162722369 dimensionamento gerador de vapor

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE RONDONÓPOLIS PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO INSTITUTO DE CIÊNCIAS AGRÁRIAS E TECNOLÓGICAS CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA SISTEMAS TÉRMICOS PROF° DR. MARCELO MENDES VIEIRA Rondonópolis-MT 2013 Luiz Gustavo Sousa Vasconcelos Tiago da Silva Fazolo DIMENSIONAMENTO DE UM GERADOR DE VAPOR

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Page 1: 162722369 Dimensionamento Gerador de Vapor

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE RONDONÓPOLIS

PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO INSTITUTO DE CIÊNCIAS AGRÁRIAS E TECNOLÓGICAS

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA SISTEMAS TÉRMICOS

PROF° DR. MARCELO MENDES VIEIRA

Rondonópolis-MT 2013

Luiz Gustavo Sousa Vasconcelos

Tiago da Silva Fazolo

DIMENSIONAMENTO DE UM GERADOR DE VAPOR

Page 2: 162722369 Dimensionamento Gerador de Vapor

Rondonópolis-MT 2013

Luiz Gustavo Sousa Vasconcelos

Tiago da Silva Fazolo

DIMENSIONAMENTO DE UM GERADOR DE VAPOR

Trabalho apresentado como

exigência parcial para obtenção

de nota da disciplina de Sistemas

Térmicos do curso de

Engenharia Mecânica da

Universidade Federal de Mato

Grosso.

Page 3: 162722369 Dimensionamento Gerador de Vapor

SUMÁRIO

1. Introdução ....................................................................................... 3

2. Objetivos ......................................................................................... 4

3. Especificação das condições iniciais de projeto ............................. 5

4. Balanço estequiométrico ................................................................ 6

5. Balanço energético no gerador de vapor ........................................ 8

6. Cálculo da energia disponível ....................................................... 10

7. Dimensionamento da área da grelha ............................................ 11

8. Dimensionamento da fornalha ...................................................... 12

9. Dimensionamento do superaquecedor ......................................... 16

10. Dimensionamento do economizador ............................................ 20

11. Dimensionamento da chaminé para tiragem ................................ 23

12. Ponto de aproximação e ponto de pinça ...................................... 26

13. Conclusão ..................................................................................... 28

14. Bibliografia .................................................................................... 29

15. ANEXO – Catálogo técnico da flex ............................................... 30

Page 4: 162722369 Dimensionamento Gerador de Vapor

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1. INTRODUÇÃO

Acredita-se que desde o século XVIII o homem começou a perceber o quão

relevante era a energia incorporada ao vapor d’água superaquecido. Começaram as

pesquisas nessa área, e a partir daí as unidades geradoras de vapor vieram se

desenvolvendo até os dias atuais, e ainda continuam se desenvolvendo cada vez

mais.

A escolha do vapor como fluido de trabalho não é por acaso. Sabemos que o

vapor tem alto poder calorífico, pode ser facilmente manuseável e temos que a água

existe em abundância no planeta. Logo, as unidades geradoras de vapor estão

presentes em vários setores industriais como, por exemplo, na indústria de

alimentos, têxtil, metalúrgica, química, entre outras. As linhas de vapor podem levar

essa energia a vários lugares de uma indústria aos quais se deseja uma fonte

térmica, ou ainda pode ser usado para acionar as pás de turbinas gerando potência

de eixo, que posteriormente pode ser convertido em energia elétrica. Enfim, são

várias as aplicações úteis aos geradores de vapor.

Page 5: 162722369 Dimensionamento Gerador de Vapor

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2. OBJETIVOS

A proposta do projeto é dimensionar os principais componentes de um

sistema gerador de vapor, sendo eles a grelha, a fornalha, o superaquecedor, o

economizador e a chaminé. O objetivo é realizar um roteiro de cálculo para tais

dimensionamentos partindo de dados iniciais, como o tipo de combustível utilizado, a

vazão requerida de vapor e algumas temperaturas em pontos específicos. Dividimos

o projeto nas seguintes etapas:

• Balanço estequiométrico;

• Cálculo da energia requerida pelo vapor, considerando as perdas;

• Cálculo da energia disponível pelo combustível;

• Dimensionamento da área da grelha;

• Dimensionamento da fornalha;

• Dimensionamento do superaquecedor;

• Dimensionamento do economizador;

• Dimensionamento da chaminé para tiragem.

