Uma caldeira industrial produz
de vepor dágua superaquecido a
e 550 K a partir de água a 400 K . Metano puro a 300 K e queimado com
de excesso de ar. Os gases da combustão deixam a caldeira a 600 K e são resfriados a 400 K em um trocador de calor, conhecido como preaquecedor de ar, onde o fluido de resfriamento é o ar de combustão que será usado na queima do metano. O ar está disponivel a 300 K . Considerando que
do poder calorifico inferior do metano é perdido como calor através das paredes, calcule:
b. o consumo de gás combustível;
b. o consumo de gás combustível;
Passo 1
Beleza, vamos lá! O enunciado fala sobre uma caldeira industrial que produz vapor d’água superaquece usando metano como combustível. A gente precisa calcular o consumo de gás combustível, ou seja, quanto de metano está sendo queimado por hora. Para isso, vamos usar conceitos de balanço de energia na combustão, considerando o excesso de ar e as perdas de calor pelas paredes. Vamos precisar das propriedades do metano, das condições de operação da caldeira e aplicar as equações de balanço de energia.
Passo 2
Primeiro, vamos entender a quantidade de vapor que a caldeira está produzindo. Ela gera
de vapor d’água. Mg significa megagramas, que é igual a 1000 kg. Então, estamos falando de 100.000 kg/h de vapor. Esse vapor está a uma pressão de
e temperatura de
, vindo da água a
.
Passo 3
Agora, vamos focar no combustível. O metano (
) é queimado com 15% de excesso de ar. Isso significa que a quantidade de ar fornecida é 15% maior do que a necessária para a combustão completa do metano. Precisamos calcular quanto metano está sendo consumido para produzir o vapor.
Passo 4
Vamos considerar que há perdas de calor através das paredes da caldeira, que correspondem a 1% do poder calorífico inferior (PCI) do metano. O PCI do metano é a quantidade de energia liberada quando uma unidade de massa de metano queima completamente.
Passo 5
Vamos montar a equação de balanço de energia. A energia produzida pela combustão do metano deve igualar a energia necessária para gerar o vapor mais as perdas de calor:
Onde:
-
: taxa de consumo de metano (kg/h) -
: poder calorífico inferior do metano -
: taxa de produção de vapor (100.000 kg/h) -
: entalpia do vapor a 550 K -
: entalpia da água a 400 K
Passo 6
Vamos reorganizar a equação para resolver para
:
Passo 7
Precisamos dos valores de entalpia para o vapor e para a água. Vamos supor que, a essas temperaturas e pressões, a entalpia específica do vapor (
) seja aproximadamente 2800 kJ/kg e da água (
) seja 1700 kJ/kg. Assim, a diferença
é:
Passo 8
O poder calorífico inferior do metano (
) é cerca de 50.0 MJ/kg, ou seja,
.
Passo 9
Agora, substituímos os valores na equação:
Resposta
O consumo de gás combustível é de aproximadamente
de metano.