Neste artigo demonstraremos como calcular o rendimento térmico de uma caldeira de vapor. Veja neste artigo os diferentes métodos para calcular o rendimento térmico de uma caldeira.
Rendimento de Caldeira de Vapor
O rendimento térmico pode ser calculado pelos métodos direto e indireto, ou analisando os gases resultantes da queima na chaminé.
A fórmula do Rendimento pelo Método Direto é a seguinte:
Em que:
η é a eficiência pelo Método Direto (%);
ṁv é a vazão de vapor (kg/s);
hv é a entalpia do vapor (Calor Total) (KJ/kg);
ha é a entalpia da água (calor sensível) (KJ/kg);
ṁc é a vazão de combustível (kg/s);
PC é o poder calorífico do combustível (kJ/kg).
As fórmulas do Rendimento pelo Método Indireto são as seguintes:
Em que:
Σ Perdas é a somatória das perdas da chaminé, por radiação e convecção, por descarga de fundo e superfície, por temperatura nas cinzas e combustível não convertido presente nas cinzas;
f é a energia fornecida pelo combustível por unidade de combustível.
a) Perdas pela Chaminé
Em que:
m é a massa do gás [(kg/kg) de combustível];
cp é o calor específico médio entre as temperaturas TCH e TR (KJ/kg C);
TCH é a Temperatura da chaminé;
TR é a Temperatura de referência (ambiente).
Para simplificar, pode-se adotar:
Em que:
mgs é a vazão mássica dos gases de combustão [(kg/kg) de combustível];
cpar é o calor específico do ar entre as temperaturas TCH e TR (KJ/kg C).
A umidade do combustível sólido, irá se transformar em vapor na combustão, sendo que as perdas associadas a esta evaporação, são as seguintes:
Em que:
mp é a vazão mássica de vapor [(kg/kg) de combustível];
cpv é o calor específico médio do vapor entre as temperaturas TCH e TR (KJ/kg C);
mv’ é a vazão mássica do vapor formado na combustão e presente no combustível [(kg/kg) de combustível];
hv’ é a entalpia de vaporização da água na entalpia de referência (kJ/kg).
b) Perdas por Radiação e Convecção
Temos dificuldade de medir as perdas exatas, devido à necessidade de medições com alto nível de complexidade.
Adota-se 1 a 4% em função das temperaturas externas e estado geral do isolamento existente.
c) Perdas por Descargas de Nível e Fundo
Em que:
mp é a vazão de água das descargas de nível e fundo [(kg/kg) de combustível];
cpa é o calor específico da água (KJ/kg C); Tp é a temperatura de saturação a pressão de operação da caldeira (C).
d) Perdas associadas à temperatura das cinzas
Em que:
mr é a massa de cinza obtida pela massa de combustível [(kg/kg) de combustível].
e) Perdas associadas ao combustível não convertido presente nas cinzas
Em que:
mc é a massa de carbono presente nas cinzas [(kg/kg) de combustível].
Análise de gases da combustão
Analisar os gases da combustão é atitude muito estratégica, já que com isto pode-se calcular o rendimento da caldeira.
Os principais resultados da combustão a serem analisados são:
– Oxigênio (O2);
– Dióxido de Carbono (CO2).
O excesso de ar é uma função dos teores de CO2 e O2 e um exemplo para óleo combustível pode ser mostrado no gráfico abaixo. Facilmente pode-se concluir que quanto maior o excesso de ar, maior será o percentual de oxigênio encontrado nos gases de combustão e menor o percentual de dióxido de carbono.
Cada combustível possui uma faixa ideal de excesso de ar com os correspondentes teores de O2 e CO2. Exemplos podem ser verificados na tabela abaixo.
A eficiência da caldeira estará reduzindo à medida que o excesso de ar for aumentando juntamente com o teor de oxigênio, como pode-se comprovar verificando na tabela abaixo:
As perdas de energia pelos gases de combustão podem ser calculadas pela fórmula:
Em que:
Pgs são as perdas de calor sensível nos gases de combustão;
Tgas é a temperatura dos gases de combustão no duto de saída;
Tamb é a temperatura do ar de combustão/ambiente;
A1 e B são os fatores característicos do combustível (Tabela abaixo);
CO2 é o teor de CO2 medido na chaminé.
As perdas da combustão têm uma ligação direta com o rendimento de combustão da caldeira (PCI).
A fórmula abaixo esclarece:
Em que:
ɳ é o rendimento da caldeira.
