USO ECONMICO DE CALDEIRAS A LEO

Lus Silva 31752 Joo Baptista 31514 Fbio Gomes 31740 Pedro Santos 31572

Submetido a

Dra. Isabel Simes de Carvalho

Produo e Gesto de Energia Mestrado em Engenharia Mecnica, Perfil Energia

ISELInstituto Superior de Engenharia de Lisboa rea Departamental de Engenharia Mecnica 06 de Junho de 2011

ndice

A Caldeira ..................................................................................................................... 3 Alteraes de Rendimento da Caldeira ......................................................................... 3 Perguntas Caso de Estudo Caldeira a Gasleo (fuelleo). .......................................... 4 1 - Relao Ar/Combustvel ..................................................................................... 4 Respostas ................................................................................................................. 5 2 Recuperao da Descarga de Fundo .................................................................. 11 Resposta ................................................................................................................. 11 Anexos ....................................................................................................................... 16

A CaldeiraCustos mnimos so obtidos quando as caldeiras operam em alta eficincia trmica. Este caso de estudo visa a examinar as varias perdas e indicar como podem ser minimizadas.

Alteraes de Rendimento da CaldeiraClculos simples permitem-nos conhecer as possveis economias ou perdas em funo da alterao do rendimento da caldeira. Neste caso de estudo analisada uma caldeira flamotubular, a leo combustvel, que apresenta as seguintes caractersticas: Perdas nos gases de exausto 18% Perdas por radiao 4% Perdas por descarga de fundo 3% Rendimento da caldeira Temp. do gs de exausto 232C Temp. da gua de alimentao 15,5C Produo de vapor , o ano todo Presso de vapor (presso manometria) 7 bar Temperatura do vapor 170 C (vapor saturado) Custo do leo combustvel 3,2 U.S Dollar / Gallon Assume-se que a gua da rede est a 10 C, e 25% de gua recuperada a 38C.

Perguntas: Caso de Estudo Caldeira a Gasleo (fuelleo).1 - Relao Ar/Combustvel

Com o aumento do excesso de ar, a percentagem do peso dos gases de combusto vai aumentar tambm, o que leva a diminuir o rendimento da caldeira, por sua vez se a quantidade de ar for baixa, no se d a queima total do leo, o que leva a um desperdcio de combustvel, sabendo que a razo de excesso de ar anda entre os 10 e 20 % qual a razo ideal recorrendo a equao estequiometria?

Definir cinco temperaturas a trabalhar: - Baixa - Baixa/Mdia - Mdia - Mdia/Alta - Alta Traar grficos de perdas (ou rendimento da caldeira) com o excesso de ar entre os 10 20% (condies tpicas para operao eficiente de queimadores de leo). Observar as diferentes curvas e definir um setpiont de excesso de ar para trabalhar. Traar grfico final de perdas (ou rendimento) VS Temperatura de gases de escape, para um setpiont de excesso de ar definido.

Respostas

Aps um estudo terico podemos constatar que uma caldeira a leo funciona num intervalo de 10 % a 20 % de excesso de ar. Para uma temperatura terica definida dos gases de exausto podemos concluir que, de um modo geral, quanto maior for o excesso de ar melhor ser a queima do combustvel, que por sua vez levar a um aumento das perdas de exausto. De seguida apresenta-se uma aproximao atravs da relao entre a percentagem de excesso de ar com a temperatura do gs de exausto para estimar a menor percentagem de perdas dos gases de exausto, os trs tipos de leo.