Page 6: 162722369 Dimensionamento Gerador de Vapor

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3. ESPECIFICAÇÃO DAS CONDIÇÕES INICIAIS DE

PROJETO

Para dar início aos cálculos é preciso ter em mãos algumas informações

importantes a respeito das condições desejadas do gerador de vapor. Deve-se levar

em consideração parâmetros como a umidade absoluta do ar, pressão interna do

gerador e temperaturas desejadas na saída do superaquecedor e na chaminé.

Esses parâmetros serão constantemente utilizados nos cálculos de transferência de

calor na fornalha, no superaquecedor, no economizador e na chaminé. A tabela

abaixo apresenta esses dados.

TABELA 1- PARÂMETROS INICIAIS DE PROJETO

Temperatura ambiente (°C) 25

Umidade do ar, War (kg/kg de ar seco) 0,014

Temperatura na saída do economizador (°C) 170

Pressão do vapor (bar) 60

Temperatura do vapor superaquecido (°C) 480

Temperatura na base da chaminé (°C) 180

Excesso de ar (%) 50

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4. BALANÇO ESTEQUIOMÉTRICO

O combustível para o projeto desse gerador de vapor é o carvão, com a

composição apresentada na tabela abaixo.

TABELA 2- COMPOSIÇÃO DO COMBUSTÍVEL (CARVÃO)

C H S O A (cinzas) W (umidade) Total (%)

48 4 5 6 37 0 100

Para o balanço estequiométrico foi considerado um excesso de ar de 50%,

que é o adequado para combustíveis sólidos, segundo Bazzo[1]. Chegou-se a uma

relação ar/combustível de 10,232:1em base mássica. As composições dos gases de

exaustão em base mássica e volumétrica são as apresentadas abaixo.

TABELA 3-COMPOSIÇÃO MÁSSICA EM BASE SECA

Base Seca (mássica)

Massa Total (kg/100kg de comb) 1050,14

CO2 16,76%

SO2 0,95%

N2 74,72%

O2 7,57%

TABELA 4- COMPOSIÇÃO MÁSSICA EM BASE ÚMIDA

Base Úmida (mássica)

Massa Total (kg/100kg de comb) 1086,14

CO2 16,20%

SO2 0,92%

N2 72,24%

O2 7,32%

H2O 3,31%

Page 8: 162722369 Dimensionamento Gerador de Vapor

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TABELA 5- COMPOSIÇÃO VOLUMÉTRICA EM BASE SECA

Base Seca (em volume) Volume Total

(kmol/100kg de comb)

34,663

CO2 11,54%

SO2 0,45%

N2 80,84%

O2 7,17%

TABELA 6- COMPOSIÇÃO VOLUMÉTRICA EM BASE ÚMIDA

Base Úmida (em volume) Volume Total

(kmol/100kg de comb)

36,663

CO2 10,91%

SO2 0,43%

N2 76,43%

O2 6,78%

H2O 5,46%

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5. BALANÇO ENERGÉTICO NO GERADOR DE VAPOR

A água à temperatura ambiente entra no feixe de tubos correspondente ao

economizador, que é um trocador de calor, e ganha energia devido à troca térmica

com os gases de exaustão. Após esse ganho de energia, a água sai do

economizador e entra no tambor separador a 170°C (condição de projeto), desce

pelas paredes d’água até o interior da fornalha, onde ganha calor até se tornar vapor

saturado. Esse vapor retorna ao tambor separador por diferença dos volumes

específicos da água líquida e do vapor saturados, caracterizando uma convecção

natural nos tubos da parede d’água. Esse vapor sai do tambor separador e entra no

feixe de tubos correspondente ao superaquecedor, onde é levado à temperatura de

480°C (condição de projeto) devido à troca térmica com os gases de exaustão. A

figura abaixo ilustra o ganho térmico da água para as condições de projetos

estabelecidas.

FIGURA 1

As tabelas abaixo apresentam as propriedades térmicas de cada ponto a ser

analisado e a energia total requerida no economizador, no tambor e no

superaquecedor, considerando a vazão de vapor de projeto de 8kg/s.

