Eficiência da Caldeira
Calcula a eficiência térmica de uma caldeira pelo método direto, η = (m_vapor × Δh) ÷ (m_comb × PCI) × 100%, comparando o calor útil absorvido pela água/vapor (vazão de vapor × ganho de entalpia) com a energia liberada pela queima do combustível (vazão de combustível × poder calorífico inferior). O resultado, em %, indica quanta energia do combustível foi efetivamente transferida ao vapor; o restante se perde nos gases de exaustão, em purgas, radiação e combustível não queimado. Caldeiras industriais bem operadas atingem 80–90%. Informe a vazão de vapor, o ganho de entalpia, a vazão de combustível e o PCI.
Resultado
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Eficiência da caldeira
A caldeira é o coração de uma usina a vapor: nela a energia química do combustível vira calor que transforma água em vapor de alta pressão. A eficiência mede quanto dessa energia chega de fato ao vapor. O método direto compara entradas e saídas: η = (m_vapor × Δh) ÷ (m_comb × PCI) × 100%. O numerador é o calor útil — a vazão de vapor multiplicada pelo ganho de entalpia da água (do estado de alimentação até o vapor produzido). O denominador é a energia do combustível — a vazão de combustível vezes seu poder calorífico inferior (PCI), o calor liberado na queima descontada a energia perdida com a água formada. A diferença entre 100% e a eficiência corresponde às perdas: gases de exaustão quentes (a maior parcela), purgas (blowdown), radiação pelas paredes e combustível não queimado. Caldeiras industriais bem ajustadas operam a 80–90%; economizadores e pré-aquecedores de ar recuperam calor dos gases para subir esse número. Informe a vazão de vapor, o ganho de entalpia, a vazão de combustível e o PCI.
Ferramentas Relacionadas
Perda de Calor pela Chaminé (Siegert)
Calcula a perda de calor pelos gases de exaustão pela fórmula de Siegert, perda = K × (T_gases − T_ar) ÷ CO₂, a partir do fator do combustível K (~0,5 para gás natural, ~0,6 para óleo), das temperaturas dos gases e do ar de combustão (°C) e do percentual de CO₂ nos gases. O resultado, em %, é a maior perda de energia de uma caldeira ou forno — o calor que escapa quente pela chaminé. Reduzir a temperatura dos gases (com economizadores e pré-aquecedores) e ajustar o excesso de ar (que dilui o CO₂) minimiza essa perda. A eficiência de combustão é aproximadamente 100% menos essa perda. Informe o fator K, as temperaturas e o CO₂.
Temperatura Adiabática de Chama
Estima a temperatura adiabática de chama, T_ad = T_inicial + PCI ÷ (m × cp), a partir do poder calorífico inferior PCI (kJ/kg de combustível), da massa de produtos de combustão por kg de combustível m, do calor específico médio dos gases cp (kJ/kg·K) e da temperatura inicial. O resultado, em °C, é a temperatura máxima teórica que os gases atingiriam se toda a energia da combustão aquecesse os produtos, sem perdas de calor. É um limite superior: chamas reais são mais frias (perdas por radiação, dissociação, excesso de ar). Define a severidade térmica sobre materiais e a formação de NOx. Informe o PCI, a massa de gases, o cp e a temperatura inicial.
Perda de Vapor por Purgador ou Orifício (Napier)
Calcula a vazão de vapor saturado que escapa por um purgador travado aberto ou por um furo de vazamento, pela fórmula de Napier em escoamento crítico: ṁ = C_d · 0,5244 · A · P_abs, com a área do orifício em mm² e a pressão absoluta da linha em bar, resultado em kg/h. Acima de cerca de 1,9 bar absolutos o escoamento fica bloqueado (choked), e a partir daí a vazão passa a depender apenas da pressão a MONTANTE, não da contrapressão a jusante — é por isso que a perda cresce linearmente com a pressão da linha e com o quadrado do diâmetro do furo, e por isso que uma linha de alta pressão perde desproporcionalmente mais pelo mesmo defeito. A constante 0,5244 kg/(h·mm²·bar) é a conversão exata da forma imperial publicada, ṁ[lb/h] = 51,43 · A[pol²] · P[psia], e com C_d = 1 ela reproduz a vazão isentrópica bloqueada a menos de 1 %. Um furo de apenas 3 mm a 8 bar, com coeficiente de descarga 0,7, deixa escapar 20,8 kg/h — mais de 180 toneladas de vapor por ano de operação contínua, o argumento econômico central de qualquer programa de manutenção de purgadores. Informe o coeficiente de descarga, o diâmetro do orifício e a pressão absoluta da linha.
Excesso de Ar (pelos Gases)
Calcula o excesso de ar de uma combustão a partir do oxigênio nos gases secos, EA = O₂ ÷ (20,9 − O₂) × 100%, a partir do percentual de O₂ medido na chaminé. O resultado, em %, indica quanto ar foi fornecido além do estequiométrico — medido pela sobra de oxigênio nos gases de exaustão. Algum excesso de ar (10-30%) é necessário para garantir combustão completa (evitar CO e fuligem), mas excesso demais desperdiça energia aquecendo ar inútil que sai quente pela chaminé. Analisadores de gases medem o O₂ e calculam o excesso de ar para otimizar a eficiência da queima. Informe o O₂ percentual nos gases.
Eficiência de Ciclo Combinado
Calcula a eficiência de um ciclo combinado gás-vapor, η_cc = η_gás + η_vapor − (η_gás × η_vapor ÷ 100), combinando a eficiência da turbina a gás (ciclo Brayton, topping) com a do ciclo a vapor (Rankine, bottoming) que aproveita o calor dos gases de exaustão. O resultado, em %, é maior que qualquer um dos ciclos isolados porque o calor rejeitado pela turbina a gás, em vez de ser perdido, gera vapor para uma segunda turbina. É por isso que as centrais de ciclo combinado modernas superam 60% de eficiência, as mais altas da geração térmica. Informe as eficiências do ciclo a gás e do ciclo a vapor (em %).
Ponto de Orvalho Ácido dos Gases de Combustão
Calcula a temperatura em que o ácido sulfúrico passa a condensar sobre as superfícies frias de uma caldeira, pela correlação de Verhoff e Banchero: o inverso da temperatura absoluta de orvalho é uma combinação dos logaritmos das pressões parciais de vapor de água e de trióxido de enxofre nos gases, somada ao produto entre esses dois logaritmos. O resultado é o piso térmico do projeto — manter chaminé, economizador e pré-aquecedor de ar acima dele é o que evita a corrosão ácida que come o aço em poucas semanas, e é por isso que caldeiras a óleo pesado jogam pela chaminé calor que poderiam recuperar. Quem manda é o SO₃, não a umidade, e o motivo é a faixa de variação: o vapor de água praticamente não sai de 5% a 15% num gás de combustão, o que responde por 11 °C de ponta a ponta, enquanto o SO₃ varia por ordens de grandeza conforme o enxofre do combustível — só de 1 para 10 ppm o ponto de orvalho sobe quase 22 °C. Foi adotada a correlação de Verhoff e Banchero com pressões parciais em milímetros de mercúrio à pressão atmosférica, a mais usada em projeto de caldeira, na forma original com o termo de interação entre os dois logaritmos; a correlação de Okkes, posterior, devolve de 1 a 8 °C a menos para a mesma composição, então trate o valor como referência e não como limite exato. Informe o teor de vapor de água e o teor de SO₃ dos gases.
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