Mantendo os valores de 4% para as perdas de radiao e de 3% para as descargas de fundo temos para:

Combustvel leo Leve

leo Combustvel Leve60

50

40

30

20

10

0 0 5 10 15 20 25

Gases de Exausto t=200C Gases de Exausto t=800C

Gases de Exausto t=400C Gases de Exausto t=1000C

Gases de Exausto t=600C

Grfico. 1 - Relao Entre a Percentagem de Excesso de Ar

O grfico apresenta no eixo das ordenadas a percentagem de perdas. Verificamos que para as cinco temperaturas a tendncia de aumentar consoante o aumento da percentagem de ar, que se encontra no eixo das coordenadas. Deste modo, podemos constatar que, h medida que a temperatura dos gases de exausto aumentam, as perdas tambm aumentam, significando numa reduo da eficincia trmica da caldeira. Para as temperaturas de 600C, 800C e 1000C torna-se evidente que no aconselhvel trabalhar. Para a temperatura de 400C achamos razovel trabalhar at 15 % de excesso de ar. Com 15 % de excesso de ar obtemos 22,5 % de perdas por exausto. Assim o rendimento da caldeira, para 400C e 15 % excesso de ar, seria de 70,5 %. J para a temperatura mais baixa, de 200C, qualquer percentagem de perdas inferior temperatura acima. Assim, para um excesso de ar de 20 % obtemos 14,7 % de perdas sendo o rendimento da caldeira de 78%. Em concluso, podemos sugerir que para leos leves, as temperaturas mais reduzidas de exausto de gs so as mais indicadas. Temperaturas entre os 200C e 300C so as mais indicadas porque podemos variar no intervalo antes referido de excesso de ar.

Temperatura teoricamente ideal: 250C Excesso de ar teoricamente ideal: 15 %

Combustvel leo Mdio e Leve

leo Combustvel Mdio e Leve20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 0 5 Gases de Exausto t=125C Gases de Exausto t=275C 10 15 20 25

Gases de Exausto t=175C Gases de Exausto t=325C

Gases de Exausto t=225C

Grfico. 2 - Relao Entre a Percentagem de Excesso de Ar

O seguinte grfico idntico ao anterior embora o tipo de leo seja diferente. Com este leo a caldeira pode trabalhar com uma maior percentagem de excesso de ar. Verificamos que a percentagem de perdas variam pouco com a temperatura, ou seja, a caldeira pode tambm trabalhar com uma temperatura maior de gases de exausto. Para a temperatura mais elevada de 325C verifica-se que, para um excesso de ar de 20 %, o rendimento da caldeira seria de 73,4 %. No entanto, para esta temperatura verifica-se uma tendncia para o aumento das perdas a partir do 18 % de excesso de ar, o que leva concluso que para esta temperatura o limite mesmo os 18 %. Para a temperatura mais reduzida de 125C verifica-se, que para um excesso de ar de 20%, o rendimento da caldeira seria de 82,4%. Este valor parece ser elevado, o que leva a querer que a temperatura demasiado reduzida, ou seja, o vapor de gua ir condensar na chamin, o que no desejvel. Para a temperatura de 275C verifica-se um decrscimo na tendncia para os 15% de excesso de ar. Pensamos que a temperatura ideal se situar entre os 325C e os 275 C. Deste

modo, estimamos que a temperatura desejvel ser cerca de 300C e 15 % de excesso de ar, que leva a um rendimento aproximado da caldeira de 75%.

Temperatura teoricamente ideal: 300C Excesso de ar teoricamente ideal: 15 %

Combustvel leo pesado

leo Combustvel Pesado25

20

15

10

5

0 0 5 Gases de Exausto t=125C Gases de Exausto t=275C 10 15 20 25

Gases de Exausto t=175C Gases de Exausto t=325C

Gases de Exausto t=225C

Grfico. 3 - Relao Entre a Percentagem de Excesso de Ar

Para este tipo de combustvel verifica-se que h uma baixa relao entre a percentagem de excesso de ar com o aumento de temperatura. Deste modo, pensamos que seja seguro e aconselhvel trabalhar com temperaturas superiores a 300C com a percentagem de excesso de ar entre os 10% e os 18%. As temperaturas de 125C e de 175C parecem-nos reduzidas para assegurar a no condensao do vapor na chamin. Para uma temperatura de 300C e com um excesso de ar de 17%, estima-se que o rendimento da caldeira seja de 77%.