Page 10: 162722369 Dimensionamento Gerador de Vapor

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TABELA 7- ESTIMATIVA DAS ENTALPIAS NOS PONTOS

1 2 3 4

Pressão (kPa) 6000 6000 6000 6000

Temperatura (°C) 25 170 275,64 480

Entalpia (kJ/kg) 110,38 722,07 2784,33 3373,976

Volume Específico (m³/kg) 0,0010003 0,00111 0,03244 0,054846

TABELA 8- ENERGIA REQUERIDA EM CADA COMPONENTE DO SISTEMA GERADOR DE VAPOR

Economizador (processo 1-2)

Fornalha (processo 2-3)

Superaquecedor (processo 3-4)

Energia Requerida (kW) 4893,52 16498,08 4717,17

A soma das energias requeridas nos três componentes resulta na energia

total útil para que a água à temperatura ambiente alcance o estado de vapor

superaquecido correspondente a 480°C. Essa energia útil equivale a 26108,77kW.

Ao acrescentar as perdas de 9% pelas paredes, a energia requerida pelo sistema

passa a valer 28690,95kW. Essa última é a energia necessária a ser utilizada para

atender as condições de projeto. Porém, para garantir que a temperatura dos gases

de exaustão chegue a aproximadamente 180°C na base da chaminé será

necessário injetar mais combustível do que o necessário requerido pelo vapor, tendo

como consequência uma queda na eficiência do sistema gerador de vapor.

Page 11: 162722369 Dimensionamento Gerador de Vapor

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6. CÁLCULO DA ENERGIA DISPONÍVEL

O cálculo da energia disponível leva em conta o Poder Calorífico Inferior (PCI)

do combustível, a umidade do ar na fornalha e o ar que é lançado contra o

combustível dentro da fornalha.

O cálculo da energia disponível é feito considerando o consumo de 1kg/s de

combustível, de modo que se tem a energia para esta condição. Em seguida calcula-

se a vazão necessária de combustível para suprir a demanda da água. Esses dados

estão apresentados na tabela abaixo.

TABELA 9- ENERGIA DISPONÍVEL

Energia Requerida (kW) 28690,95

Calor disponível para 1kg/s de combustível (kW) 23652,88

Vazão de combustível necessária para suprir a Energia Requerida (kg/s) 1,213

Vazão de combustível de projeto (kg/s) 1,530

Calor disponível para a vazão de projeto, qd (kW) 36188,91

Rendimento do Gerador de Vapor, ηgv (%) 0,7215 Vazão mássica de ar (proporção ar/combustível), ṁar (kg/s) 15,654

Vazão mássica dos gases de exaustão, ṁg (kg/s) 17,403

A vazão mássica de combustível estimada acima leva em consideração a

vazão de projeto, 26% maior que a vazão necessária para suprir a demanda

energética da água. Essa vazão de projeto é maior que a necessária, para que a

condição final de temperatura na tiragem se adeque ao requisitado nos dados

iniciais de projeto. O rendimento da caldeira leva consideração a razão entre energia

útil e energia total disponível pela vazão de combustível de projeto.

Page 12: 162722369 Dimensionamento Gerador de Vapor

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7. DIMENSIONAMENTO DA ÁREA DA GRELHA

Para cada tipo de combustível, existe uma faixa de valores para a taxa de

carregamento, em kg/m²h. Essa faixa de valores foi obtida empiricamente com

dados de caldeiras em operação. A taxa de carregamento equivale ao quanto de

vazão mássica de combustível deve ser introduzido na fornalha para uma dada área

da grelha. Para grelhas estacionárias, como a desse projeto, essa faixa varia de 50

a 150 kg/m²h. Adotando um valor de 120kg/m²h, uma área de 45,90m² foi

encontrada para a vazão de projeto de 1,53kg/s. A grelha será quadrada, portanto

terá dimensões 6,775x6,775m.

TABELA 10 - DIMENSIONAMENTO DA GRELHA FIXA

Vazão mássica de combustível de projeto (kg/h) 5508

Taxa de carregamento (kg/m²h): 120

Área de grelha necessária (m²): 45,90

Espessura mínima da camada de carvão na grelha (mm): 70

Espessura máxima da camada de carvão na grelha (mm): 120

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8. DIMENSIONAMENTO DA FORNALHA

O dimensionamento da fornalha consiste em determinar qual o calor liberado

pelo combustível dentro da fornalha a partir das disposições dos tubos da parede

d’água. Para isso, considera-se que o calor transferido ocorre quase totalmente por

radiação, usando uma emissividade combinada para levar em conta a convecção.

