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8/3/2019 Caldeiras Funcionamento e Operao
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Ttulo da Apresentao
Autor
CaldeirasFuncionamento e Operao
Uso Exclusivo do CTC
Macei - 12 e 13 / agosto / 2008
Eng. Francisco A. B. Linero
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CTC
O CTC uma associao civil de direito privado, semfins lucrativos, voltada ao desenvolvimento tecnolgico
dos setores de cana-de-acar, acar, lcool ebioenergia.176 associados (Centro Sul e Nordeste)www.ctc.com.br
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Programao Noes de Grandezas Fsicas e Unidades
Presso; Temperatura; Potncia; Energia;
Vapor Saturado e Superaquecido;
Transferncia de Calor.
Tipos, Modelos e Perifricos de Caldeiras a Bagao Tipos de caldeiras;
Principais modelos;
Bombas, ventiladores, pr-aquecedores-ar,economizador, retentores de fuligem, chamins.
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Programao
Combusto do bagao, excesso de ar, mediesde CO2, controle de operao.
Legislao NR-13, Normalizao e Tratamento
de gua.
Instrumentao e Controle da Caldeira.
Eng. Francisco Salviano
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Definio
Caldeiras: so equipamentos que produzemvapor. O vapor pode ser dgua ou de outrosfludos.
Caldeiras vapor so equipamentosdestinados a produzir e acumular vapor sobpresso superior a atmosfrica, utilizandoqualquer fonte de energia (NR-13).
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Fluxograma antigo
Bagao Caldeira
TG Contrapresso
Vapor 22 bar
Vapor 2,5 bar
Processo
Turbinas AM
gua
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TG EXTRAOE CONTRA-PRESSO
BAGAO
VAPOR 63 ou 82 bar - 480C
VAPOR 22 bar-300C
VAPOR 2,5 barPROCESSO
TURBINAS A. M.
Fluxograma - migrao
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Bagao Caldeira
TG Extrao e
contrapresso
Vapor 63 ou 82 bar / 480C ou 520C
Vapor 22 bar
Vapor 2,5 bar
Processo
Turbinas AM
Fluxog. Cald. Alta Presso
gua
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Fluxograma Futuro
Bagao /Palha
Caldeira
TGCondensao
Vapor 82 bar / 480C ou 520 C
Vapor 2,5 barProcesso
TGContra Presso
CD
TR
gua
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Ttulo da Apresentao
AutorTreinamento de segurana paraOperadores de Caldeiras
Centro de Tecnologia Canavieira
Noes de Grandezas Fsicas e
Unidades
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Mltiplos
Mltiplos Superiores Mltiplos Inferiores
Quilo (k) = 103 Mili (m) = 10-3
Mega (M) = 106 Micro () = 10-6
Giga (G) =109 Nano (n) = 10-9
Tera (T) = 1012 Pico (p) = 10-12Peta (P) = 1015 Femto (f) = 10-15
Exa (E) = 10 18 Atto (a) = 10-18
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Massa
a quantidade de matria que constitui um corpo.
Exemplo: 1 kg de acar1 ton bagao1 ton vapor
Unidades de massaNo Sistema Internacional: 1 kg
Outras unidades: grama g 1 kg = 1.000 gtonelada t 1 t = 1.000 kglibra lb 1 kg = 2,205 lb
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Fora a causa, qualquer que seja, que pode modificar o
estado de repouso ou de movimento de um corpo.
Quando um corpo se move, ou pra, ou se deforma,a causa uma fora.
A fora se exprime pelo produto da massa pelaacelerao:F = m x a1 N = 1 kg x 1 m/s
Acelerao: valor que a velocidade aumenta oudiminui na unidade de tempo
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Unidades de Fora
Unidades:
1 N Newton1 kg quilograma-fora 1 kgf = 9,81 N
1 lbf libra-fora 1 kgf = 2,205 lbf
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Peso
a fora de atrao que a terra exerce sobreum corpo
P = m x g
P = 1 kg x 9,81 m/s = 9,81 N
O quilograma-fora definido como sendoo peso do quilograma-massa:
1 kgf = 1 kg x 9,81 m/s = 9,81 N
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Peso
O peso depende da acelerao local da gravidade.
