Calculadora de eficiência do preaquecedor de ar

A eficiência do APH parece, na tela, uma única porcentagem; em campo, ela não é lida assim. Se a temperatura de entrada do gás, a temperatura de saída do gás, a temperatura de entrada do ar e a temperatura de saída do ar não vierem do mesmo instante de operação, o valor obtido é apenas uma estimativa bem formatada. Especialmente se houver leakage em um rotary air preheater, a temperatura de saída do gás pode enganar à primeira vista. Ver uma temperatura baixa dos gases de combustão no DCS dá uma boa sensação, mas se houver vazamento pelo lado do seal, essa melhoria fica só no papel.

De qual diferença de temperatura vem a porcentagem de eficiência?

Um air preheater é um trocador de calor que aproxima os gases de combustão quentes do ar de combustão frio. O lado do gás esfria, o lado do ar aquece. O que a calculadora faz é ler essa variação de temperatura por dois caminhos diferentes: eficiência do lado do gás ou eficiência do lado do ar.

O ponto comum dos dois métodos é a diferença de temperatura entre as entradas:

$$
\Delta T_{head} = T_{g,in} - T_{a,in}
$$

Se o gás entra no APH a 340 °C e o ar entra a 30 °C, a diferença de temperatura disponível é 310 K. Aqui, a diferença em Kelvin e em Celsius tem a mesma magnitude; o que vale 340 - 30 também vale 613,15 - 303,15. A calculadora também mostra essa diferença no resultado, porque é a base sobre a qual se apoia a porcentagem de eficiência.

Para a eficiência do lado do gás, o cálculo é montado assim:

$$
\eta_{gas} = \frac{T_{g,in} - T_{g,out}}{T_{g,in} - T_{a,in}} \times 100
$$

Já a eficiência do lado do ar observa a temperatura que o ar ganhou:

$$
\eta_{air} = \frac{T_{a,out} - T_{a,in}}{T_{g,in} - T_{a,in}} \times 100
$$

Apesar de o denominador ser o mesmo, os dois resultados não precisam ser iguais. Na verdade, na maioria dos dados reais eles não são iguais. As vazões de gás e ar não são iguais, os calores específicos são diferentes, a medição de leakage não está neste cálculo, e a distribuição de temperatura dentro do duto nem sempre é uniforme. Por isso, é mais correto pensar na eficiência do lado do gás e na eficiência do lado do ar como duas leituras separadas.

Se em uma nota de engenharia estiver escrito “eficiência %80”, é preciso adicionar também o método ao lado dessa linha. Lado do gás ou lado do ar? A mesma porcentagem, com outro método, pode ter um significado completamente diferente.

Cálculo do lado do gás: quanto os gases de combustão esfriaram?

O método do lado do gás mede quanta temperatura os gases de combustão perdem ao passar pelo APH. Se a entrada do gás é 340 °C, a saída do gás 150 °C e a entrada do ar 30 °C, a fórmula funciona assim:

$$
\eta_{gas} = \frac{340 - 150}{340 - 30} \times 100
$$

O resultado é %61,29.

Esse cálculo fornece uma primeira leitura bastante prática para o lado do gás. Se o APH estiver sujo, se as superfícies do basket estiverem carregadas, se o efeito do sootblower tiver enfraquecido ou se uma obstrução tiver começado no lado cold-end, a temperatura de saída do gás permanece alta. O gás não esfria o suficiente. O numerador da fórmula diminui, e a eficiência cai.

Mas não convém olhar para a temperatura de saída do gás com romantismo demais. Em um rotary APH, se o ar vaza do lado do ar para o lado do gás, a saída de gás medida pode parecer fria. Isso pode ser interpretado como se a transferência real de calor tivesse aumentado. O valor baixo na tela do DCS fica bonito no relatório; depois, quando a medição de leakage chega à mesa, já não sobra tanta confiança nesse mesmo valor.

Esta calculadora não faz correção de leakage. Também não produz uma temperatura de saída do gás no-leakage. Se você tem a temperatura bruta de saída do gás, a eficiência do lado do gás também é calculada com esse dado bruto de temperatura. É assim que deve ser escrito. Caso contrário, a porcentagem parece mais assertiva do que deveria.

A eficiência do lado do gás é especialmente útil ao acompanhar a mesma unidade ao longo do tempo. Ontem, na semana passada, antes da manutenção, depois da manutenção. Mas, para que a comparação faça sentido, o ponto de carga deve ser semelhante. Se o combustível mudou, se o excess air se alterou ou se o damper do ventilador ficou em outra posição, não é fácil colocar duas eficiências lado a lado e tirar uma conclusão. No Excel duas linhas ficam alinhadas; na operação, não.