Temperatura teoricamente ideal: 300C Excesso de ar teoricamente ideal: 17 %

Em concluso, podemos referir que um leo pesado trabalha com temperaturas mais elevadas e com percentagens de excesso de ar superiores, garantindo o desejvel para que no haja condensao na chamin e nas tubagens.

2 Recuperao da Descarga de Fundo

De que maneira possvel utilizar a energia desperdiada, atravs da descarga de fundo, para economizar combustvel e assim obter um melhor rendimento global da caldeira? Diga tambm qual a poupana em $.

Resposta

Para respondermos a esta pergunta, temos que primeiro descobrir quais os caudais com que vamos trabalhar, e para isso iremos ao enunciado que nos foi fornecido, tirar os seguintes dados:

Assim, obtemos os seguintes valores para a caldeira: Agora, vamos descobrir qual a potncia da caldeira atravs dos seguintes dados:

( ) ( )

Como sabemos que 1 caloria equivale a 4,184 Joules, e que J/s equivale a W, obtemos como valor final:

Esta a potncia da nossa caldeira, com o rendimento especificado, nas condies normais de funcionamento. O nosso objectivo, que atravs de um aumento do rendimento seja necessria uma menor potncia para produzir vapor nas mesmas condies. Segundo o enunciado, 3% da energia da caldeira perdida atravs das descargas de fundo. Iremos estimar a utilizao de um permutador com uma eficincia de 80%, para utilizao desta energia perdida, de forma a aumentarmos a temperatura de alimentao. Assim, a energia retirada atravs do permutador :

Sendo que o permutador apenas reaproveita 80% da energia perdida:

Esta a energia que iremos reaproveitar no nosso clculo. Agora, com esta informao disponvel, iremos verificar qual ser o aumento espectvel de ocorrer na temperatura de alimentao, com a instalao deste permutador:

Assim, conseguimos subir a temperatura de alimentao da caldeira de 15,5C para 19,2C apenas com um reaproveitamento.

Agora, utilizando a mesma metodologia do problema 8 em que admitida uma maior percentagem da recuperao de condensado a 38C, consoante um aumento da temperatura de alimentao, iremos interpolar com os dados fornecidos deste problema, para determinar a % de condensado que iremos obter com este valor: T C 15,5 19,2 38 100 % 25

Utilizando agora o grfico 9 combustvel utilizado por aproveitamento do condensado do enunciado, podemos ver que obtemos uma economia do combustvel de 1,7% face economia de 1% anteriormente obtida, apenas atravs da recuperao dos condensados.

Observamos assim um aumento de 0,7%, como pode ser observado na seguinte figura:

Grfico. 3 Combustvel Economizado por Aproveitamento do Condensado

Para converter este valor em custos reais, como sabemos que uma economia no combustvel reflecte directamente a reduo no custo investido neste, podemos utilizar o exemplo da figura 8, que diz que para uma economia de 3,2% til existe uma poupana de 1920000$ aa. Como a nossa economia til pode ser definida pela nova economia, menos a economia antiga, obtemos o seguinte valor:

Com este valor, e dependendo do custo de instalao do permutador, e do rendimento deste, podemos verificar se o investimento ser vivel. Em energia, como j foi dito, existe uma poupana de 18,976 kW que determina a nova percentagem perdida atravs da descarga da fundo: ( )

Obtemos assim, ao invs dos 3% de perdas anteriores, 0,6%. Este novo valor ir aumentar a eficincia da caldeira em 2,4% para 77,4%.