Exemplo: a acelerao da gravidade na lua 1/6 daacelerao da gravidade na terra.Portanto, uma pessoa com massa de 72 kg pesa: Na terra P = 72 kg x 9,81 m/s = 706 N
= 72 kgf Na lua P = 72 kg x 1,64 m/s = 118 N
= 12 kgf
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Peso
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Presso
o esforo determinado de uma dada forasobre uma superfcie:
Presso = Fora / rea
1 N/m = 1 Pa (Pascal)
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Presso
Presso = Fora atuando sobre uma rea
Presso = Fora / rea
Se bloco pesar 100 kgf
P = 100 kgf / 1 m2
Presso = 100 kgf/m2
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Unidades de Presso
1 kPa = 1.000 Pa (Pascal)
1 bar = 100.000 Pa = 100 kPa= 1,02 kgf/cm
1 kgf/cm = 0,98 bar
= 14,2 psi (libra/pol)
= 10.000 mmca
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Unidades de Presso
Exemplo: uma caldeira opera com presso de
20 kgf/cm:
P = 20 kgf/cm
= 20 x 14,2 psi = 284 psi
= 20 x 0,98 bar = 19,6 bar
= 20 x 98 kPa = 1.960 kPa
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Presso exercida por um lquido
gua
mercrio
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Presso exercida por um lquido
Peso = Volume do lquido x peso especfico
Volume do lquido = rea x altura
Presso = Peso / rea
Presso = rea x altura x peso especfico / rea Presso = Altura x peso especfico
Para lquidos, a presso no fundo do reservatrio,independe da rea do mesmo!!!
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Presso exercida por um lquido
Presso do fundo do tanque A Presso no fundo do tanque B
PA = HA x PH2O PB = HB x PHg
PA = 300 cm x 0,001 kgf/cm3 PB = 100 cm x 0,0136 kgf/cm3
PA = 0,3 kgf/cm2 PB = 1,36 kgf/cm2
Portanto PB >>>> PA
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Presso atmosfrica O ar tem um peso muito pequeno, porm, a altura
da camada de ar sobre a superfcie da terra muitogrande e este fato provoca uma presso em cadaponto da terra que denominamos pressoatmosfrica.
Fora exercida sobre a superfcie de um corpo
devido ao peso do ar atmosfrico.1 atmosfera = 760 mm Hg (0C 0 m.a.n.m.)
= 101 kPa
= 1,01 bar= 1,03 kgf/cm= 14,7 psi
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Barmetro de Mercrio
Os barmetros so instrumentos destinados a medira presso atmosfrica. O barmetro constitudo
por um tubo de vidro, envolvido por um tubometlico que serve de proteo, de cerca de ummetro e fechado numa das extremidades, que se
enche de mercrio e se inverte numa tina de vidro,contendo tambm mercrio. Encontra-se acopladoao corpo do barmetro um termmetro que d a
temperatura a que se encontra o mercrio.
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Presso interna de um vaso
Um fluido (lquido ou vapor) dentro de um recipienteexerce uma presso sobre as paredes do recipiente e
em direo perpendicular superfcie.(Princpio de Pascal).
P
t
D
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PMTA
Presso Mxima de Trabalho Permissvel
Mxima Presso de Trabalho Permissvel
a maior presso que uma determinadacaldeira ou vaso de presso pode operar
com segurana.Funo: espessura, dimetro, material, furao
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2 * S * E * t
DPMTA =
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Eficincia de Furao - E
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Furao
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Presso interna de um vaso
A presso dentro de um recipiente medida porum instrumento chamado manmetro.
P M t i
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Presso Manomtrica
O manmetro l presso acima da atmosfrica.Na atmosfera, o manmetro indica zero.
