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Engenharia de Petróleo ·
Termodinâmica 1
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA LABORATÓRIO DE COMBUSTÃO ENERGIAS RENOVÁVEIS E HIDROGÊNIO 150225 TRABALHO DE EXTENSÃO USINAMODELOPROJETO CAGECE BALANÇO DE ENERGIA DO SISTEMA HÍBRIDO DE SECAGEM DE LODO E AREIA Prezados as Alunos e Alunas Conforme prometido estou lhes encaminhando material com intuito de possibilitar a determinação do tempo de secagem da areia que está depositada sobre o piso radiante do Sistema híbrido de Secagem do Projeto da UsinaModelo a qual em breve estará sendo enviada para uma das Estações de Tratamento de Esgoto da Cagece Esse trabalho de extensão tem o propósito de aplicar os conceitos da Termodinâmica Clássica relativos a sistemas abertos Cap 4 e 5 do Shapiro a fim de identificar alguns parâmetros de projeto que podem contribuir nessa determinação Basicamente esse processo de secagem deve ser realizado através do fluxo de ar retirado do meio ambiente que flui ao longo do contêiner para consegue remover a umidade retida na areia a ponto de deixála com uma umidade residual máxima de 6 depois de um determinado número de horas de operação do sistema como um todo Como apresentado in loco o desenho esquemático abaixo tenta retratar o arranjo geral a respeito da estratégia de regeneração de energia enquanto sistema híbrido de secagem de lodo e areia Nele é mostrado as diversas fontes de energia captando de forma direta através da incidência da luz solar sobre o piso radiante com areia atravessando os vidros do teto e janelas laterais do contêiner e também de forma indireta conjugando as energias captadas nos coletores solares e do trocador de calor inserido na Caldeira de Leito Fluidizado Objetivamente desejase saber quanto tempo a areia será secada e qual a vazão necessária para tal condição de trabalho Em princípio deverá ser consultado na internet informações sobre a Irradiação Solar Média e também a Umidade Média do Ar em Fortaleza Entretanto alguns dados complementares podem ser adiantados para serem aplicados nos cálculos tais como Área dos Coletores Solares 2 x 1 m2 sendo 8 coletores de cada lado Área do Piso Radiante 17 x 9 m2 Altura da Areia sobre o Piso 01 m Porosidade da Areia 40 Poder Calorífico do Combustível lodo de esgoto seco 10 MJkg Vão livre sobre o Piso Radiante 23 m de largura x 15 m de altura Comprimento do Contêiner 12 m que corresponde a um volume livre de 44 m3 aproximadamente Eficiência de Extração de Energia da Caldeira 85 SUMÁRIO INTRODUÇÃO UNIDADES UTILZIADAS PROBLEMA APRESENTADO RESOLUÇÃO DO PROBLEMA CONCLUSÃO Introdução A secagem de materiais é um processo essencial em diversas indústrias especialmente no tratamento de resíduos e na gestão de efluentes No caso da UsinaModelo da Cagece a secagem da areia faz parte de um sistema híbrido que combina energia solar e energia térmica para reduzir a umidade da areia e do lodo facilitando seu transporte armazenamento e reutilização de forma sustentável Este estudo tem como objetivo determinar o tempo necessário para a secagem da areia e a vazão de ar necessária para remover a umidade residual Para isso aplicamos conceitos da Termodinâmica Clássica analisando o balanço de energia no sistema e considerando diferentes fontes de calor como a radiação solar o aquecimento da caldeira e a convecção do ar ambiente O processo ocorre dentro de um contêiner de secagem onde a areia recebe calor diretamente da radiação solar e indiretamente do piso radiante e dos coletores solares Além disso uma caldeira de leito fluidizado pode ser utilizada para fornecer calor adicional ao sistema O fluxo de ar retirado do meio ambiente desempenha um papel crucial ao remover a umidade evaporada garantindo que a areia atinja a umidade residual desejada de 6 após um determinado período de operação A correta determinação desses parâmetros é fundamental para otimizar o processo garantindo eficiência energética redução de custos operacionais e maior sustentabilidade na operação da usina Ao compreender os fatores que influenciam a secagem é possível aprimorar a tecnologia empregada e desenvolver soluções mais eficazes para o tratamento e reaproveitamento de resíduos Unidades Utilizadas no Problema No estudo do tempo de secagem da areia e da vazão de ar necessária utilizamos diferentes grandezas físicas e suas respectivas unidades Abaixo está