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:
c. a eficiência global de operação da caldeira, baseada no PCl .
c. a eficiência global de operação da caldeira, baseada no PCl .
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
. Precisamos converter essa massa para kg por segundo para facilitar os cálculos:
Passo 3
Agora, vamos calcular a taxa de calor absorvida pela água para ser convertida em vapor superaquecido. Usamos a equação de calor:
Onde:
-
-
e 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 (
) para calcular a energia necessária para aquecer a água:
Assumindo
e
, temos:
Passo 5
Agora, vamos calcular a taxa de calor liberada na combustão do metano. Sabemos que há
de excesso de ar na queima. O metano (
) tem o PCI de aproximadamente
.
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
do PCI é perdido pelas paredes:
E a taxa de calor liberada na combustão é:
Resolvendo para
:
Passo 7
Agora, calculamos a eficiência global da caldeira usando a fórmula dada:
Resposta
A eficiência global de operação da caldeira baseada no PCI é aproximadamente 99,1%.