Vamos usar um exemplo mais realista: entrada do gás 346,7 °C, saída do gás 158,4 °C, entrada do ar 32,1 °C. A eficiência do lado do gás fica aproximadamente %59,85. Aqui não existe a ordem dos exemplos arredondados. Em campo, geralmente também não existe.

Cálculo do lado do ar: até onde o ar de combustão aqueceu?

O método do lado do ar observa quanto o APH eleva a temperatura do ar de combustão. Se o cálculo for feito com entrada do gás 340 °C, entrada do ar 30 °C e saída do ar 280 °C:

$$
\eta_{air} = \frac{280 - 30}{340 - 30} \times 100
$$

O resultado é %80,65.

No mesmo conjunto de temperaturas, o lado do gás havia dado %61,29 e o lado do ar %80,65. Isso, por si só, não é um sinal de falha. A queda de temperatura no lado do gás é 190 °C, e o aumento de temperatura no lado do ar é 250 °C. Como vazão e \(C_p\) não entram no cálculo, é errado ler essas duas porcentagens como um balanço de energia.

A eficiência do lado do ar fala de forma mais direta para quem está interessado na temperatura do ar que vai para o queimador. Se a temperatura de saída do ar estiver baixa, pode haver uma condição que precisa ser acompanhada no lado da combustão em termos de combustível, estabilidade da chama ou eficiência da caldeira. Mas aqui também entra em jogo a posição do sensor. Em grandes dutos de ar, a mistura nem sempre é homogênea. Uma temperatura medida em um único ponto pode não representar o duto inteiro.

A temperatura de entrada do ar é afetada pela estação. O ar que entra a 5 °C no inverno e o ar que entra a 35 °C no verão podem dar porcentagens diferentes no mesmo APH. Por isso, ao comparar meses, é preciso perguntar: “a entrada do ar mudou, mas a eficiência permaneceu igual?”. Alguns relatórios pulam essa distinção. Depois, não se entende por que os valores se moveram.

No cálculo do lado do ar, a temperatura de saída do gás não está na fórmula. Mesmo assim, ela é acompanhada de relance. Se a saída do ar parece boa e a saída do gás também está anormalmente baixa, a suspeita de leakage não sai da mesa. O fato de o ar ter aquecido bem não significa que a história do lado do gás esteja encerrada.

Onde os erros aparecem com mais frequência nas entradas?

A calculadora tem quatro campos de temperatura: entrada do gás, saída do gás, entrada do ar, saída do ar. E também há a seleção do método. Quando o lado do gás é selecionado, são usados entrada do gás, saída do gás e entrada do ar. Quando o lado do ar é selecionado, entrada do gás, entrada do ar e saída do ar ganham destaque. A diferença de temperatura, em qualquer caso, vem da entrada do gás e da entrada do ar.

A unidade pode ser °C, °F ou K. Se a conversão estiver correta, a porcentagem não muda. O erro costuma estar mais no próprio valor: por exemplo, escrever 340 K em vez de 340 °C. 340 K corresponde a cerca de 66,85 °C. A calculadora não consegue entender a intenção do usuário; ela pega o número, faz o cálculo e entrega o resultado. Depois aparece uma porcentagem estranha no relatório.

O momento da medição incomoda tanto quanto a unidade. Se a entrada do gás é a média das 10:00, a saída do ar é um valor instantâneo das 10:30, e a saída do gás foi tomada enquanto a carga estava caindo, o cálculo parece correto, mas os dados não contam a mesma história. Em carga estável, uma média de 15-30 minutos costuma ser melhor para a maioria das verificações práticas. Intervalos mais curtos às vezes bastam, especialmente em uma checagem rápida de turno. Para um relatório de desempenho, é preciso um pouco mais de paciência.

A posição dos sensores também deve ser anotada. Se o perfil de temperatura na entrada do APH não for uniforme, uma única sonda pode não ser suficiente. Se houver stratification na saída do gás, um valor tomado em um canto não representa toda a seção. Na saída do ar há um problema semelhante; um lado do duto pode ficar mais quente e o outro mais frio. A fórmula não sabe disso.

Às vezes, o que chamamos de erro de cálculo é, na verdade, um erro de arranjo de medição.

Essa porcentagem não é um balanço de energia

É preciso dizer claramente, sem alongar demais: esta calculadora não usa vazão nem calor específico. Ela obtém apenas a eficiência do lado do gás ou do lado do ar a partir das diferenças de temperatura. Não há X-ratio. Não há correção de leakage. Não há temperatura no-leakage.

Isso não significa que o cálculo não seja útil; esse é o seu escopo.

