UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSACENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO E MECÂNICAPROFESSOR: HENRIQUE ROSA

MEC 380 – INSTALAÇÕES INDÚSTRIAISTRABALHO 1ª ETAPA

Luiz Eduardo de Oliveira Gripp - 65116

Pedro Frois Sampaio – 65118

André Luis Guedes – 65144

Tùlio Macedo de Deus - 59028

agosto 2013 – Viçosa, MG

O sistema:

A figura acima ilustra a localização dos processos e a linha de tubulação que irá conduzir o vapor para a realização de cada um dos processos. Algumas considerações e dados devem ser tomados para a realização dos estudos de dimensionamento:

Temperatura do vapor saturado na saída da Caldeira = 180,00°C;

hvapor 180°C=2778 ,20KJKg

hl í quido180 °C=763 ,22KJKg

Pressão de saturação = 1,0021MPa

Perdas de energia na tubulação são de0 ,20KJKg∗m

Processo 1:

Aquecer 3,56Kg/s de querosene na temperatura 90,77°C para 128,00°C.

Dados utilizados:

m=3 ,56Kgs

X saida processo1=0 ,4

C p=1 ,974KJ

Kg∗K∆T=(129,00 ° C−90,77 °C )=37,23 ° C=37 ,23K

Definição da energia necessária no Processo 1:Q=m∗C p∗∆TQ=3,56∗1,974∗37,23

Q=261,63KJs

Definição da energia necessária no Processo 1 em KJKg

Q=261,63

KJs

3,56Kgs

Q=73,49KJKg

Definição da perda de energia pela tubulação até chegar ao Processo1:

Perdatotal= (86,56+61,52+122+11,11 )∗0,20KJKg∗m

=56 ,23KJKg

Definição da entalpia do vapor na entrada do Processo1:

Perdatotal=hvapor 180°C−hentrada processo1

hentradaprocesso1=2778,20−56,23=2721,97KJKg

Através da entalpia do vapor na entrada do Processo 1 pode-se calcular o título do vapor na entrada do processo:

hentr . proces1=Xentr . proces .1∗hvapor 180°C+(1−Xentr . proces.1 )∗hl í quido180°C

2721,97=Xentr . proces .1∗2778,20+(1−Xentr . proces .1)∗763,22

X entr . proces. 1=¿0,972

Através da titulação do vapor de saída do Processo 1 pode-se calcular a entalpia da saída do processo:

hsaí da processo1=X saida processo1∗hvapor 180 °C+ (1−X saida processo1 )∗hl í quido180 °C

hsaí da processo1=0,4∗2778,20+ (1−0,4 )∗763,22

hsaí da processo1=1569 ,21KJKg

Através dos valores das entalpias da entrada e da saída e tendo a energia necessária ao Processo 1 calcula-se a vazão de vapor necessária ao processo:

Q=m∗(hentradaprocesso1−hsa í da processo1 )

261,63=m∗(2721,97−1569,21 )

m=0,226Kgs

Em horas:

m=817 ,05Kgh

Processo 2:

Aquecer 2,74Kg/s de salmoura na temperatura 50,54°C para 75,70°C.

Dados utilizados:

m=2 ,74Kgs

X saida processo=0 ,32

C p=4 ,184KJ

Kg∗K∆T=(75,70 ° C−50,54 °C )=25,16 ° C=25 ,16 ,00K

Definição da energia necessária no Processo 2:Q=m∗C p∗∆TQ=3,48∗4,184∗66,00

Q=275,58KJs

Definição da energia necessária no Processo 2 em KJKg

Q=275,58

KJs

2,74Kgs

Q=100,58KJKg

Definição da perda de energia pela tubulação até chegar ao Processo 2:

Perdatotal= (86,56+72,63 )∗0,20KJKg∗m

=31,83KJKg

Definição da entalpia do vapor na entrada do Processo 2:

