1) O documento apresenta os cálculos necessários para realizar o balanço térmico de uma caldeira operando em uma fábrica. 2) Os cálculos incluem a determinação do volume de ar, coeficiente de excesso de ar, volume dos produtos da combustão e disponibilidade energética. 3) O estudante deve realizar os cálculos solicitados usando as informações fornecidas sobre a caldeira e o combustível.

1. Centrais Termelétricas e Cogeração
Prof. Dr. Walfrido Alonso Pippo
walfrido.pippo@unila.edu.br
Engenharia de Energias Renováveis
UNILA, Foz do Iguaçu 2º.semestre 2016
Tema 3 -Aula 3 : Exercícios de estequiometria
e balanço térmico de uma caldeira

2. Objetivos da aula:
1.Praticar os principais
procedimentos de cálculo dos
índices de desempenho nas
caldeiras e seu balanço térmico

3. Uma Caldeira ATA-18, flamotubular, de capacidade 3,3 ton/h a uma pressão de trabalho de 2 kgf/cm2
(196,133.kPa), opera em uma fábrica consumindo 95 kg/hora de óleo combustível BPF (PCI = 45370
kJ/kg base seca) e produzindo 1450,7 kg/hora de vapor a 120 oC com título 90% (Entalpia da água
saturada a 120 oC = 503,8 kJ/kg, Entalpia do vapor saturado a 120 oC = 2706,3 kJ/kg).
Composição do óleo combustível : C = 83,0%, H = 10,4%, S = 2,8%, O = 0,5%, N = 0,3%, H2O =
3,0% base de trabalho
A análise desta caldeira apresentou os seguintes resultados:
Análise dos Produtos da Combustão (Orsat):
Teor de O2 = 7,0 % Volumétrica
Teor de CO2+SO2 = 10,5 % Volumétrico
Teor de CO = 0,5 % Volumétrico
Temperatura dos produtos da Combustão na base da chaminé = 215 oC
Temperatura ar de combustão = 60 oC
Temperatura ambiente = 30 oC
Temperatura do óleo combustível = 60 oC
Umidade absoluta do ar atmosférico = 0,015kg/kg ar seco (quantidade de água no ar Cuidado!!)
Temperatura da água de alimentação = 32 oC
Consumo de vapor saturado para atomização do combustível: 0,2 kg/kg comb
Calor específico médio do ar = 1,33 kJ/m3.oC
Calor específico médio dos produtos da combustão = 1,6 kJ/m3.oC
Calor específico médio do combustível = 1,9 kJ/kg.oC
Considerando a perda de energia pelo costado da caldeira Q5 = 1% e desprezando as perdas pelo
combustível não queimado Q4, fazer o balanço térmico tomando como temperaturade referência 25
oC.
Exercício 1

4. Calcular:
1) Poder Calorífico Inferior E Superior do combustível como recebido (PCSt
,PCIt)(kJ/kg)
2) Volume do Ar Estequiométrico Seco (m3/kg)
3) Coeficiente de Excesso de ar
4) Volume TOTAL do ar ÚMIDO utilizado nesta combustão (m3/kg) [1]
5) Volume dos produtos da combustão estequiométrica (SECOS) (m3/kg) [2]
6) Composição dos produtos da combustão real (SECOS) (m3/kg) [1]
7) Volume TOTAL ÚMIDOS dos produtos da combustão (m3/kg) [1]
8) Energia disponível (kJ/kg) [3]
9) Perda de energia devido a entalpia dos gases da chaminé (%) [2]
10) Perda de energia devido à combustão incompleta (%) [1]
11) Rendimento da caldeira (método direto) (%) [2]
12) Rendimento da caldeira pelo método indireto. [2]
13) Temperatura adiabática da chama (oC) [1]
Exercício 1: Calcular

5. Base de
combustível
conhecida
Úmida t Seca s,d Combustível c,daf
Úmida t 1 100/100-W t 100/(100-W t -At)
Seca s,d 100-W t /100 1 100/100-As
Combustível c,daf (100-W t -At)/100 (100-As)/100 1
1) Cálculo do Poder Calorífico Inferior E Superior do combustível como recebido
(PCSt ,PCIt)(kJ/kg)
Exercício 1: Solução
Composição do óleo combustível : C = 83,0%, H = 10,4%, S = 2,8%, O =
0,5%, N = 0,3%, H2O = 3,0%=W
Dos dados do exercício temos: (PCIs = 41000 kJ/kg base seca)
W% kJ/kg 100-Wt /100
PCI
t
[kJ/kg]
100 3 41000 0,97 39770
Tabela Conversão base

