LABORATÓRIO DE ENGENHARIA QUÍMICA II MEDIDA DA EFICIÊNCIA DE UM AQUECEDOR DE ÁGUA A GÁS

8/19/2019 LABORATÓRIO DE ENGENHARIA QUÍMICA II MEDIDA DA EFICIÊNCIA DE UM AQUECEDOR DE ÁGUA A GÁS

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CENTRO UNIVERSITÁRIO DAS FACULDADES ASSOCIADAS DE ENSINO-FAE

LABORATÓRIO DE ENGENHARIA QUÍMICA II

MEDIDA DA EFICIÊNCIA DE UM AQUECEDOR DE ÁGUA A GÁS

São João da Boa Vista- SP

2015


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CENTRO UNIVERSITÁRIO DAS FACULDADES ASSOCIADAS DE ENSINO-FAE

LABORATÓRIO DE ENGENHARIA QUÍMICA II

MEDIDA DA EFICIÊNCIA DE UM AQUECEDOR DE ÁGUA A GÁS

Bianca Vieira RA: 18155 - 2

Larissa Medeiros Baptistella RA: 18176-8

Maria de Lourdes Ferreira RA: 18181-8

Maria Júlia Franzoni RA:18064-6

Patrícia Diogo de Carvalho RA: 18521-5

Experimento realizado em laboratório a fim de

medir a eficiência de um aquecedor de água a

gás. Com a orientação da Professora Dra. Maria

Mônica Gonçalves.

São João da Boa Vista

2015


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Sumário

INTRODUÇÃO ...................................................................................................................1

FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA .........................................................................................3OBJETIVO ..........................................................................................................................5

MATERIAIS E MÉTODOS..................................................................................................6

Materiais Utilizados ..........................................................................................................6

Métodos ...........................................................................................................................6

RESULTADOS E DISCUSSÃO ...........................................................................................7

Cálculos ...........................................................................................................................7

CONCLUSÃO ................................................................................................................... 11

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............. ......... ........ ....... ........ ......... ........ ....... ........ .... 12


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INTRODUÇÃO

Os aquecedores de água a gás são utilizados para diversos fins. Esse tipo de aquecedor contribui

para a economia de energia, sendo que em anos anteriores passamos por racionamentos deenergia devido a nossa matriz energética ser muito dependente das hidroelétricas, com aausência de chuva fez com que o sistema de geração de energia se mostrasse insuficiente para o país, demandando uma diversificação no fornecimento e consumo de energia. Portanto oconhecimento do sistema de aquecimento a gás é de grande importância para a estabilidadeenergética do país.

Figura 1 – Modelo em corte do Aquecedor

Aproximadamente 25% do consumo de energia elétrica estão no setor de aquecimento da água para o banho estando presente em 70% dos lares nos pais.Atualmente o aquecedor a gás é utilizado para o complemento do sistema de aquecimento solar,tornando o sistema a gás mais econômico. A primeira opção é substituir a resistência elétrica pelo aquecedor a gás e a segunda é colocar o aquecedor na saída do sistema solar paracomplementar a temperatura caso o sistema solar não seja suficiente, mantendo a temperaturaestável na saída.

O aquecedor de água a gás precisa de um profissional qualificado para sua instalação emresidências, pois os devidos cuidados devem ser tomados para que não ocorram vazamentos eisso poderá ter custos maiores na instalação do aparelho. Já nos custos mensais acaba sendo


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mais barato do que manter um aquecedor elétrico, após a instalação de um aquecedor a gás podeser notada até mesmo uma economia três vezes maior em relação ao uso de um aquecedorelétrico. Os aquecedores elétricos são mais práticos e sua instalação mais barata, pois a conexãona rede de alimentação de energia na casa é simples, os modelos de aquecedores elétricos comtanque tendem a ter uma vida útil maior do que os aquecedores a gás e é muito eficaz na

produção de água quente, mas o seu custo mensal é maior do que um aquecedor a gás, noschuveiros e aquecedores de pia elétricos em dias com temperaturas baixas a água pode não estartão quente quanto deveria e no calor pode estar quente demais, tornando assim algodesconfortável.A pressão da água também tende a ser melhor em aquecedores de água a gás independente deser um modelo de passagem ou de acumulação. Os modelos de passagem não esquentam a águaque esta acumulada na tubulação entre o aquecedor e o chuveiro ou torneira, e isto podeimplicar em desperdício, pois nem todos gostam de iniciar o seu banho com água fria.


