3- Uma caldeira flamotubular produz vapor saturado à razão de
, a
e
, com título
. O conteúdo de entalpia do vapor é hv=
. A água de alimentação entra à caldeira a
, com entalpia hf
. O consumo de combustível da caldeira é
e o poder calorífico inferior (PCI) do combustível é
. A potência elétrica demandada pelos sistemas auxiliares (insuflamento e tiragem) é
.
a) Calcule a eficiência térmica bruta da caldeira, definida como a razão entre a potência térmica útil provida ao vapor e a potência térmica fornecida pelo combustível. Apresente o resultado em percentual.
b) Calcule a eficiência térmica líquida, subtraindo a potência dos auxiliares da potência útil antes de calcular a razão. Apresente o resultado em percentual.
c) Mostre todos os cálculos com conversões de unidades quando necessário e explique brevemente cada passo.
a) Calcule a eficiência térmica bruta da caldeira, definida como a razão entre a potência térmica útil provida ao vapor e a potência térmica fornecida pelo combustível. Apresente o resultado em percentual.
b) Calcule a eficiência térmica líquida, subtraindo a potência dos auxiliares da potência útil antes de calcular a razão. Apresente o resultado em percentual.
c) Mostre todos os cálculos com conversões de unidades quando necessário e explique brevemente cada passo.
Passo 1
Aqui está o que o enunciado pede e os dados fornecidos, organizadinhos pra gente não se perder:
Perguntas:
- (a) Calcular a eficiência térmica bruta da caldeira (razão entre a potência térmica útil fornecida ao vapor e a potência térmica fornecida pelo combustível), em percentual.
- (b) Calcular a eficiência térmica líquida, subtraindo a potência dos auxiliares da potência útil antes de calcular a razão, em percentual.
Dados (retirei exatamente do enunciado):
Observações óbvias (apenas para organizar): a entalpia do vapor e da água de alimentação já foram dadas; a potência útil térmica entregue ao vapor será calculada pela diferença de entalpias multiplicada pela vazão mássica do vapor. Também precisaremos converter unidades de
e
para
quando for conveniente (vou explicar e mostrar as conversões).
Passo 2
Conceitos e fórmulas que vamos usar (explicadinhas, sem enrolação):
-
Entalpia específica
(em ) é a energia por unidade de massa associada a um fluxo de fluido. Ao aquecer água até vapor, a energia fornecida por kg é a diferença . -
Taxa de energia térmica (potência térmica) associada a um fluxo de massa é
onde
está em
se
estiver em
e
em
. Para trabalhar em
(que é
), usamos a conversão
Logo, para passar
para
dividimos por
.
- Eficiência térmica bruta:
- Eficiência térmica líquida (aqui definida no enunciado): subtrair a potência dos auxiliares
da potência útil antes de calcular a razão:
Vou aplicar essas fórmulas passo a passo com as conversões.
Passo 3
Calcular a variação de entalpia por quilograma de água transformada em vapor:
Explicação: cada kg de água que entra a
e sai como vapor com
recebeu
de energia térmica.
Passo 4
Calcular a potência térmica útil fornecida ao vapor (primeiro em
, depois em
).
Energia por hora:
Converter para
:
Se preferir pensar em
:
e
— dá o mesmo resultado.
Comentário amigável: essa
é a taxa de energia que está indo para o fluido, ou seja, o “serviço” que a caldeira dá.
Passo 5
Calcular a potência térmica fornecida pelo combustível (energia do combustível por hora e conversão para
).
Energia térmica do combustível por hora:
Converter para
:
Comentário: essa é a potência térmica disponível do combustível (usar PCI, inferior, como dado).
Passo 6
Calcular a eficiência térmica bruta:
Fazendo a divisão:
Interpretação rápida: cerca de
da energia contida no combustível foi transferida para aquecer/vaporar a água (sem descontar auxiliares).
Passo 7
Calcular a eficiência térmica líquida (subtraindo potência dos auxiliares antes de dividir).
Potência útil líquida (tirando os auxiliares):
Agora a eficiência:
Comentário: a diferença entre bruta e líquida aqui é pequena porque
é pequeno comparado à potência térmica útil (~1309 kW). Ainda assim, é correto descontá-lo quando pedem eficiência líquida.
Passo 8
Resumo das conversões e checagem de unidades (breve, para você poder reproduzir na prova):
- Usamos
em e em para obter em . - Convertendo
para : dividir por . - Alternativa: converter
para dividindo por e multiplicar por em dá diretamente . - Cálculos numéricos chave (repetindo):
Resposta
(a)
(b)
(b)