uma listagem das principais unidades envolvidas 1 Energia e Calor Joule J unidade de energia no Sistema Internacional SI Megajoule MJ 106 Quilojoule por quilograma kJkg usado para calor latente de vaporização Quilowatthora kWh unidade comum para energia solar 3X106 2 Massa e Densidade Quilograma kg unidade de massa no SI Quilograma por metro cúbico kgm³ usado para densidade da areia e do ar 3 Volume e Área Metro cúbico m³ unidade de volume Litro L 103 mA Metro quadrado m² unidade de área usada para coletores solares e piso radiante 4 Tempo e Vazão Segundo s unidade de tempo no SI Hora h3600 s Dia d 24h Metro cúbico por segundo m³s unidade de vazão volumétrica do ar Litro por segundo Ls unidade alternativa para vazão de ar 5 Propriedades Térmicas Calor específico JkgK quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 1 kg de substância em 1 K Temperatura C ou K usada para descrever as condições do ambiente e do sistema Eficiência fração da energia útil em relação à energia total disponível PROBLEMA APRESENTADO Objetivamente desejase saber quanto tempo a areia será secada e qual a vazão necessária para tal condição de trabalho Em princípio deverá ser consultado na internet informações sobre a Irradiação Solar Média e também a Umidade Média do Ar em Fortaleza Entretanto alguns dados complementares podem ser adiantados para serem aplicados nos cálculos tais como Área dos Coletores Solares 2 x 1 m2 sendo 8 coletores de cada lado Área do Piso Radiante 17 x 9 m2 Altura da Areia sobre o Piso 01 m Porosidade da Areia 40 Poder Calorífico do Combustível lodo de esgoto seco 10 MJkg Vão livre sobre o Piso Radiante 23 m de largura x 15 m de altura Comprimento do Contêiner 12 m que corresponde a um volume livre de 44 m3 aproximadamente Eficiência de Extração de Energia da Caldeira 85 RESOLUÇÃO DO PROBLEMA APRESENTADO 1 Energia Solar Disponível A energia solar incidente é captada pelos coletores solares e pelo piso radiante Área dos coletores solares 16 m² 8 coletores de cada lado cada um com 2 m² Área do piso radiante 153 m² 17 m x 9 m Irradiação solar média diária em Fortaleza 55 kWhm²dia 198 MJm²dia Energia total diária captada Qcoletores 198 MJm²dia 16 m² 3168 MJdia Qpiso 198 MJm²dia 153 m² 30294 MJdia 2 Energia da Caldeira A caldeira utiliza lodo de esgoto seco como combustível com poder calorífico de 10 MJkg e eficiência de extração de 85 Energia útil fornecida pela caldeira Qcaldeira massa de combustível 10 MJkg 085 3 Energia Total Disponível Qtotal Qcoletores Qpiso Qcaldeira 4 Massa de Água a Ser Evaporada Volume total de areia 153 m³ Volume de poros 0612 m³ Massa inicial de água 612 kg Massa final de água desejada 6 de umidade 14688 kg Massa de água a ser evaporada 46512 kg 5 Energia Necessária para Evaporação Energia necessária para evaporar a água Qnecessário 46512 kg 2260 kJkg 105165 MJ 6 Tempo de Secagem Sem caldeira Tempo 105165 MJ 61974 MJdia 17 dias 41 horas Com caldeira 170 MJdia Tempo 105165 MJ 78974 MJdia 133 dias 32 horas 7 Determinação da Vazão de Ar Necessária Taxa de evaporação 404 10³ kgs Vazão de ar necessária 0404 kgs Vazão volumétrica 337 Ls CONCLUSÃO O estudo do sistema híbrido de secagem da areia na UsinaModelo da Cagece demonstra a importância do balanço de energia para estimar o tempo necessário para a secagem e a vazão de ar adequada para remoção da umidade A análise levou em consideração diferentes fontes de energia como a radiação solar captada pelos coletores solares e pelo piso radiante além do calor gerado pela caldeira de leito fluidizado Os cálculos realizados mostraram que sem o uso da caldeira o tempo de secagem da areia seria de aproximadamente 41 horas No entanto ao incluir energia térmica adicional da caldeira 170 MJdia esse tempo é reduzido para cerca de 32 horas tornando o processo mais eficiente Além disso verificouse que a vazão de ar necessária para remover a umidade evaporada é de aproximadamente 337 Ls o que evidencia a importância de um fluxo de ar adequado para garantir a secagem eficiente Esses resultados demonstram que a integração de diferentes fontes de energia e um controle adequado do fluxo de ar podem otimizar o processo de secagem garantindo maior eficiência energética e operacionalidade do sistema Além disso a análise possibilita aprimoramentos no projeto permitindo ajustes na quantidade de energia utilizada e no tempo de operação visando redução de custos e sustentabilidade ambiental no tratamento de resíduos
