Um forno queima gás natural
e
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
, 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:
, ÓleO
. Calor de vaporização: Óleo
. Premissas: (1) A vazão de combustivel no forno é 150
, queimados com
em excesso de ar; (2) A eficiência na zona de radiação pode ser estimada como
; (3) A superficie aletada de troca térmica na zona de conveç̧ão é
e o arranjo dos tubos equivale a um comportamento contracorrente com coeficiente global de transferência de calor estimado de
; (4) O coeficiente global de transferência de calor na nova serpentina será de
; (5) A temperatura de admissão de ar e combustivel e a temperatura de referência em relação ao poder calorifico são iguais a
.
Passo 1
Beleza, vamos entender o que está sendo pedido aqui. Temos um forno que queima gás natural, que é 90% metano (
) e 10% etano (
), para aquecer um óleo térmico chamado Dowtherm A. O óleo entra no forno líquido a
, 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%
e 10%
. Para cada componente, vamos calcular a quantidade de oxigênio necessária para a combustão completa.
A combustão completa das reações químicas são:
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
,
,
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:
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:
onde
é o coeficiente de transferência de calor,
é a área e
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%.