Perdatotal=hvapor 180°C−hentrada processo2

hentradaprocesso2=2778,20−31,83=2746 ,37KJKg

Através da entalpia do vapor na entrada do Processo 2 pode-se calcular o título do vapor na entrada do processo:

hentradaprocesso2=Xentr . proces .2∗hvapor 100°C+(1−Xentr . proces.2 )∗hl í quido100 °C

2746,37=Xentr . proces .2∗2778,20+(1−Xentr . proces .2)∗763,22

X entr . proces. 2=0 ,984

Através da titulação do vapor de saída do Processo 2 pode-se calcular a entalpia da saída do processo:

hsaí da processo2=X saida processo2∗hvapor 180 °C+ (1−X saida processo1)∗hl í quido180 °C

hsaí da processo2=0,32∗2778,20+(1−0,68 )∗763,22

hsaí da processo 2=1408 ,01KJKg

Através dos valores das entalpias da entrada e da saída e tendo a energia necessária ao Processo 2 calcula-se a vazão de vapor necessária ao processo:

Q=m∗(hentradaprocesso2−hsa í da processo2 )

275,58¿ m∗(2746,37−1408,01 )

m=0,205Kgs

Em horas:

m=738 ,00Kgh

Processo 3:

Aquecer 3,48Kg/s de água na temperatura de 34,00°C para 100,00°C.

Dados utilizados:

m=3 ,48Kgs

X saida processo3=0 ,2

C p=4 ,184KJ

Kg∗K∆T=(100,00 ° C−34,00° C )=66,00 °C=66 ,00K

L=2258KJKG

Definição da energia necessária no Processo 3:Q=m∗C p∗∆TQ=3,48∗4,184∗66,00

Q=960,98KJs

Q=m∗LQ=3,48∗2258∗66,00

Q=7857,84KJs

Definição da energia necessária no Processo 3 em KJKg

Q=8817,82

KJs

3,48Kgs

Q=2534KJKg

Definição da perda de energia pela tubulação até chegar ao Processo 3:

Perdatotal= (104,62+78,84 )∗0,20KJKg∗m

=36 ,69KJKg

Definição da entalpia do vapor na entrada do Processo 3:

Perdatotal=hvapor 180°C−hentrada processo3

hentradaprocesso3=2778,20−36,69=2741 ,51KJKg

Através da entalpia do vapor na entrada do Processo 3 pode-se calcular o título do vapor na entrada do processo:

hentradaprocesso3=Xentr . proces .3∗hvapor 180° C+( 1−X entr . proces. 3 )∗h lí quido180 °C

2741,51=Xentr . proces .3∗2778,20+ (1−X entr . proces .3 )∗763,22

X entr . proces. 3=0 ,981

Através da titulação do vapor de saída do Processo 3 pode-se calcular a entalpia da saída do processo:

hsaí da processo1=X saida processo3∗hvapor 180 °C+(1−X saida processo3 )∗h lí quido180 °C

hsaí da processo1=0,2∗2778,20+(1−0,2 )∗763,22

hsaí da processo1=1166 ,21KJKg

Através dos valores das entalpias da entrada e da saída e tendo a energia necessária ao Processo 3 calcula-se a vazão de vapor necessária ao processo:

Q=m∗(hentradaprocesso3−hsa í da processo3 )

8818,82=m∗(2741,51−1166,21 )

m=5,59Kgs

Em horas:

m=2012,04Kgh

Processo 4:

Este processo é referente a cozinha da fábrica. Esta cozinha deverá atender a demanda de 277 pessoas realizando refeições no horário de almoço e de jantar. O dimensionamento necessário à realização dos cálculos irão surgir a medida que for necessário.