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FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

O esquema de passagem de água pelo aquecedor está representado na figura 1. A água friaentra, passa pela serpentina vai ate a câmara de combustão que está sendo aquecida pelo

queimador, e sai quente, o restante do vapor e o resíduo do gás queimado saem pela chaminé.Esse aquecedor pode ser alimentado por gás natural ou por gás de cozinha, para cada tipo de gáshá um aparelho adequado. O gás de cozinha (GLP), é a mistura gasosa de hidrocarbonetos nafaixa do propano e do butano, obtidos do gás natural das reservas subterrâneas, ou do processode refino do petróleo cru. Já o Gás natural veicular é um combustível encontrado naturalmentena forma gasosa, muito utilizado em automóveis, é constituído por hidrocarbonetos na faixa dometano e do etano.O cálculo da eficiência térmica do aquecedor pode ser efetuado por meio da relação entre aenergia calorífica transferida para a água e a energia liberada por meio da queima do biogás.Para o cálculo da energia absorvida pela água foi utilizada a equação:

= × × Equação 01

Onde:

Q = calor absorvido pela água em kJ/h.m = massa de água em kg.c = calor específico da água em 4,178 kJ/kg °c.

t = temperatura final - inicial da água, em °C.

Para o cálculo da energia fornecida pelo gás, uma vez que o PCS do gás de combustão é dado para uma determinada condição de temperatura e pressão há a necessidade de se corrigir o valordo volume de gás consumido no momento do ensaio para que seja possível determinar aquantidade de energia que o gás fornece ao sistema. A correção do volume de gás para ascondições do poder calorífico superior é dada pela equação:

= . ( + – 101,33 ) . (288,15

273,15+)

Equação 02

Onde:Vc = volume do gás medido em m³ nas condições de ensaio em m³.Pa = pressão barométrica, em kPa.P = pressão de alimentação, do gás em kPa.W = pressão de vapor da água, em kPa, relacionada com a tg, se for utilizado um medidorúmido de consumo de gás.tg = temperatura do gás em ºC, obtida junto ao medidor de consumo de gás.

A quantidade de calor disponibilizada pelo gás é obtida pelo produto do volume de gás


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consumido durante o período de medição por seu PCS, conforme a equação:

= . Equação 03

Onde:Qg = calor liberado pela queima do combustível em KJ.V = volume de combustível queimado em m³.PCS = poder calorífico superior do gás utilizado para condições padrão (15°C e 101,3 kPa)informado pelo fornecedor do gás (104105,8 KJ/m³).

O rendimento é calculado como sendo a razão entre a quantidade de calor transferida para aágua e a quantidade de calor disponibilizada pelo gás resultando na equação:

η = . . ( . . ) .100% Equação 04

Onde:η = rendimento em %.m = massa de água em kg.

c = calor específico da água, em KJ/kg ºC, igual a 4,178.t = temperatura final - inicial da água, em °C.Vc = vazão volumétrica de gás corrigida em, m3/h.T = tempo de aquecimento, em h


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OBJETIVO

O objetivo geral deste experimento foi determinar a eficiência de um aquecedor de água a gás eanalisar os fatores que afetam o seu desempenho, realizando a avaliação de diversas condições

de vazão de água e gás e diante dos resultados obtidos, determinar qual a influência dasincertezas nas medidas realizadas.


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MATERIAIS E MÉTODOS

Materiais Utilizados

Rotâmetro de gás Manômetro de gás

Termopar Painel digital de controle de temperatura

Cronômetro Gás Liquefeito de Petróleo (GLP) Balança Eletrônica

Aquecedor de água a gás Válvulas

Reservatório

Aparato Experimental

O aparato experimental consiste em uma garrafa de gás que armazena gás liquefeito de petróleo(GLP), cujo gás é liberado por uma válvula, a pressão é controlada por um manômetro e a vazãoé controlada por um rotâmetro. O gás é queimado e aquece a água dentro de um trocador decalor em regime contracorrente. A vazão de água é controlada por outra válvula. Astemperaturas de entrada e saída no trocador de calor dos gases e da água são aferidas pelos

termopares e visualizadas no painel digital. A água quente que sai do aquecedor de água a gás éarmazenada em um reservatório e posteriormente pesada por uma balança digital. Já o gás proveniente da combustão é liberado por uma chaminé de exaustão.

