata 4624 kcalkg e à medida que a pressão aumenta menor é a entalpia de condensação repercutindo sensivelmente nos processos de aquecimento Cálculo eficiência Balanço de energia Qf QuP onde Qf energia fornecida à caldeira por unidade de tempo kJh Qu energia útil absorvida pelo fluido de trabalho água por unidade de kJh P energia perdida por unidade de tempo kJh Eficiência 𝑄𝑢 𝑄𝑓 1 𝑃 𝑄𝑓 Método direto Método indireto Cálculo eficiência Balanço de energia Qf mc qf 4 Qu mc qu5 P mc p 6 onde mc vazão em massa de combustível base úmida kg combustível úmidoh qf energia fornecida por unidade de massa de combustível kJkg combustível úmido qu energia útil por unidade de massa de combustível kJkg combustível úmido p energia perdida por unidade de massa de combustível kJkg combustível úmido Assim as equações podem ser expressas por Cálculo da energia útil 𝑞𝑢 𝑚𝑣 ℎ𝑣 ℎ𝑎 𝑚𝑐 Onde mv vazão em massa de vapor gerado fornecido ao processo não inclui o vapor gerado utilizado em sopradores de fuligem kgh hv entalpia especifica do vapor na pressão e temperatura em que é gerado kJkg ha entalpia especifica da água de alimentação da caldeira kJh mc vazão em massa de combustível em base úmida kgcombustível úmidoh Cálculo da energia útil A parcela referente à entalpia especifica da água de alimentação da caldeira ha pode ainda ser expressa por ha 419 Ta 10 onde Ta temperatura da água de alimentação ºC 419 valor prático adotado para o calor especifico da água kJkgºC Cálculo da energia fornecida por unidade de massa de combustível qf cpcTcTref mar secocparWcpvTarTref PCSu onde cpc calor específico médio do combustível entre a temperatura de entrada e a temperatura de referência kJkgºC Tc temperatura do combustível na entrada da caldeira ºC Tref temperatura de referência adotada ºC mar seco massa de oxigênio necessária kgarkgcombustível úmido cPar calor especifico médio do ar entre a temperatura de referência kJkgºC Tar temperatura do ar de combustão na entrada2 ºC W umidade absoluta do ar kgáguakgar seco PCSu poder calorifico superior do combustível base úmida kJkgcombustivel úmido cpv calor especifico médio do vapor dágua do ar entre a temperatura Tar e a temperatura de referência kJkgºC Exercício Uma Caldeira ATA18 flamotubular de capacidade 33 tonh a uma pressão de trabalho de 196133 Pa opera em uma fábrica consumindo 95 kghora de óleo combustível BPF PCI 41000 kJkg base seca e produzindo 14507 kghora de vapor a 120 C com título 90 Entalpia da água saturada a 120 C 5038 kJkg Entalpia do vapor saturado a 120 C 27063 kJkg Temperatura dos produtos da Combustão na base da chaminé 215 C Temperatura ar de combustão 60 C Temperatura ambiente 30 C Temperatura do óleo combustível 60 C Umidade absoluta do ar atmosférico 0015kgkg ar seco quantidade de água no ar Cuidado Massa de ar seco necessária 1523 kgkg Temperatura da água de alimentação 32 oC Consumo de vapor saturado para atomização do combustível 02 kgkg comb Calor específico médio do ar 133 kJkgoC Calor específico médio dos produtos da combustão 16 kJkgoC Calor específico médio do combustível 19 kJkgoC Calor específico do vapor 200832 kJkgC Calcule o rendimento da caldeira pelo método direto Composição do óleo combustível C 830 H 104 S 28 O 05 N 03 H2O 30