AnexosLEO COMBUSTVEL LEVE % DE EXCESSO DE AR 10 12,5 15 17,5 20 Gases de Exausto t=200C % PERDAS NOS GASES DE EXAUSTO 13,5 13,9 14 14,3 14,7 Gases de Exausto t=400C % PERDAS NOS GASES DE EXAUSTO 21,5 22 22,5 23 23,5 Gases de Exausto t=600C % PERDAS NOS GASES DE EXAUSTO 31,5 32 32,5 33 34,5 Gases de Exausto t=800C % PERDAS NOS GASES DE EXAUSTO 41 42 42,5 42,8 43,5 Gases de Exausto t=1000C % PERDAS NOS GASES DE EXAUSTO 50 52 52,5 53 54 % DE CO2 14 13,7 13,5 13 12,5

% DE EXCESSO DE AR 10 12,5 15 17,5 20

% DE CO2 14 13,7 13,5 13 12,5

% DE EXCESSO DE AR 10 12,5 15 17,5 20

% DE CO2 14 13,7 13,5 13 12,5

% DE EXCESSO DE AR 10 12,5 15 17,5 20

% DE CO2 14 13,7 13,5 13 12,5

% DE EXCESSO DE AR 10 12,5 15 17,5 20

% DE CO2 14 13,7 13,5 13 12,5

LEO COMBUSTVEL MDIO E LEVE % DE EXCESSO DE AR 10 12,5 15 17,5 20 Gases de Exausto t=125C % PERDAS NOS GASES DE EXAUSTO 10,2 10,3 10,4 10,5 10,6 Gases de Exausto t=175C % PERDAS NOS GASES DE EXAUSTO 12,1 12,2 12,4 12,6 12,7 Gases de Exausto t=225C % PERDAS NOS GASES DE EXAUSTO 14,2 14,4 14,5 14,6 14,7 Gases de Exausto t=275C % PERDAS NOS GASES DE EXAUSTO 16,2 16,5 16,8 16,9 17 Gases de Exausto t=325C % PERDAS NOS GASES DE EXAUSTO 18,7 18,8 19 19,2 19,6 % DE CO2 14,6 14,1 13,7 13,2 13

% DE EXCESSO DE AR 10 12,5 15 17,5 20

% DE CO2 14,6 14,1 13,7 13,2 13

% DE EXCESSO DE AR 10 12,5 15 17,5 20

% DE CO2 14,6 14,1 13,7 13,2 13

% DE EXCESSO DE AR 10 12,5 15 17,5 20

% DE CO2 14,6 14,1 13,7 13,2 13

% DE EXCESSO DE AR 10 12,5 15 17,5 20

% DE CO2 14,6 14,1 13,7 13,2 13

LEO COMBUSTVEL PESADO % DE EXCESSO DE AR 10 12,5 15 17,5 20 Gases de Exausto t=125C % PERDAS NOS GASES DE EXAUSTO 9,8 9,9 10 10,1 10,2 Gases de Exausto t=175C % PERDAS NOS GASES DE EXAUSTO 11,8 11,9 12 12,2 12,3 Gases de Exausto t=225C % PERDAS NOS GASES DE EXAUSTO 13,7 14 14,2 14,4 14,6 Gases de Exausto t=275C % PERDAS NOS GASES DE EXAUSTO 16 16,2 16,4 16,6 16,8 Gases de Exausto t=325C % PERDAS NOS GASES DE EXAUSTO 18,2 18,4 18,6 18,8 19,1 % DE CO2 14,5 14,2 13,9 13,7 13,4

% DE EXCESSO DE AR 10 12,5 15 17,5 20

% DE CO2 14,5 14,2 13,9 13,7 13,4

% DE EXCESSO DE AR 10 12,5 15 17,5 20

% DE CO2 14,5 14,2 13,9 13,7 13,4

% DE EXCESSO DE AR 10 12,5 15 17,5 20

% DE CO2 14,5 14,2 13,9 13,7 13,4

% DE EXCESSO DE AR 10 12,5 15 17,5 20

% DE CO2 14,5 14,2 13,9 13,7 13,4