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA LABORATÓRIO DE COMBUSTÃO ENERGIAS RENOVÁVEIS E HIDROGÊNIO 150225 TRABALHO DE EXTENSÃO USINAMODELOPROJETO CAGECE BALANÇO DE ENERGIA DO SISTEMA HÍBRIDO DE SECAGEM DE LODO E AREIA Prezados as Alunos e Alunas Conforme prometido estou lhes encaminhando material com intuito de possibilitar a determinação do tempo de secagem da areia que está depositada sobre o piso radiante do Sistema híbrido de Secagem do Projeto da UsinaModelo a qual em breve estará sendo enviada para uma das Estações de Tratamento de Esgoto da Cagece Esse trabalho de extensão tem o propósito de aplicar os conceitos da Termodinâmica Clássica relativos a sistemas abertos Cap 4 e 5 do Shapiro a fim de identificar alguns parâmetros de projeto que podem contribuir nessa determinação Basicamente esse processo de secagem deve ser realizado através do fluxo de ar retirado do meio ambiente que flui ao longo do contêiner para consegue remover a umidade retida na areia a ponto de deixála com uma umidade residual máxima de 6 depois de um determinado número de horas de operação do sistema como um todo Como apresentado in loco o desenho esquemático abaixo tenta retratar o arranjo geral a respeito da estratégia de regeneração de energia enquanto sistema híbrido de secagem de lodo e areia Nele é mostrado as diversas fontes de energia captando de forma direta através da incidência da luz solar sobre o piso radiante com areia atravessando os vidros do teto e janelas laterais do contêiner e também de forma indireta conjugando as energias captadas nos coletores solares e do trocador de calor inserido na Caldeira de Leito Fluidizado Objetivamente desejase saber quanto tempo a areia será secada e qual a vazão necessária para tal condição de trabalho Em princípio deverá ser consultado na internet informações sobre a Irradiação Solar Média e também a Umidade Média do Ar em Fortaleza Entretanto alguns dados complementares podem ser adiantados para serem aplicados nos cálculos tais como Área dos Coletores Solares 2 x 1 m2 sendo 8 coletores de cada lado Área do Piso Radiante 17 x 9 m2 Altura da Areia sobre o Piso 01 m Porosidade da Areia 40 Poder Calorífico do Combustível lodo de esgoto seco 10 MJkg Vão livre sobre o Piso Radiante 23 m de largura x 15 m de altura Comprimento do Contêiner 12 m que corresponde a um volume livre de 44 m3 aproximadamente Eficiência de Extração de Energia da Caldeira 85 SUMÁRIO INTRODUÇÃO UNIDADES UTILZIADAS PROBLEMA APRESENTADO RESOLUÇÃO DO PROBLEMA CONCLUSÃO Introdução A secagem de materiais é um processo essencial em diversas indústrias especialmente no tratamento de resíduos e na gestão de efluentes No caso da UsinaModelo da Cagece a secagem da areia faz parte de um sistema híbrido que combina energia solar e energia térmica para reduzir a umidade da areia e do lodo facilitando seu transporte armazenamento e reutilização de forma sustentável Este estudo tem como objetivo determinar o tempo necessário para a secagem da areia e a vazão de ar necessária para remover a umidade residual Para isso aplicamos conceitos da Termodinâmica Clássica analisando o balanço de energia no sistema e considerando diferentes fontes de calor como a radiação solar o aquecimento da caldeira e a convecção do ar ambiente O processo ocorre dentro de um contêiner de secagem onde a areia recebe calor diretamente da radiação solar e indiretamente do piso radiante e dos coletores solares Além disso uma caldeira de leito fluidizado pode ser utilizada para fornecer calor adicional ao sistema O fluxo de ar retirado do meio ambiente desempenha um papel crucial ao remover a umidade evaporada garantindo que a areia atinja a umidade residual desejada de 6 após um determinado período de operação A correta determinação desses parâmetros é fundamental para otimizar o processo garantindo eficiência energética redução de custos operacionais e maior sustentabilidade na operação da usina Ao compreender os fatores que influenciam a secagem é possível aprimorar a tecnologia empregada e desenvolver soluções mais eficazes para o tratamento e reaproveitamento de resíduos Unidades Utilizadas no Problema No estudo do tempo de secagem da areia e da vazão de ar necessária utilizamos diferentes grandezas físicas e suas respectivas unidades Abaixo está uma listagem das principais unidades envolvidas 