Cálculo da perda de energia pela tubulação no processo 4:

Perdatotal= (86,56+61,52+11,11 )m∗0,20KJ

Kg∗m=31 ,84

KJKg

Cálculo da entalpia do vapor na entrada do processo 4:

Perdatotal=hvapor 180°C−hentrada processo4

hentradaprocesso4=2778,20−31,84=2746 ,36KJKg

Através da entalpia do vapor na entrada do processo 4 pode-se calcular o título do vapor na entrada do processo:

hentr . proces4=Xentr . proces. 4∗hvapor 180°C+( 1−Xentr . proces. 4 )∗hl í quido180°C

2746,36=Xentr . proces .4∗2778,20+(1−Xentr . proces .4 )∗763,22

X entradaprocesso 4=0 ,9842

Considerando que o título da saída foi de 0,32 pode-se calcular a entalpia da saída do processo:

hsaí da processo4=X saida processo4∗hvapor180 °C+(1−X saida processo4 )∗hl í quido180°C

hsaí da processo4=0,32∗2778,20+ (1−0,32 )∗763,22

hsaí da processo1=1408 ,01KJKg

Utilizando a Tabela 1 pode-se dimensionar o equipamento necessário à cozinha. Considerando uma média de consumo por pessoa de 0,550 Kg de comida o que proporciona um total de 152,35Kg de comida por refeição (almoço ou jantar), e que as refeições serão compostas apenas por Arroz (60Kg), Feijão (40Kg) e

Carne/Frango (70Kg), conseguimos identificar que serão necessários 3 caldeirões de vapor modelo industrial de 300L cada. O modelo específico segue o catálogo da empresa COZIL: CVIL – 3001 que por sua vez tem um consumo de 36 Kg/h de vapor.

Dados utilizados e considerações

Consumo médio por pessoa = 550g (a cada refeição);

Consumo médio geral = 0,550*277 = 152,35Kg (a cada refeição)

Consumo vapormodeloCVIL−300=36 ,00Kgh

Tabela 1 – disponível em <www.caldeirãoindustrial.com.br>

Através da tabela podemos calcular o consumo de vapor para cozinhar cada um dos itens e posteriormente a da cozinha por inteira:

Consumo energia Arroz=36,00

Kgh

∗50min

60h=30

Kgh

Consumo energia Feij ão=36,00

Kgh

∗180min

60h=108

Kgh

Consumo energiaCarne/Frango=36,00

Kgh

∗75min

60h=45

Kgh

Consumo devapor no Processo=∑ Energia componentes=183Kg

3,383h

1 – disponível em < www.cozil.com.br >

Logo a vazão de vapor requerida no Processe 4 é:

m=54 ,0 9Kgh

Agora pode ser calculada a energia necessária para a realização do Processo 4:

Qvapor no processo4=m∗(hentrada processo4−hsa í da processo4 )

Qvapor no processo4=54,09

Kgh

∗1h

3600 s∗(2746,36−1408,01 )

Qvapor no processo4=20,11KJs

Em termos de KJ/Kg:

Q=1338 , 44KJKg

Processo 5:

Este processo é referente a lavanderia instalada na fábrica. Cabe a essa lavanderia o trabalho de processar 222Kg de roupas diariamente. Para esse processo irá ser considerado um tempo de operação de 8 horas por dia (28800s), que para cada 1Kg de roupa seca está contido 4,35L de água a ser secada2 e que esta roupa está inicialmente a 20°C.

A secadora a ser utilizada será a selecionada no catálogo da empresa Unimac Tumbler UT120 – 120lb3. Essa secadora trabalha com pressão de 6,9Bar equivalente a 690KPa. Teremos então os seguintes dados a serem considerados:

Cpá gua=4 ,18KJ

Kg∗K

∆T=(100,00 ° C−20,00 °C )=80,00 ° C=80 ,00K

L=2258KJKG

hvapor 6 ,9 ¿=27 62, 86 KJ

Kg¿

hliquido 6 ,9 ¿=694 ,63 KJ

Kg¿

X saí da=0 ,38

O valor do hsaí da processo5 será:

hsaí da processo5=¿ X saí da∗hvapor 6 , 9 ¿+(1−X sa í da)∗hliquido 6 ,9¿ ¿¿

hsaí da processo5=¿ 0,38∗2762,86+(1−0,38 )∗694,63

2 – observado em experimento cotidiano em lavanderia.