Presso Absoluta a soma da presso atmosfrica e a presso manomtrica.
Exemplo:Presso atmosf. = 1,03 kgf/cm = 1,01 bar
Presso caldeira = 20 kgf/cm = 19,6 bar
Presso abs. = 1,03 + 20 = 21,0 kgf/cm abs
= 1,01 + 19,6 = 20,6 bar abs
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Aplicao direta
Fora = Presso x rea
Fora = Presso x rea
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Vlvula de Segurana - Instalao
Fonte: Hiter - Crosby
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Trabalho
Quando o ponto de aplicao de uma Fora se desloca deuma certa distncia, dizemos que a fora est realizando
um Trabalho
Portanto, trabalho uma medida da energia transferida
pela aplicao de uma fora ao longo de um deslocamento.
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Unidades de Trabalho
Unidades:
1J (Joule) = 1 N * 1 m
1 J = 1 W * s
1 J = 10,197 kgf * 1 cm
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PotnciaPotncia a grandeza que determina a quantidade de energiaconcedida por uma fonte a cada unidade de tempo.
Potncia a rapidez com a qual uma certa quantidade deenergia transformada.
Potncia a razo entre o trabalho realizado por
uma fora e o tempo gasto em sua realizao.
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Potncia
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Unidades de Potncia
1 W = 1 J / s = (1 N * 1 m) / s1 hp = 746 W
1 kW = 1,341 hp
1 cv = 0,9896 hp
No SI, a unidade de potncia o W (watt), ou sua unidadeequivalente, J/s. Em sistemas motorizados tambm frequente
a especificao de potncias nas unidades cavalo-vapor (cv)ou hp.
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Energia
Em geral o conceito de energia se refere "ao potencial paraexecutar trabalho ou realizar uma ao".
O termo energia tambm pode designar as reaes de umadeterminada condio de trabalho, como por exemplo o calor,
trabalho mecnico (movimento) ou a luz, ou ainda graas aotrabalho realizado por uma mquina por exemplo: motor,caldeira, refrigerador, alto-falante, lmpada, vento.
O petrleo um recurso natural no renovvel e atualmente a principal fonte de energia utilizada no planeta.
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Unidades de Energia
1 kcal = 1,163 W * h
1 BTU = 0,252 kcal
1 J = 1 W * s
1 k J = 0,239 kcal
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Exemplos
1 lmpada 100 W
Potncia = 100 W
1 ms = 720 hs Energia = 72.000 W*h
Ou 72 kW*h por ms
1 motor de 100 hp
Potncia = 100 hp
1 hp = ~746 W 100 hp = 74.600 W
1 ms = 720 hs Energia = 53.712.000 W*h Energia = 53.712 kW*h por
ms
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Temperatura
uma medio de intensidade da sensao quente oufrio de um corpo.
Unidades: grau Celsius Cgrau Fahrenheit F
Pontos de referncia:Ponto de fuso do gelo = 0 C = 32 FPonto de vaporizao da gua presso atmosfrica
= 100 C = 212 F
T
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Temperatura
A temperatura mais baixa teoricamente possvel =
- 273,15 C
Corresponde ao zero absoluto = 0 K (zero Kelvin)Termmetro: tipo PT100 digital
T
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Temperatura
Converso de Unidades:
C = (F 32) / 1,8
F = 1,8 * C + 32
Ex: 25C = 1,8 * 25 + 32 = 77 F
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C l
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Calor
a energia que passa de um corpo a uma certatemperatura para outro corpo a uma temperatura
mais baixa.Exemplo: energia que passa dos gases quentespara gua numa caldeira.
Unidades: kcal kJ1 kcal = 4,186 kJ
1 caloria a unidade de calor necessrio paraelevar 1 grama de gua pura de 14,5 at 15,5C,sob presso atmosfrica normal.
