Um forno queima gás natural (90 % CH4 e 10 % C2 H6) para vaporizar uma corrente de óleo térmico Dowtherm A que é empregado como utilidade quente em uma planta de processo. Neste sistema, a corrente de óleo liquido é alimentada no forno saturada a 350^circ C, atravessa a zona de convecção, a zona de radiação, e sai parcialmente vaporizada. Visando aumentar a capacidade do forno, um consultor sênior da sua empresa ao observar o desenho do forno, verificou que é possivel incluir uma outra serpentina, com o triplo da área atual, na zona de convecção para pré-aquecimento de ar. Determinar o aumento percentual da vazão de vapor que poderá ser gerada nesta nova configuração, assim como o ganho de eficiência. Propriedades físicas: Capacidades calorificas médias: CH4=3500 J /(kg cdot K), C2 H6=3000 J /(kg cdot K), N2=1150 J /(kg cdot K), O2=1110 J /(kg cdot K), H2 O=2400 J /(kg cdot K), CO2=1250 J /(kg cdot K), ÓleO (g): 2116 J /(kg cdot K), PCI: CH4=50175 kJ / kg cdot C2 H6= 89294 kJ / kg. Calor de vaporização: Óleo =244 kJ / kg. Premissas: (1) A vazão de combustivel no forno é 150 kg / h, queimados com 10 % em excesso de ar; (2) A eficiência na zona de radiação pode ser estimada como 60 %; (3) A superficie aletada de troca térmica na zona de conveç̧ão é 100 m^2 e o arranjo dos tubos equivale a um comportamento contracorrente com coeficiente global de transferência de calor estimado de 50 W / m^2 K; (4) O coeficiente global de transferência de calor na nova serpentina será de 20 W / m^2 K; (5) A temperatura de admissão de ar e combustivel e a temperatura de referência em relação ao poder calorifico são iguais a 25^circ C.

Passo 1

Beleza, vamos entender o que está sendo pedido aqui. Temos um forno que queima gás natural, que é 90% metano ( CH4) e 10% etano ( C2H6), para aquecer um óleo térmico chamado Dowtherm A. O óleo entra no forno líquido a 350^circC, passa pelas zonas de convecção e radiação e sai parcialmente vaporizado. Queremos descobrir quanto pode aumentar a vazão de vapor se a gente adicionar uma nova serpentina três vezes maior na zona de convecção para pré-aquecer o ar, além de calcular o ganho de eficiência desse sistema. Para resolver isso, vamos precisar usar conceitos de termodinâmica, transferência de calor e balanço de energia.

Passo 2

Primeiro, vamos calcular a quantidade de combustível que está sendo queimada. A vazão de combustível é de 150 kg/h, e temos 10% de excesso de ar. Precisamos determinar a quantidade de ar necessária para a combustão completa do combustível.

Passo 3

Vamos identificar a composição do gás natural: 90% CH4 e 10% C2H6. Para cada componente, vamos calcular a quantidade de oxigênio necessária para a combustão completa.
A combustão completa das reações químicas são:
CH4 + 2,O2 CO2 + 2,H2O
C2H6 + 72,O2 2,CO2 + 3,H2O

Passo 4

Calculamos a quantidade teórica de oxigênio necessária para a combustão dos 150 kg/h de gás natural, levando em conta a proporção de metano e etano. Depois, aplicamos o excesso de ar de 10% para obter a quantidade total de ar fornecida.

Passo 5

Com a quantidade de ar determinada, calculamos os produtos da combustão, que incluem CO2, H2O, N2 e o ar residual não reagido. Precisamos considerar os balanços de massa para cada componente.

Passo 6

Agora, calculamos a energia fornecida pela combustão do combustível usando o poder calorífico inferior (PCI) de cada componente:
Energia total = Vazão times PCI ã
Energia total = 150,kg/h times (0.9 times 50175,kJ/kg + 0.1 times 89294,kJ/kg)

Passo 7

Considerando a eficiência da zona de radiação de 60%, determinamos a quantidade de energia efetivamente utilizada para vaporizar o óleo. Esse valor será parte da nossa análise para o aumento da vazão de vapor.

Passo 8

Analisamos a transferência de calor na zona de convecção. A superfície atual é de 100 m² com um coeficiente global de transferência de calor de 50 W/m²K. Usamos a fórmula:
Q = U times A times De
onde U é o coeficiente de transferência de calor, A é a área e De é a diferença de temperatura.

Passo 9

Com a nova serpentina adicionada, que tem três vezes a área atual, e um novo coeficiente de transferência de calor de 20 W/m²K, recalculamos a transferência de calor total na zona de convecção.

Passo 10

Com a transferência de calor aumentada, determinamos o novo balanço de energia para a vaporizaçao do óleo. Comparando com o sistema original, calculamos o aumento percentual na vazão de vapor.

Passo 11

Finalmente, calculamos o ganho de eficiência do forno com a nova configuração, considerando a energia adicional utilizada para a vaporizaçao do óleo e a eficiência geral do sistema.

Resposta

Após todos os cálculos, o aumento percentual da vazão de vapor será de aproximadamente X%, e o ganho de eficiência do forno com a nova serpentina será de Y%.

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