CÁLCULO DO RENDIMENTO DE UM GERADOR DE VAPOR

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1 Universidade Federal do Paraná Curso de Engenharia Industrial Madeireira MÁQUINAS TÉRMICAS AT-101 Dr. Alan Sulato de Andrade CÁLCULO DO RENDIMENTO DE UM 1

2 INTRODUÇÃO: A principal forma de se avaliar um gerador de vapor, seria quanto a sua eficiência na conversão da energia contida no combustível necessária para se produzir vapor. INTRODUÇÃO: Obviamente, cada situação deve ser avaliada com cuidado. Economicamente nos dias atuais, esperamos que o gerador apresente o maior rendimento possível. Porém existe situações onde o rendimento do gerador é reduzido propositadamente devido a alguns fatores. Ex.: Empresa produz grande quantidade de resíduos, e estes são utilizados como combustível. Devido a grande disponibilidade, deve-se reduzir a eficiência para que os resíduos não se tornem um passivo ambiental. 2

3 INTRODUÇÃO: Para se determinar a eficiência, devemos levantar diversas informações, desde o tipo de equipamento até as perdas, quantidade de vapor produzido e combustível utilizado. INTRODUÇÃO: Vapor produzido Perdas Gases Outros Água, Ar Combustível 3

4 PERDAS DE CALOR NUM GV: Basicamente são as parcelas de calor não aproveitadas ou perdidas na produção de vapor. Ocasionais: Decorrentes de má operação ou deficiência de projeto ou equipamentos. (São os piores e devem ser eliminados) Normais: Intrínseco a cada gerador, pré-fixadas pelo projeto, fazendo parte da operação do equipamento. PERDAS DE CALOR NUM GV: Nas fornalhas Na combustão incompleta, cinzas, irradiação das paredes das fornalhas, dos gases de exaustão, parada, partida e variação de carga do GV. 4

5 PERDAS DE CALOR NUM GV: Perdas em outras partes do GV. Vazamentos e principalmente por problemas de isolamento térmico. PERDAS DE CALOR NUM GV: 5

6 PERDAS DE CALOR NUM GV: Com a utilização de materiais isolantes, pode-se retardar ou atenuar o fluxo de calor entre o GV e o meio. Tipos: Fibras cerâmicas, lã de vidro, refratários, sílicas e silicatos. Convecção Radiação Condução PERDAS DE CALOR NUM GV: As perdas podem variar conforme o combustível utilizado a concepção e a construção de cada equipamento. As perdas podem atingir valores superiores a 40%. 6

7 A transferência de calor em geradores de vapor é um complexo conjunto de fenômenos que envolvem troca de calor por radiação, convecção e condução térmica. O equacionamento teórico deste conjunto é complicado e exaustivo e grande parte do conhecimento adquirido e aplicado a troca de calor em caldeiras e fornos em geral é fruto de relações empíricas obtidas por tentativa e erro. Muitas informações e dados sobre a troca de calor em caldeiras são propriedades dos fabricantes de equipamentos e, por razões óbvias, não estão disponíveis na literatura aberta. As caldeiras devem ser dimensionadas de maneira a encontrar um compromisso ótimo entre o custo de investimento, representado pelas características e dimensões das superfícies de troca de calor, e o custo operacional, representado pelo rendimento térmico global do equipamento, objeto de nosso estudo neste moemento. 7

8 Para tanto, o conhecimento pleno da troca de calor relativo a caldeiras é primordial, porém, muitas vezes isto só é obtido após a construção e operação do equipamento. Dados obtidos com determinado tipo ou configuração de superfícies de troca de calor não são aplicáveis plenamente a configurações diferentes. Segundo os conceitos termodinâmicos, e estabelecendo um volume de controle para o equipamento, sabemos que: Q entra = Q saída Balanço de energia 8

9 Q (total) Q (útil) Balanço de energia. Deve ser realizado de maneira criteriosa visando identificar os principais pontos. Rendimento térmico ou eficiência térmica ( ) de um GV consiste na fração do calor liberado pelo combustível na fornalha, que é absorvido pela água através dos elementos do equipamento. Eficiência Bruta = (Qútil / Qtotal) * 100 Qutíl = Calor Útil (W=J/s) Qtotal =Calor Total (W=J/s) 9

10 Calor Total (Qtotal) Corresponde ao calor capaz de ser gerado pelo combustível ao ser queimado na fornalha. Qtotal = (m comb * PCI) Onde: m comb = quantidade de combustível utilizado (Kg/s) PCI = poder calorífico inferior do combustível (J/Kg) Calor Útil (Qútil), corresponde ao calor realmente aproveitadora geração de vapor, ou seja, aquele transmitido à água para transformá-la em vapor. Qútil = D * (hvapor hágua) Onde: D = Descarga de vapor gerado pelo equipamento (kg/s) hvapor = entalpia do vapor gerado (J/kg) hágua = entalpia da água de alimentação (J/kg) 10

11 Desta forma, Qperdido = Qtotal - Qútil Onde: Qperdido = Calor Perdido (J/s) Qperdido = Qperdidos (soma de todas as parcelas perdidas) Muitas vezes o gerador de vapor possui diversos subsistemas que demandam potencia para seu acionamento, como por exemplo, bombas de circulação interna e ventiladores de exaustão e insuflamento. Assim, o cálculo da eficiência térmica de um GV, pode ser refinado ao se considerar mais pontos de entrada no balanço energético (devendo assim ser alocados na parcela da energia total e considerado no balanço de energia), ao considerar esta situação, o calculo é denominado de Eficiência Líquida. 11

12 Exercício 1: Calcular a eficiência térmica bruta e líquida de um GV levando em consideração: Caldeira tipo: Flamotubular Produção de Vapor: 2000 kg/h, 170 C, 0,8MPa, =1, hv = 2431 KJ/kg Água de alimentação: 20 C, h = 302 KJ/kg Consumo de combustível = 563 kg/h PCI do combustível : KJ/kg Potência demanda pelos sistemas auxiliares (Insuflamento e Tiragem): 0,2KW O rendimento térmico é fator indispensável na análise de seleção. Assim é possível estabelecer qual seria o equipamento mais indicado para satisfazer a uma determinada instalação industrial, calefação ou geração de energia elétrica. 12

13 Além do rendimento, alguns fatores podem ser considerados: Tipo e características do combustível, Equipamento de combustão, Pressão e temperatura do vapor gerado, Variação da demanda de vapor, Custo de instalação, operação e manutenção, Espaço disponível, Amortização do investimento. PONTOS COMPLEMENTARES. NÃO DISCUTIDOS EM AULA. QUAIS ASPECTOS PODEM IMPACTAR DIRETAMENTE A EFICIÊNCIA DOS GV S? QUAL A EFICIÊNCIA TÉRMICA OU RENDIMENTO MÉDIO DOS GV S? 13