F d t i d l
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Formas de transmisso de calor
A literatura reconhece trs meios distintos detransmisso de calor:
Conduo,
Conveco Radiao
Conduo
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Conduo
A conduo um processo pelo qual o calor flui de
uma regio de alta temperatura para outra detemperatura mais baixa, dentro de um meio slido,lquido ou gasoso ou entre meios diferentes em
contato fsico direto.
Conveco
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ConvecoA conveco um processo de transporte de energiapela ao combinada da conduo de calor,armazenamento de energia e movimento da mistura. A
conveco a formas mais importante comomecanismo de transferncia de energia (calor) entreuma superfcie slida e um lquido ou gs.
Radiao
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RadiaoA radiao um processo pelo qual o calor flui de umcorpo de alta temperatura para um de baixa, quando osmesmos esto separados no espao, ainda que exista umvcuo entre eles. A transmisso de calor por radiao funo da temperatura a quarta potncia.
Conveco e Conduo
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Conveco e Conduo
e
Temp. gases
Temp. fluido
recebe calor
Pelcula interna
V=0
Pelcula de gases
V = 0
v. fluido
v. gases
Q = LMTD * U * A
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Radiao
Fonte: Equipalcool
Poder Calorfico do Combustvel
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Poder Calorfico do Combustvel
o valor da energia trmica liberada pelocombustvel quando entra em contato com o
ar atmosfrico (combusto).
PCs Poder calorfico superior: gua nasada dos gases na forma de lquido.
PCi Poder calorfico inferior: gua nasada dos gases na forma de vapor.
Poder Calorfico do Combustvel
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Poder Calorfico do Combustvel
Quantidade de energia liberada na combusto totalde uma determinada massa de combustvel.
PCs Quando a gua formada na combusto secondensa.PCi Quando a gua formada na combusto sai
na forma de vapor junto com os gases combustos.
Bagao de cana (50% umidade):
PCs = 2.280 kcal/kg = 9.540 kJ/kgPCi = 1.800 kcal/kg = 7.530 kJ/kg
Poder Calorfico do Combustvel
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leo combustvel BPF:
PCs = 10.240 kcal/kg = 42.860 kJ/kgPCi = 9.680 kcal/kg = 40.520 kJ/kg
GN Campos:
PCs = 10.060 kcal/Nm3 = 16.200 kcal/kg
PCi = 9.090 kcal/Nm3 = 14.600 kcal/kg
Mudana de Estado gua-vapor
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Mudana de Estado gua-vapor
25C 50C 100C 100C 100C 100C 100C 150C
vapor lquido
mistura lquido-vapor
calor latente
vaporsaturado vaporsuperaq.
lquido
calor sensvel
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Internos do Tubulo
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Circulao de gua
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Circulao de gua
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Consumo de Combustvel
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Ar 25C
Gs 160C
gua 115C
Bagao
Vapor 62-480C
Purga = 3%
Energia contida nos gases
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e g a co t da os gases
A energia contida nos gases de combustodepende praticamente de sua temperatura e docalor especfico.Para gases de combusto de bagao de cana nasada da caldeira temos:c = 0,25 kcal/kgC = 1,05 kJ/kgCT = 160 CE = c * (T t amb)= 0,25 * 135 = ~34 kcal/kg
Energia contida na gua
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g g
A entalpia da gua lquida que entra na caldeira
obtida da Tabela de Vapor em funo de suatemperatura.
Ex.: Para 115 C vale:
h liq = 115,3 kcal/kg = 482,6 kJ/kg
Energia contida na gua / vapor
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tubuloO vapor dgua no tubulo da caldeira est em equilbriocom a fase lquida.
Nesse caso, recebe o nome de vapor saturado.
Para uma caldeira operando no balo com presso de:65 kgf/cm man = 63,7 bar Temp. = 280 C
a entalpia do vapor vale: hv = 664 kcal/kg = 2.780 kJ/kga entalpia da gua vale: ha = 295 kcal/kg = 1.234 kJ/kg
Energia contida no vapor
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g pQuando o vapor saturado sai do tubulo da caldeira, elepassa por um conjunto de tubos que recebe o nome desuperaquecedor. Nesse equipamento, o vapor aumenta asua temperatura e passa a ser chamado de vaporsuperaquecido.