Métodos

Observou-se o modelo em corte do aparato experimental, abriram-se as válvulas de bloqueio deágua e de gás do sistema.Foi aberto cem por cento da válvula de regulagem de água que entra no aquecedor de água agás, acionou-se a válvula de regulamento de gás do equipamento e notou-se que o queimadoracionou-se automaticamente. Foi mantida a vazão de água constante e iniciaram-se os testesajustando com o auxilio do rotâmetro de vazão de gás.Aguardaram-se cinco minutos e anotaram-se os seguintes dados experimentais: Pressão do gásna alimentação, temperatura de entrada do gás, temperatura de saída do gás, temperatura deentrada da água, temperatura de saída da água, massa de água aquecida e tempo de escoamentoda água aquecida no reservatório.Foram repetidos os passos 5 e 6, passando o fluxo de gás por mais cinco estágio, até atingir avazão máxima permitida pelo rotâmetro no sistema.Repetiram-se os passos 5 até o sétimo para mais duas vazões de água.


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RESULTADOS E DISCUSSÃO

Foram identificados os dados de temperatura na água, antes e após o processo de aquecimento,sendo:

= 2 – 1 = º

Utilizou-se a balança disposta na base inferior do aquecedor para identificar a massa de água,que em relação ao tempo de vazão (segundos), determinou-se a vazão mássica da água, sendo:

= /

= / Convertendo para Kg/h temos:

= . 3600 . 1 ℎ =ℎ

Para cálculos da quantidade de calor transfer ido, foi utilizada a equação 1.Para correção do volume de gás para as condições do poder calorífico superior, foi utilizada aequação 2. Nesta fórmula foram utilizados os dados referentes ao poder calorífico superior(PCS) do gás em condições padrão (T=15°C = 288,15K e P=101,33 kPa).Para o cálculo de rendimento, foi utilizada a equação 4.

Cálculos

Os resultados experimentais obtidos estão representados nas tabelas abaixo.

Vazão de Gás - 2 L/min

Teste 1 Teste 2 Teste 3Entrada de água (ºC) 25 Entrada de água (ºC) 25 Entrada de água (ºC) 25

Saída de água (ºC) 33 Saída de água (ºC) 34 Saída de água (ºC) 33

Entrada de gás (ºC) 26 Entrada de gás (ºC) 26 Entrada de gás (ºC) 26Saída de gás (ºC) 54 Saída de gás (ºC) 54 Saída de gás (ºC) 54

Vazão água (Kg/h) 269,11 Vazão água (Kg/h) 244,48 Vazão água (Kg/h) 250,56Massa de água (Kg) 1,51 Massa de água (Kg) 1,382 Massa de água (Kg) 1,392

Tempo (h) 0,0056 Tempo (h) 0,0056 Tempo (h) 0,0055

Potência (Kj/h) 50,47 Potência (Kj/h) 51,966 Potência (Kj/h) 46,526


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Teste 4 Teste 5 Teste 6Entrada de água (ºC) 25 Entrada de água (ºC) 25 Entrada de água (ºC) 25

Saída de água (ºC) 40 Saída de água (ºC) 39 Saída de água (ºC) 39

Entrada de gás (ºC) 26 Entrada de gás (ºC) 26 Entrada de gás (ºC) 26Saída de gás (ºC) 70 Saída de gás (ºC) 72 Saída de gás (ºC) 72


Tempo (h) 0,0055 Tempo (h) 0,0055 Tempo (h) 0,0055



Teste 7 Teste 8 Teste 9Entrada de água (ºC) 25 Entrada de água (ºC) 25 Entrada de água (ºC) 25Saída de água (ºC) 49 Saída de água (ºC) 47 Saída de água (ºC) 47