6. Exercício 1: Solução
)
9
(
24 t
t
t
H
W
PCI
PCS 

 Ver Tema 2 . Aula1
%
088
,
10
)
97
,
0
%.(
4
,
10
)
100
100
.( 



t
s
t W
H
H










comb
kg
kJ
PCSt
.
`
42021
)
088
,
10
.
9
3
(
24
39770
Tabela conversão de base
2) Cálculo do Volume do Ar Estequiométrico Seco (m3/kg)
comb.
ar/Kg
m
-
)
(%O
.
3,36
-
(%S)
.
3,36
(%H)
.
26,9
(%C)
.
8,89
ar
V 3
2
O



Composição do óleo combustível : C = 83,0%, H = 10,4%, S = 2,8%, O =
0,5%, N = 0,3%, H2O = 3,0%=W
Formula (5) Tema 3 Aula2 Estequiometria da combustão .

8. 8,89
C=
0,83 26,9
H=
0,104 3,36
S=
0,028 -3,36
O=
0,005
Voar
´[m3/kg
.
comb]
7,38 2,7976 0,09408 -0,0168 10,25
Exercício 1: Solução
comb.
ar/Kg
Kg
-
)
(%O
.
4,35
–
(%S)
.
4,35
(%H)
.
34,8
(%C)
.
11,5
m 2
ar
o



com.
/Kg
O
Kg
-
)
(%O
1
–
)
(%S
.
1
(%H)
.
8
(%C)
.
2,66
m 2
2
2
o
O2



Formula (3) , combustível sem O2 em sua composição elementar e 4 com O2 .
(Tema 3 Aula 2 Estequiometria da combustão) .
(3)
(4)
]
/
[
0628
,
3
)
005
,
0
(
1
)
028
,
0
(
1
)
104
,
0
(
8
83
,
0
.
66
.
2
2 comb
o
O kg
kg
m 




Substituindo os valores da composição do combustível na formula 4 temos:
Em base mássica o conteúdo de oxigeno no ar é 23%
]
/
[
31
,
13
23
,
0
0628
,
3
;
.
23
,
0
2
comb
o
ar
o
ar
o
O
kg
kg
m
m
m



Determinação da massa teórica de oxigênio /kg comb.

9. Exercício 1: Solução
Densidade do ar a diferentes temperaturas
Considerando as condições CNTP e
substituindo o valor da mo
ar temos:
]
/
[
2938
,
10
293
,
1
31
,
13
]
/
.[
293
,
1
3
3
25
comb
o
ar
ar
kg
m
V
m
kg
C
o




O cálculo pelo dois métodos , massa o diretamente volume deu resultados compatíveis
]
/
[
29
,
10
]
/
[
25
,
10
3
3
comb
o
ar
comb
o
ar
kg
m
V
kg
m
V

 -método direto
-mediante a massa

10. 3) Cálculo do Coeficiente de Excesso de ar 
;
2
max
2
CO
CO

 ;
1
21
max
2



CO
Pelo CO2
Exercício 1: Solução

11. t
t
t
t
t
S
C
N
O
H
.
375
,
0
.
038
,
0
.
126
,
0
35
,
2










1
21 2
2
O
CO
Pelo O2
;
21
21
2
O


 Combustão completa
]
2
.
5
,
0
.
5
,
0
[
21
21
4
2
2 CH
H
CO
O 



 Combustão incompleta
Exercício 1: Solução

12. Segundo os dados de referência que tipo de combustão temos
completa ou incompleta?
O valor do coeficiente  calculado pelo O2 pode ser diferente do
calculado pelo CO2
]
2
.
5
,
0
.
5
,
0
[
21
21
4
2
2 CH
H
CO
O 




Substituindo os valores na formula temos
47
,
1
)
5
,
0
.
5
,
0
7
(
21
21






13. 4) Volume total de ar úmido utilizado nesta combustão
]
.
/
[
06
,
15
47
,
1
.
25
,
10
.
25
,
10
3
comb
o
ar
ar
o
ar
kg
m
V
V
V





densidade do ar ao nível do mar, ρ ar = 1,201 kg/m3;
.w)
(m
m
mtotal ar
ar
ar 

]
[
08
,
18
06
,
15
.
201
,
1
.
]
/
[
201
,
1 3
kg
V
m
m
kg
V
m
ar
ar
ar
ar
ar
ar







Dos dados do exercício temos que a umidade absoluta do ar atmosférico =0,015
kg/kg de ar seco
Exercício 1: Solução
O
H
ar
t
ar V
V
V 2



14. Umidade absoluta – é a massa de água em forma de vapor que tem o ar .
Geralmente se expressa em kg/m3
Umidade Relativa
( H.R.): É a quantidade de vapor que tem o ar comparada com a máxima
quantidade de vapor que poderia chegar a ter