Para uma caldeira operando com presso na linha de
62 kgf/cm (60,8 bar) e temperatura 480 C, sua entalpiavale: hv = 806 kcal/kg = 3.374 kJ/kg
P = 22 bar e 300C - h vap = 721 kcal/kg = 3.018 kJ/kg
Tabela de vapor- saturado presso
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Tabela de vapor saturado presso
Pressoabs
Tempsaturao
Entalpiaespec dagua
Entalpiaespec devaporiz
Entalpiaespec dovapor
Volumeespec dagua
Volumeespec dovapor
Entropiaespec dagua
Entropiaespec devaporiz
Entropiaespec dovapor
Calor especvapor
Calor especvapor
pabs tsat hf hfg hg vf vg sf sfg sg cv cp
bar C kJ/kg kJ/kg kJ/kg dm/kg m/kg kJ/kg K kJ/kg K kJ/kg K kJ/kg K kJ/kg K
1 99,6 417,5 2257,6 2675,2 1,043 1,694 1,303 6,056 7,359 1,525 2,0432 120,2 504,8 2201,7 2706,6 1,060 0,886 1,530 5,597 7,127 1,577 2,127
4 143,6 604,9 2133,6 2738,6 1,083 0,462 1,777 5,119 6,896 1,651 2,256
6 158,9 670,7 2086,0 2756,7 1,100 0,316 1,932 4,829 6,760 1,710 2,3658 170,4 721,3 2047,7 2768,9 1,114 0,240 2,046 4,616 6,663 1,762 2,464
10 179,9 762,9 2014,8 2777,8 1,126 0,194 2,139 4,447 6,586 1,808 2,55712 188,0 798,7 1985,7 2784,4 1,137 0,163 2,217 4,306 6,523 1,852 2,646
14 195,1 830,3 1959,1 2789,5 1,147 0,141 2,284 4,184 6,468 1,893 2,732
16 201,4 858,8 1934,6 2793,4 1,157 0,124 2,344 4,077 6,421 1,931 2,81618 207,2 884,7 1911,7 2796,4 1,166 0,110 2,398 3,980 6,378 1,969 2,899
20 212,4 908,7 1890,0 2798,8 1,175 0,100 2,447 3,892 6,340 2,004 2,981
22 217,3 931,0 1869,5 2800,5 1,183 0,091 2,492 3,812 6,304 2,039 3,062
24 221,8 952,0 1849,8 2801,8 1,191 0,083 2,534 3,737 6,272 2,072 3,142
26 226,1 971,7 1830,9 2802,6 1,199 0,077 2,574 3,667 6,241 2,104 3,22228 230,1 990,5 1812,6 2803,1 1,207 0,071 2,611 3,602 6,213 2,136 3,30130 233,9 1008,3 1795,0 2803,3 1,214 0,067 2,645 3,540 6,186 2,166 3,381
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Tabela de vapor superaquecido
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Consumo combustvel caldeira
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Pode-se ento calcular o consumo de combustvel emum caldeira.
Por exemplo, uma caldeira que produz 150.000 kg/h devapor, a 62 kgf/cm (60,8 bar) e temperatura 480 C,com a gua entrando a 115 C, queimando bagao de
cana com umidade 50%, e com eficincia de 85%, oconsumo de combustvel (bagao) calculado por:
Consumo de Combustvel
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Mbag = Mvapor *(hvaphliq)+Mpurga*(haghliq)
(efic * PCi)
Mbag = 150.000*(806-115,3) + 0,03*150.000*(295115,3)(0,85*1.725)
Mbag = 71.210 kg/h bagao
relao = 150.000 / 71.210 = 2,11 kg vapor / kg bagao
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Fim
Francisco Linero
(19) 3429-8229