1 EXPERIÊNCIA Nº 2 - CALDEIRA

1OBJETIVO

Avaliar o desempenho energético de uma caldeira. Calcular sua eficiência térmica. Efetuar estudos de combustão: efeito da relação ar/combustível na transferência de calor, na temperatura de gases de escape, queima incompleta, etc., para combustíveis líquidos e gasosos.

2TEORIA

O equipamento a ser utilizado nesta experiência é mostrado na Figura 1.1.

Para estudarmos o efeito da relação ar/combustível precisamos conhecer a composição do gás a ser usado. Como exemplo, utilizaremos neste resumo da teoria, o propano.

a)Reação da queima de propano.
Considerando gases perfeitos, precisamos portanto, de 5 x 4,76 moles de ar
para queimar 1 mol de CH38 estequiometricamente, ou seja, uma relação

Massa molecular CH38=4 ar/combustível de:

Portanto, nesta relação teremos a máxima temperatura de chama. Se a relação

Relação A/C massa: 15,6. A/C for maior ou menor que a estequiométrica, a temperatura de chama deverá cair.

b) O estudo do efeito na transferência de calor realiza-se com o balanço de

massa e energia para cada relação ar/combustível.

O calor liberado pela queima da mistura de gases pode ser calculado

conhecendo-se o PCI do gás.

Deve-se lembrar que nem sempre todo gás injetado na câmara será queimado,
devendo-se subtrair a quantidade levada pelos gases de combustão, quando a

relação A/C estiver abaixo da estequiométrica.

Pelo princípio de conservação temos:

2 saída águaentrada águamm&&=

(i)Calor retirado pelos gases de combustão
T∆= temperatura de saída dos gases menos temperatura de entrada do ar
m& =vazões em massa de cada componente
2COcp =0,203 kcal/kg K
cpCO =0,249
cp =0,455
2Ncp =0,248
(i)Calor retirado pela água de refrigeração:

onde:

OH2 cp = 1 cal/goC

m&= vazão de água
∆T= diferença entre as temperaturas de saída e entrada de água

(i) O calor retirado pelas paredes da câmara será desprezado. Portanto,

&mc= fluxo de massa de combustível utilizado
PCI= poder calorífico inferior do combustível utilizado

3 ou, simplificadamente:

onde:

cp kcal/kgCgaseso:,025 A eficiência térmica pode ser calculada como:

c)Para estudarmos o efeito na composição dos gases temos que lembrar

que quando a combustão não é completa a oxidação em CO2 deve ser subdividida em 2 semi-reações.

Nem todo CO no entanto é oxidado até CO2, havendo uma quantidade residual que sai com os gases de descarga.

A composição dos gases de escape pode ser determinada com o Orsat.

3PROCEDIMENTO
3.1Procedimento de Ignição: Combustível Gasoso.
1A variação do fluxo do combustível gasoso é controlado pela válvula no

painel do instrumento. O fluxo de ar é controlado pelo ajustamento do nível de controle no queimador.

2Garanta que as válvulas de controle do líquido e do gás no painel do

instrumento estejam desligadas.

3Garanta que haja suficiente gás para o programa de teste.

Informe-se com o Técnico.

4Ajuste os botões do manômetro no lado do painel de controle do combustível

para dar zero nas leituras dos manômetros de fluxo de massa de ar e pressão do combustível gasoso.

5Verifique o suprimento de água de refrigeração na câmara e ligue a bomba

4 assegurando um fluxo adequado. O nível de suprimento de água na câmara deve estar cheio.

6Ajuste o fluxo de água para aproximadamente 1500 kg/h controlando-o pela

válvula do painel e pela válvula de drenagem.

7Com o nível de controle de ar fechado na posição nº 1, ligue o suprimento da
corrente de ar. Quando o motor alcançar a velocidade de operação abra a
válvula de suprimento do ar para a posição nº 8 e verifique o fluxo de

massa, o fluxo máximo deve ser maior que 170 kg/h. Volte a válvula para a posição nº 0 e o fluxo mínimo deve ser menor do que 50 kg/h.

8Abrao nível de controle do suprimento do ar do ventilador por 2 minutos
para purgar a unidade. Sob nenhuma condição se deve permitir que

combustível não queimado siga para o coletor da câmara de combustão e duto de exaustão.

9Ligue a ignição no painel. Aperte o botão de ignição e esteja atento ao

zumbido da faísca. Solte-o.

10Mova o nível de controle do ar para a posição nº 1.
1Comece com o ventilador de ar e ajuste o nível de controle do ar para dar um

fluxo de ar de 110 kg/h.

12Ajuste o indicador da temperatura de saída da água para 80oC.
14Ligue o relé e verifique se a luz vermelha do indicador de temperatura de saída

13. Ligue o suprimento de combustível gasoso na fonte e na tubulação de entrada. da água está funcionando.

15Aperte o botão do reset.
16Aperte o botão de ignição após ouvir o «clac» da eletroválvula e sustente-o.
17Abra a válvula de controle do combustível gasoso no painel do instrumento
para dar aproximadamente 7 kg/h de GLP. Quando a combustão ficar estável

solte o botão de ignição.

18Caso não se inicie a combustão em 15 segundos, feche o gás, abra todo o ar

por 2 minutos e repita a partir do procedimento nº 1.

19. Ajuste o teste às condições requeridas.

3.2Procedimento de Fechamento.
23Desligue as válvulas de combustível no painel do instrumento.
24Desligue o suprimento de combustível na fonte.
25Desligue o relé ligado ao painel de instrumento.
26Assegure que o nível de controle do ventilador esteja na posição nº 8. Purgue a

5 câmara com ar por 2 minutos.

27Desligue o ventilador do ar e corte o suprimento de eletricidade.
28Mova a alavanca de controle do queimador para a posiçao nº 1.
29Deixe a água de refrigeração fluir por 5 minutos depois do fechamento e antes

do desligamento final.

4REQUER-SE

Com a câmara em operação, variar as razões A/C e observar as variações em suas condições de operação, coletando simultaneamente os gases de exaustão com o Orsat.

Realizar o experimento para a condição estequiométrica e para, pelo menos, mais outras 4 situações diferentes (2 abaixo e 2 acima da relação A/C estequiométrica).

Preparar antecipadamente as reações de combustão e relações estequiométricas de ar/combustão. O gás utilizado é o GLP. O combustível líquido é o querozene.

5CÁLCULOS E RESULTADOS

Construir gráficos que mostrem a influência da relação ar-combustível na transferência de calor para a água, no calor perdido pelos gases de escape, e na composição dos gases de escape (teórica e experimental) e na eficiência térmica, para os dois combustíveis utilizados.

6REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
6.1Pera, H. - Geradores de Vapor de Água - EPUSP.
6.2Handbook of Butane, Propane & Gases - Chilton Company, 1962 - 4ª edição.
6.3Gas Engineers Handbook, The Industrial Press, N. York, 1965.

6.4 Francis, W.E., Fuels & Fuel Technology, Vol. 1 e 2, Pergamon Press, 1965.

6 Figura 1.1 - Câmara de Combustão Contínua.

Comentários