Entrada de gás (ºC) 26 Entrada de gás (ºC) 26 Entrada de gás (ºC) 26

Saída de gás (ºC) 95 Saída de gás (ºC) 99 Saída de gás (ºC) 99

Vazão água (Kg/h) 282,96 Vazão água (Kg/h) 322,2 Vazão água (Kg/h) 330,12

Massa de água (Kg) 1,572 Massa de água (Kg) 1,79 Massa de água (Kg) 1,834Tempo (h) 0,0055 Tempo (h) 0,0055 Tempo (h) 0,0055


Vazão de Gás - 9 L/minTeste 10 Teste 11 Teste 12

Entrada de água (ºC) 25 Entrada de água (ºC) 25 Entrada de água (ºC) 25

Saída de água (ºC) 55 Saída de água (ºC) 53 Saída de água (ºC) 53Entrada de gás (ºC) 26 Entrada de gás (ºC) 26 Entrada de gás (ºC) 26

Saída de gás (ºC) 112 Saída de gás (ºC) 115 Saída de gás (ºC) 115


Tempo (h) 0,0055 Tempo (h) 0,0055 Tempo (h) 0,0055Potência (Kj/h) 208,82 Potência (Kj/h) 218,53 Potência (Kj/h) 226,01

Os resultados obtidos com a conversão da vazão de água de L/m para m³/h e da conversão da pressão do gás de milímetros de água salgada para KPa estão representados na tabela abaixo:


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Vazão de gás (L/min) Vazão de gás (m³/h) Pressão de gás (mmWs) Pressão do gás (Kpa)

2 0,12 89 0,874 0,24 92 0,90

7 0,42 95 0,93

9 0,54 91 0,89

Os resultados do cálculo do volume de gás corrigido para as condições de do PCS, assim comoa eficiência do trocador de calor estão representados na tabela:

Vo do gás (m³) % Rendimento do aquecimento

Teste 1 0,43 69,70Teste 2 0,39 71,50

Teste 3 0,37 75,90

Teste 4 0,38 76,90

Teste 5 0,38 81,80Teste 6 0,41 74,10

Teste 7 0,42 78,30Teste 8 0,41 86,70

Teste 9 0,37 81,20

Teste 10 0,35 85,90Teste 11 0,33 92,70

Teste 12 0,30 93,80

O gráfico abaixo representa a eficiência em função da vazão mássica de água:

40

50

60

70

80

90

100

110

244,48 250,56 268,2 269,11 282,96 285,84 299,88 300,6 322,2 330,12 336,24 347,76

% R e n

d i m e n t o

Vazão mássica da água (Kg/h)


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De acordo com os resultados obtidos a eficiência do aquecedor a gás está dentro da eficiênciaapresentada pelo fabricante de 85 %, a média da eficiência dos testes demonstram isto,apresentam média de 83%.Foi observado que a determinação da vazão mássica de água sofre a influência maior do errohumano, pois como a massa de água em função do tempo é determinada pelo fechamento da

válvula em um intervalo de tempo determinado, esta massa pode sofrer grandes alterações.


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CONCLUSÃO

As eficiências encontradas durante os testes atenderam os resultados esperados e através dosresultados obtidos podemos concluir que a determinação da eficiência do aquecedor a gás é de

fácil realização, o aquecedor em estudo é capaz de atingir a eficiência estabelecida pelofornecedor, desde que o manuseio do equipamento esteja correto e as vazões de água e gássejam reguladas para que evitem perda de calor.


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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

LUZ, LUIZ MOLINA, http://www.infoescola.com/quimica/gas-natural-veicular- gnv -03/12/2007.
http://www.infoescola.com/quimica/gas-natural-veicular-%20gnv%20-%2003/12/2007http://www.infoescola.com/quimica/gas-natural-veicular-%20gnv%20-%2003/12/2007http://www.infoescola.com/quimica/gas-natural-veicular-%20gnv%20-%2003/12/2007http://www.infoescola.com/quimica/gas-natural-veicular-%20gnv%20-%2003/12/2007http://www.infoescola.com/quimica/gas-natural-veicular-%20gnv%20-%2003/12/2007http://www.infoescola.com/quimica/gas-natural-veicular-%20gnv%20-%2003/12/2007

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