Uma caldeira industrial produz 100,0 Mg / h de vepor dágua superaquecido a 2,0 MPa e 550 K a partir de água a 400 K . Metano puro a 300 K e queimado com 15,0 % 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 1 % do poder calorifico inferior do metano é perdido como calor através das paredes, calcule:
c. a eficiência global de operação da caldeira, baseada no PCl .
Observaçảo: Eficiência =( Taxa de Calor absorvida Taxa de Calor Liberada na Combustão ) times 100 çêã

Passo 1

Beleza, vamos entender qual é a parada aqui! Temos uma caldeira industrial que está produzindo vapor d’água super aquecido e queremos calcular a eficiência global de operação dessa caldeira baseada no Poder Calorífico Inferior (PCI). Para isso, vamos usar conceitos de termodinâmica, especialmente relacionados à combustão e transferência de calor. Precisamos considerar as perdas de calor, a quantidade de ar em excesso na queima do metano e como o calor está sendo aproveitado na caldeira.

Passo 2

Primeiro, vamos identificar a taxa de produção de vapor, que é de 100,0 , Mg/h. Precisamos converter essa massa para kg por segundo para facilitar os cálculos:
100,0 , Mg/h = 100.000 , kg/h = 100.0003600 approx 27,78 , kg/s

Passo 3

Agora, vamos calcular a taxa de calor absorvida pela água para ser convertida em vapor superaquecido. Usamos a equação de calor:
dotQabsorvida = dotm times (hsuperaquecido - hágua inicial) á
Onde:
  • dotm = 27,78 , kg/s
  • hsuperaquecido e hágua inicialá são as entalpias específicas do vapor superaquecido a 550 K e da água a 400 K, respectivamente.
Para simplificar, consideraremos o aumento de entalpia necessário para aquecer a água de 400 K até 550 K.

Passo 4

Vamos precisar do calor específico da água ( cp) para calcular a energia necessária para aquecer a água:
dotQabsorvida = dotm times cp times De
Assumindo cp approx 4,18 , kJ/(kg cdot K) e De, temos:
dotQabsorvida = 27,78 times 4,18 times 150 approx 17.420 , kJ/s = 17.420 , kW

Passo 5

Agora, vamos calcular a taxa de calor liberada na combustão do metano. Sabemos que há 15,0% de excesso de ar na queima. O metano ( CH4) tem o PCI de aproximadamente 50 , MJ/kg.
Primeiro, calculamos a quantidade de metano necessária para gerar a taxa de calor absorvida, ajustando para o excesso de ar e as perdas.

Passo 6

Considerando que 1% do PCI é perdido pelas paredes:
dotQperdas = 0,01 times dotQcombustão ã
E a taxa de calor liberada na combustão é:
dotQcombustão = dotQabsorvida + dotQperdas = 17.420 + 0,01 times dotQcombustão ãã
Resolvendo para dotQcombustãoã:
dotQcombustão = 17.4201 - 0,01 approx 17.420 / 0,99 approx 17.595 , kW ã

Passo 7

Agora, calculamos a eficiência global da caldeira usando a fórmula dada:
Eficiência = (dotQabsorvidadotQcombustão) times 100 = (17.42017.595) times 100 approx 99,1% êã

Resposta

A eficiência global de operação da caldeira baseada no PCI é aproximadamente 99,1%.

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