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P2 - Máquinas Térmicas I Alice Hauck - GRR20152081 1) Caldeira Flamotubular Gás combustível {PCI = 40.000 kJ/kg) AC0 = 13,2 kg ar / kg mb 30% de excesso de ar Tubo {D = 0,8 m L = 5 m ηf = 95% ε = 0,8 z = 0 p5 = 3% Ts = 210°C (saída de gases) ṁv = 12.000 kg/h 3,333 kg/s Pv = 15 bar (vapor saturado) T = 90°C (Água de aliment) Dados: Tamb = 20°C ; cpG = 1,1 kJ/kg.K a) Eficiência térmica da caldeira: η = ηf - (P5 + P6) AC = 1,3 AC0 = 17,16 P6 = (AC + 1 - z) * cpG (Ts,CH - Ta) = 0,094886 PCI -> 40.000 η = 0,95 - (0,03 + 0,094886) η = 82,5114% b) Vazão mássica cb (kg/h): Pelo EES: hv (P=15bar; x=1) = 2792,2 kJ/kg hl (T = 90°C; x = 0) = 376,92 kJ/kg ṁcb = ṁv (hv-hl) = 12.000 (2792,2 - 376,92) η * PCI 0,825144 (40.000) ṁcb = 878,1623 kg/h = 0,244 kg/s c) Coeficiente de irradiação (Ci) e a temp. de combustão: QR = εσA (TG⁴ - TP⁴) ṁG = ṁcb (AC + 1) = 0,244 (17,16 + 1) -> ṁG = 4,4298 kg/s ε = 0,8 G = 5,67 x 10⁻⁸ kW/m².K⁴ TP = Tv + 20°C (Tv = Tsat (P=15bar) = 198,3°C) TP = 198,3 + 20 = 218,3°C A = 2πRL = πDL = π.0,8.5 = 12,5664 m² Então: QR = 0,8.5,67x10⁻⁸.12,5664 (TG⁴ - TP⁴) TG = Ta + nf.ṁcb.PCI - QR ṁcb(AC + 1 - z) ε cpG TG = 293 + 0,95.0,244.40000 - QR 0,244 (17,16 + 1) 1,1 TG = 1541,2695 K = 1268,26 °C Então: QR = 0,8 x 5,67x10⁻⁸ x 12,5664 (1541,269⁴ - 471,45⁴) QR = 3188,445 kW QF = ηf.ṁcb.PCI = 0,95.0,244.40000 QF = 9272 kW Logo: Ci = QR = 3188,445 = 0,3439 QF 9272 Ci = 0,3439 d) d = 100 mm; L = 5 m número de tubos = ? h = 70 W/m².K ΔTML = (TG - TV) - (TCH - TV) ln ( TG - TV ) ( TCH - TV ) ΔTml = \( \frac{(1268,26 - 198,3) - (210 - 198,3)}{\ln \left( \frac{1268,26 - 198,3}{210 - 198,3} \right)} \) ΔTml = 234,35ºC \(\dot{Q}_{conv} = \dot{m} (h_v - h_l) - Ci. ηf. ṁcb. PCI\) Qconv = \(\frac{12.000}{60,60} (279,2,2 - 376,92) - 0,3439, 0,95, 0,244, 40.10^3\) \(\dot{Q}_{conv} = 4862,293 kW\) \(Q_{conv} = A h ΔTml\) A = \(\frac{Q_{conv} = 4862,293 x 10^3}{h. ΔTml} = \frac{296,4}{70 . 234,35} = 296,4 m^2\) A = N π DL N = \(\frac{A}{π DL} = \frac{296,4}{π . 0,1 . 5} = 188,696\) \(N = 189 tubos\) 3) a) Descreva as funções desempenhadas pelo tambor de vapor: O tambor de vapor é um tambor cilíndrico que tem a finalidade de separar o vapor do líquido (saturados). Essa separação ocorre, pois a água líquida carrega mais impurezas, e essas impurezas são indesejadas no decorrer do processo na caldeira. Visto que a separação é muito afetada pela variação das taxas de geração de vapor e depende da diferença de densidade, é possível associar outros dispositivos, como defletores, separadores centrífugos e lavadores de vapor, com o objetivo de aumentar a eficiência de separação. b) As emissões de NOx podem ser controladas antes da combustão (pela redução do combustível, durante a combustão (reduzindo a temperatura da chama, fornecendo menos ar de combustão em certos estágios, recirculação de gases de combustão). Atualmente, também é possível controlar as emissões após a combustão (redução catalítica seletiva (SCR) ou redução não catalítica seletiva SNCR)). Principais controle de material particulado: - Coletor mecânicos (ciclone e multiciclone): partículas são separadas do gás pelo efeito da força centrífuga. - Filtros de manga: filtro de tecido utilizado para reter partículas. - Precipitadores eletrostáticos: ionização de partículas por campo elétrico. Controle de CO2: é controlado pela escolha adequada da composição do combustível e evitando o excesso de ar. 2) a) Rendimento: Pi = 0; p2 = 0,03; p3 = 0,02; p4 = 0,02; p5 = 0,04 p6 = (AC + 1 - x). Cp.G (Tch - Ta) / PCI ACo = 0,33 PCI / 19600 10^3 Aco = 6,468 AC = 1,3 Aco AC = 8,4084 Cp.G = 1,028 kJ/kg.K; Tch = 220°C; Ta = 20°C p6 = (8,4084 + 1). 1,028 (220 - 20) / 19600 p6 = 0,0987 η = 1 - (0 + 0,03 + 0,02 + 0,02 + 0,04 + 0,0987) = 0,791 η = 79,1% b) ṁcb [kg/h] ṁv = 20000 kg/h hv (x=1, p=15bar) = 2792,2 kJ/kg hl (x=0, T=80°C) = 334,91 kJ/kg ṁcb * η * PCI = ṁv * (hv - hl) ṁcb * 0,791 * 19600 = 20000 * (2792,2 - 334,91) ṁcb = 3169,96 kg/h ≈ 0,88 kg/s