Se for necessário calcular a carga térmica, são necessários vazão e \(C_p\). No lado do ar, o ganho térmico aproximado é obtido assim:

$$
Q_{air} = \dot{m}_{air} \times C_{p,air} \times (T_{a,out} - T_{a,in})
$$

No lado do gás, faz-se uma leitura semelhante:

$$
Q_{gas} = \dot{m}_{gas} \times C_{p,gas} \times (T_{g,in} - T_{g,out})
$$

Esses dois cálculos não são a mesma coisa que a eficiência de temperatura. A eficiência do lado do ar pode sair %80 e a eficiência do lado do gás %61; sem conhecer as vazões, não se deve saltar daí para a conclusão de que “a energia se perdeu” ou que “o cálculo está errado”. Não se constrói um balanço de energia sem colocar na tabela a vazão de ar, a vazão de gás, os calores específicos e as informações de leakage.

A hipótese de \(C_p\) do gás em uma caldeira a carvão se comporta de um jeito, no gás natural de outro, e na biomassa de outro ainda. Relação de excess air, umidade, composição do combustível, carga; tudo isso afeta o lado do gás. O que esta calculadora faz é mais restrito: fornecer rapidamente uma porcentagem de eficiência do APH por meio da diferença de temperatura.

Ao ler o resultado em campo

Baixa eficiência faz pensar primeiro em sujeira. As superfícies do basket podem estar carregadas, o regime do sootblower pode estar fraco, pode ter chegado a hora de lavar o APH, ou uma obstrução pode ter começado no lado cold-end. Essas são possibilidades reais. Ainda assim, abrir diretamente uma ordem de manutenção quando a eficiência cai seria precipitado.

Se a temperatura de entrada do gás veio baixa, o denominador muda. Se a vazão de ar aumentou, a saída do ar cai. Se o leakage subiu, a saída do gás pode parecer estranhamente boa. Se o pressure drop aumentou, a suspeita de sujeira se fortalece. É possível chegar à mesma porcentagem por caminhos diferentes; é aí que o cálculo de APH fica desconfortável.

Alta eficiência também não é, sozinha, um certificado de sucesso. O sensor de saída do ar pode estar lendo alto. A sonda de entrada do gás pode ter caído em uma zona quente. O tempo de média pode ter sido mantido curto. Um valor brilhante no DCS, em campo, às vezes é produto de um arranjo de medição fraco.

Se a comparação for feita com um valor de projeto ou aceitação, o cálculo de desvio também pode ser usado:

$$
Sapma\ (\%) = 100 \times \frac{\eta_{mevcut} - \eta_{tasarım}}{\eta_{tasarım}}
$$

Se a eficiência atual do lado do gás é %61,29 e a referência de projeto é %65, o desvio fica aproximadamente -%5,71. Essa linha pode entrar no relatório. Se não forem escritos ao lado carga, combustível, excess air e intervalo de medição, ela não será muito convincente.

Se fosse eu, colocaria no relatório alguns dados duros em vez de uma explicação longa: método, quatro temperaturas, carga, pressure drop e, se houver, nota de leakage. Seis linhas muitas vezes são mais úteis do que dois parágrafos. Especialmente em uma reunião de manutenção, ninguém lê frases longas e enfeitadas; todos querem ver de onde veio o valor.

Nota curta ao usar a ferramenta

Comece pela seleção do método. Se a eficiência do lado do gás for desejada, concentre-se na entrada do gás, na saída do gás e na temperatura de entrada do ar. Na eficiência do lado do ar, o cálculo é sustentado pela entrada do gás, entrada do ar e saída do ar. A quarta temperatura ainda fica na tela; ela ajuda na interpretação.

Entrada do gás de 340 °C, saída do gás de 150 °C e entrada do ar de 30 °C dão %61,29 no lado do gás. Com os mesmos valores de entrada do gás e entrada do ar, se a saída do ar for inserida como 280 °C, o lado do ar dá %80,65. Esses dois cálculos de teste são suficientes para verificar a lógica de diferença de temperatura da ferramenta.

Se os dados forem inseridos em uma unidade diferente, verifique primeiro a seleção da unidade. Se °F e °C forem misturados, o resultado se desvia bastante. Ao usar Kelvin, também é preciso garantir que os valores absolutos foram inseridos corretamente; escrever dados sem conversão só porque “K parece mais técnico” não é uma boa ideia.

É mais honesto deixar a última linha assim: não leia a porcentagem obtida sozinha, mas junto com as tendências no mesmo ponto de carga. Se a temperatura de saída do gás, a temperatura de saída do ar e o pressure drop dizem algo na mesma direção, o cálculo é útil. Se um deles vai para outro lado, mexa primeiro no lado da medição.