15. ]
.
/
[
238
,
15
201
,
1
302
,
18
]
[
302
,
18
015
,
0
.
08
,
18
08
,
18
3
comb
ar
ar kg
m
Vtotal
kg
mtotal





Exercício 1: Solução
5) Volume dos produtos da combustão estequiométrica (SECOS) (m3/kg) [2]
Composição do óleo combustível : C = 83,0%, H = 10,4%, S = 2,8%,
O = 0,5%, N = 0,3%, H2O = 3,0%
C = 83,0%, H = 10,4%, S = 2,8%, O = 0,5%, N = 0,3%, H2O = 3,0%=W
C H S O N W Soma
0,83 0,104 0,028 0,005 0,003 0,03 1
1 mol ↔ 6. 1023 moléculas ou fórmulas unitárias ↔ massa
molar em g/mol ↔ 22,4 L (nas CNTP*)
A teoria de Avogadro estabelece, na verdade, que volumes iguais de gases diferentes
sob as mesmas condições contém um número igual de moléculas de gás. Por exemplo,
1 metro cúbico de nitrogênio em CNTP contém tantas moléculas de nitrogênio quanto 1
metro cúbico de dióxido de carbono contém de moléculas de dióxido de carbono a
CNTP. V
Vx= 22,4/ (Massa x/No. de mole)

16. Formação de CO2
C + O2 CO2
12 kg + 32 kg produz44 Kg
]
/kg
8,3065[m
28
3
/
0224
,
0
0,79.10,25
28
N
/
0224
,
0
0,79.V
V
]
/kg
0,0196[m
32
28
/
0224
,
0
32
S
0,0224/
V
]
/kg
1,5493[m
12
830
0,0224/
12
C
/
0224
,
0
V
comb
3
0
ar
O
N
o
comb
3
SO
o
comb
3
CO
o
2
2
2











22.4liter
 0.022m
3

Como foi explanado em condições CNTP um mol de C reage com
um mol de O2 para formar um mol de CO2. Então pode ser
determinado o volume de CO2 determinando o número de moles
de C
Quanto Vo
CO2 seria para 25º C , 1atm?
C H2 S O2 N H2O
% 83 10,4 2,8 0,5 0,3 3
massa 830 104 28 5 3 30
Massa/
mol 12 g/mol 2g/mol 32g/mol 32g/mol 14g/mol 18g/mol
CNTP 0.022m
3
0.022m
3
0.022m
3
0.022m
3
0.022m
3
0.022m
3
no.mol 69 52 0,875 0,156 0,2143 1,667
Base de cálculo 1kg comb

17. o
a
t
t
o
O
H
t
o
a
o
N
t
t
o
SO
o
CO
RO
O
N
o
o
N
RO
gs
o
V
W
H
V
N
V
V
kg
Nm
S
C
V
V
V
V
V
V
V
.
0161
,
0
.
0124
,
0
.
111
,
0
.
008
,
0
.
79
,
0
]
)[
.
375
,
0
.(
01866
,
0
;
2
2
2
2
2
2
2
2
3












6) Composição dos produtos da combustão real (SECOS) (m3/kg)
Do ponto 4 da solução temos que:
]
/
[
897424
,
11
003
,
0
.
8
,
0
06
,
15
.
79
,
0
).
28
/
0224
,
0
(
.
79
,
0
]
/
[
06
,
15
3
3
2 comb
ar
N
comb
ar
kg
m
N
V
V
kg
m
V






]
/
[
011675
,
1
25
,
10
).
1
47
,
1
(
21
,
0
).
1
(
21
,
0 3
2 comb
o
ar
O kg
m
V
V 



 
]
/
[
8754
,
9
3065
,
8
0196
,
0
5493
,
1 3
comb
gs
o
kg
m
V 



CO2 SO2 N2

18. 2
2
2
2 O
N
SO
CO
CO
gs V
V
V
V
V
V 




Pode se assumir
]
/
[
516
,
14
47
,
1
.
8754
,
9
. 3
comb
gs
o
gs kg
m
V
V 

 
Composição dos produtos em %
%
14
,
11
)
%
(%
1
%
%
96
,
6
516
,
14
/
011675
,
1
/
%
%
9
,
81
516
,
14
/
897
,
11
/
%
2
2
2
2
2
2
2
2












O
N
CO
SO
CO
V
V
O
V
V
N
gs
O
gs
N

19. Referências
Geração Termelétrica . Planejamento, Projeto e Operação
Electo E. Silva Lora, Marco Antônio Rosa do Nascimento
(coordenadores), páginas 185-191
Método de cálculo do balanço térmico de caldeiras.
Profs. Paulo Cesar Pinheiro e Sérgio Augusto Araújo da Gama
Cerqueira
A próxima aula continuação do exercício