1 Energia e Calor Joule J unidade de energia no Sistema Internacional SI Megajoule MJ 106 Quilojoule por quilograma kJkg usado para calor latente de vaporização Quilowatthora kWh unidade comum para energia solar 3X106 2 Massa e Densidade Quilograma kg unidade de massa no SI Quilograma por metro cúbico kgm³ usado para densidade da areia e do ar 3 Volume e Área Metro cúbico m³ unidade de volume Litro L 103 mA Metro quadrado m² unidade de área usada para coletores solares e piso radiante 4 Tempo e Vazão Segundo s unidade de tempo no SI Hora h3600 s Dia d 24h Metro cúbico por segundo m³s unidade de vazão volumétrica do ar Litro por segundo Ls unidade alternativa para vazão de ar 5 Propriedades Térmicas Calor específico JkgK quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 1 kg de substância em 1 K Temperatura C ou K usada para descrever as condições do ambiente e do sistema Eficiência fração da energia útil em relação à energia total disponível PROBLEMA APRESENTADO Objetivamente desejase saber quanto tempo a areia será secada e qual a vazão necessária para tal condição de trabalho Em princípio deverá ser consultado na internet informações sobre a Irradiação Solar Média e também a Umidade Média do Ar em Fortaleza Entretanto alguns dados complementares podem ser adiantados para serem aplicados nos cálculos tais como Área dos Coletores Solares 2 x 1 m2 sendo 8 coletores de cada lado Área do Piso Radiante 17 x 9 m2 Altura da Areia sobre o Piso 01 m Porosidade da Areia 40 Poder Calorífico do Combustível lodo de esgoto seco 10 MJkg Vão livre sobre o Piso Radiante 23 m de largura x 15 m de altura Comprimento do Contêiner 12 m que corresponde a um volume livre de 44 m3 aproximadamente Eficiência de Extração de Energia da Caldeira 85 RESOLUÇÃO DO PROBLEMA APRESENTADO 1 Energia Solar Disponível A energia solar incidente é captada pelos coletores solares e pelo piso radiante Área dos coletores solares 16 m² 8 coletores de cada lado cada um com 2 m² Área do piso radiante 153 m² 17 m x 9 m Irradiação solar média diária em Fortaleza 55 kWhm²dia 198 MJm²dia Energia total diária captada Qcoletores 198 MJm²dia 16 m² 3168 MJdia Qpiso 198 MJm²dia 153 m² 30294 MJdia 2 Energia da Caldeira A caldeira utiliza lodo de esgoto seco como combustível com poder calorífico de 10 MJkg e eficiência de extração de 85 Energia útil fornecida pela caldeira Qcaldeira massa de combustível 10 MJkg 085 3 Energia Total Disponível Qtotal Qcoletores Qpiso Qcaldeira 4 Massa de Água a Ser Evaporada Volume total de areia 153 m³ Volume de poros 0612 m³ Massa inicial de água 612 kg Massa final de água desejada 6 de umidade 14688 kg Massa de água a ser evaporada 46512 kg 5 Energia Necessária para Evaporação Energia necessária para evaporar a água Qnecessário 46512 kg 2260 kJkg 105165 MJ 6 Tempo de Secagem Sem caldeira Tempo 105165 MJ 61974 MJdia 17 dias 41 horas Com caldeira 170 MJdia Tempo 105165 MJ 78974 MJdia 133 dias 32 horas 7 Determinação da Vazão de Ar Necessária Taxa de evaporação 404 10³ kgs Vazão de ar necessária 0404 kgs Vazão volumétrica 337 Ls CONCLUSÃO O estudo do sistema híbrido de secagem da areia na UsinaModelo da Cagece demonstra a importância do balanço de energia para estimar o tempo necessário para a secagem e a vazão de ar adequada para remoção da umidade A análise levou em consideração diferentes fontes de energia como a radiação solar captada pelos coletores solares e pelo piso radiante além do calor gerado pela caldeira de leito fluidizado Os cálculos realizados mostraram que sem o uso da caldeira o tempo de secagem da areia seria de aproximadamente 41 horas No entanto ao incluir energia térmica adicional da caldeira 170 MJdia esse tempo é reduzido para cerca de 32 horas tornando o processo mais eficiente Além disso verificouse que a vazão de ar necessária para remover a umidade evaporada é de aproximadamente 337 Ls o que evidencia a importância de um fluxo de ar adequado para garantir a secagem eficiente Esses resultados demonstram que a integração de diferentes fontes de energia e um controle adequado do fluxo de ar podem otimizar o processo de secagem garantindo maior eficiência energética e operacionalidade do sistema Além disso a análise possibilita aprimoramentos no projeto permitindo ajustes na quantidade de energia utilizada e no tempo de operação visando redução de custos e sustentabilidade ambiental no tratamento de resíduos