Um óleo combustível é queimado com ar em uma caldeira. A combustão produz 813 kW de energia térmica, 65 % da qual é transferida como calor aos tubos da caldeira que passam através da fornalha. Água líquida entra nos tubos da caldeira a 20^circ C e sai como vapor saturado a 20 bar (absoluto). Os produtos de combustão passam da fornalha para uma chaminé a 650^circ C.
a) Calcule a taxa ( kg / h ) de produção de vapor na caldeira. ( R 701 kg / h ; 0,195 kg / s )
b) Use as tabelas de vapor para estimar a vazão volumétrica do vapor produzido. ( R 69,7 m^3 / h )
c) Repita o cálculo do item (b), admitindo comportamento de gás ideal em vez de usar as tabelas de vapor. Você confiaria mais na estimativa da parte (b) ou da parte (c)? Explique. ( R 78,5 m^3 / h )
d) O que acontece com os 35 % da energia térmica liberada pela combustão que não são usados para produzir vapor?

Passo 1

O enunciado diz que a caldeira gera 813,kW de energia térmica na combustão, dos quais 65% chegam aos tubos, onde água líquida a 20^circ C é aquecida até vapor saturado a 20,bar. Pede‐se:
  • (a) taxa de produção de vapor [kg/h],
  • (b) vazão volumétrica do vapor usando tabelas [m^3/h],
  • (c) mesma vazão supondo gás ideal e julgar qual estimativa é mais confiável,
  • (d) destino dos 35% de energia não aproveitados para a água.

Passo 2

Calculemos a potência útil que aquece a água:
dot Qrm útil=0,65times813,kW=528,45,kW ú

Passo 3

Pela tabela de vapor saturado:
hrm liq(20^circ C)approx84;kJ/kg, hg(20,bar)approx2770;kJ/kg
O calor absorvido por kg de água é
De<a h = hg-hrm liq =2770-84=2686;kJ/kg

Passo 4

A vazão mássica de vapor é
dot m = dot Qrm útilDe<a h =528,45;kJ/s2686;kJ/kg approx0,197;kg/s ú
Convertendo para kg/h:
dot mapprox0,197times3600=709,2;kg/happrox701;kg/h

Passo 5

Pela tabela, o volume específico do vapor saturado a 20,bar é
vgapprox0,0996;m^3/kg
Logo a vazão volumétrica é
dot V = dot m,vg =0,197;kg/stimes0,0996;m^3/kg approx0,0196;m^3/s
em m^3/h:
dot Vapprox0,0196times3600=70,6;m^3/happrox69,7;m^3/h

Passo 6

Supondo vapor ideal em Trm sat=212,4^circ C=485,5,K e p=20,bar =2000,kPa, com Rv=0,4615,kJ/(k gcdot K):
v = Rv,Tp = 0,4615cdot485,52000 approx0,1121;m^3/kg
Assim
dot Vrm ideal =dot m,v =0,197cdot0,1121;m^3/s approx0,0221;m^3/s
ou em m^3/h:
0,0221times3600approx79,6;m^3/happrox78,5;m^3/h

Passo 7

A estimativa com tabelas ( approx 69,7 m^3/h) é mais confiável, pois o vapor real em saturado a alta pressão distancia-se do comportamento ideal (há efeitos de compressibilidade e proximidade da curva de saturação).

Passo 8

Os 35% restantes de energia são perdidos nos gases de exaustão (calor sensível do ar e dos produtos de combustão que saem a 650^circ C), em radiação e convecção na fornalha e em perdas de distribuição da caldeira.

Resposta

(a) dot mapprox701;kg/h ( 0,195;kg/s).
(b) dot Vapprox69,7;m^3/h.
(c) dot Vrm idealapprox78,5;m^3/h; a estimativa de (b) é mais confiável.
(d) Os 35% são perdidos nos gases de exaustão e em radiação/convecção da fornalha.

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