3 – Disponível em < http://www.unimac.com/products/tumble-dryers/tumblers/UT120.aspx >

hsaí da processo5=¿ 1480 ,56KJKg

Definição da perda de energia pela tubulação até chegar ao Processo 5:

Perdatotal= (104,62+139,00+78,84 )∗0,20KJKg∗m

=64 ,49KJKg

Definição da entalpia do vapor na entrada do Processo5:

Perdatotal=hvapor 6 , 9 ¿−hentrada processo 5¿

hentradaprocesso1=2762,86−64,49=2698 ,37KJKg

Através da entalpia do vapor na entrada do Processo 5 pode-se calcular o título do vapor na entrada do processo:

hentr . proces5=Xentr . proces .5∗hv apor 6 ,9 ¿+( 1−X entr . proces .5)∗hl í quido6 ,9 ¿¿ ¿

2698,37=Xentr . proces .1∗2762,86+(1−Xentr . proces .1)∗694,63

X entr . proces. 5=¿0,969

Utilizando os dados de entrada mencionados no início podemos estimar a vazão de água a ser processada:

4 ,35Lá guaKgRoupa

∗222KgRoupa=965 ,70 Lá gua

˙

mentrada=¿

965,70 L28800 s

∗1,00Kg

1,00 L=0 ,034

Kgs

¿

Pode-se agora calcular a energia necessária no Processo5:Q= ˙mentrada∗C p∗∆T + ˙mentrada∗LQ=0,034∗4,18∗80+0,034∗2258

Q=88,14KJs

Energia em termos de KJs

Q=88,14

KJs

0,034Kgs

Q=2592,35KJKg

Com o valor da energia requerida no processo pode-se agora calcular a vazão de vapor necessária:

Q=m∗(hentradaprocesso5−hsa í da processo5 )

2592,35=m∗(2698,37−1480,56 )

m=2,01Kgs

Em horas:

m=7236Kgh

ProcessoEnergia de

Vapor (KJ/Kg)Vazão em massa de

vapor (Kg/h)Título de vapor de

entrada1 73,49 817,05 0,9722 100,58 1408,01 0,9843 2534 2012,04 0,9814 1338,44 54,09 0,9845 2592,35 7236,00 0,969

total 6638,86 11527,19Tabela 2 – Compilação dos dados finais

Observa-se na tabela que a caldeira deverá fornecer para o funcionamento do sistema um total de 6638,86 KJ/Kg de energia e uma vazão em massa de vapor de aproximadamente 11,53 ton/h. Para isso será adequada a utilização de uma caldeira do tipo flamotubular. A análise de empresas que trabalham com esse tipo de produto permitiu a identificação de uma caldeira da empresa Biochamm o modelo BGV.

A caldeira do tipo BGV opera com vazão de 3 a 25 ton/h de vapor além de trabalhar com pressão de até 25Bar, equivalente a 2,5MPa, o que é adequado à necessidade do sistema cuja pressão de saturação é de 1,0021MPa. Esse modelo em especial foi selecionado devido às características de instalação que apresenta uma relação custo benefício e diversidade de insumos para combustível:

“A Caldeira Flamotubular Biochamm BGV é um projeto de construção mista. Com operação totalmente automatizada, é utilizada para geração de vapor de processos industriais e pequenas centrais termelétricas. Além disso, é um equipamento compacto, que emprega alta tecnologia em uma estrutura de baixo custo de instalação, reduzindo investimento em obras civis.”

A seguir segue a descrição do equipamento:

Caldeira Caldeira flamotubular (mista). Grelha Móvel. Extração automática de cinza. Sopradores de fuligem. Alimentação automática de combustível. Preaquecedor de ar. Multiciclone. Ventilador de ar e gases. Chaminé

Características Capacidade de produção de vapor 3 a 25 t/h. Pressão de vapor até 25 bar.

Combustíveis Cavaco e casca de madeira. Serragem. Maravalha. Casca de arroz. Resíduos Florestais. Briquetes. Pellets. Capim. Outros (Consulte).

Figura 1 – Desenho da Caldeira BGV