O calor irradiado depende da superfície irradiada e da temperatura média dos

gases. Para determinar a temperatura média dos gases, admitiu-se que ela fosse

igual à temperatura real de saída dos gases da câmara. Por processos iterativos,

essas temperaturas foram convergidas e os outros parâmetros foram sendo

alterados até que o calor necessário para levar a água até o estado de vapor

saturado fosse atingido.

Os resultados foram os apresentados na tabela abaixo:

TABELA 11- RESULTADOS DA FORNALHA

Temperatura Real de Saída dos gases, Tr (K) 1140,15

Calor trocado por radiação, qr (kW) 18123,86

Superfície Irradiada, Si (m²) 250,00

Temperatura da parede, Tp (K) 548,84

Temperatura do vapor, Tv (K) 548,79

Coeficiente de convecção interno, hi (W/m²K) 784,31

A temperatura da parede fica levemente maior que a temperatura do vapor

que corre no interior dos tubos, o que garante que os tubos não irão se

superaquecer e se danificar. O cálculo dessa temperatura da parede leva em

consideração o diâmetro dos tubos, interno e externo, sendo esses diâmetros

modificados durante o processo iterativo para que se iguale a temperatura média

dos gases com a temperatura real de saída.

TABELA 12- CÁLCULO DA TEMPERATURA DA PAREDE DOS TUBOS

Temperatura do vapor, Tv (K) 548,79 Condutividade térmica dos tubos, kt

(W/mK) 31,30

Coeficiente de convecção interno, hi (W/m²K)

784,31

Diâmetro externo dos tubos, de (mm) 21,30

Diâmetro interno dos tubos, di (mm) 13,84

Comprimento Total dos Tubos, L(m) 11743

Calor trocado na fornalha, q (kW) 18129,76

Temperatura da parede, Tp (K) 548,84

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Após iterações entre área irradiada, diâmetros dos tubos e calor trocado por

radiação foi possível determinar as dimensões da fornalha. Optamos por usar lados

iguais de modo que a área da base da fornalha seja um pouco maior que a área da

grelha.

TABELA 13 - DIMENSÕES DA CÂMARA DE COMBUSTÃO

Dimensões da câmara de combustão

Largura, a (m) 7

Comprimento,b (m) 7

Altura,H (m) 7,2

Com essas dimensões da fornalha (câmara de combustão) e considerando

que os tubos vão estar encostados lado a lado formando a parede d’água, ou seja,

com espaçamento igual ao diâmetro externo, conseguimos determinar então o

número total de tubos. Lembrando que os tubos na parede esquerda e direita vão se

encontrar no meio do teto e vão subir para o tambor. Os tubos das paredes frontal e

traseira sobem direto para o tambor. Há um tubulão percorrendo o perímetro da

base da fornalha que se conecta a todos os tubos dos 4 lados da parede da

fornalha. As tabelas com os dados obtidos do dimensionamento são apresentadas a

seguir:

TABELA 14 - TABELA COM NÚMERO TOTAL DE TUBOS E COMPRIMENTO TOTAL

Número de tubos, Ne=Nd 328

Número de tubos, Nf=Na 330

Comprimento total (m) 11743,00

Número total de tubos 1316

Ne=n° de tubos na parede esquerda

Nd=n° de tubos na parede direita

Nf=n° de tubos na parede frontal

Na=n° de tubos na parede de traseira

Page 15: 162722369 Dimensionamento Gerador de Vapor

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TABELA 15 - SELEÇÃO DOS DIÂMETROS DOS TUBOS PELO CATÁLOGO TÉCNICO DA

FLEX

Dimensionamento dos tubos da parede d'água

Material AISI 1020 recozido

Tensão de escoamento( MPa) 296,47

Pressão Interna (kPa) 6000

Schedule calculado 33,73

Schedule selecionado 80

Diâmetro externo, de (mm) 21,3

Espessura,e (mm) 3,73

Diâmetro interno,di (mm) 13,84

Para melhor entendimento de como ficou a disposição dos tubos na fornalha,

será apresentado a seguir as figuras com tal esquema:

FIGURA 2 - PAREDE D'ÁGUA

Page 16: 162722369 Dimensionamento Gerador de Vapor

15

FIGURA 3 - VISTA EM CORTE DA PAREDE D'ÁGUA

Na figura 4 temos a vista ampliada da parte superior da parede d’água. Como

se pode ver, os tubos que vem da parede direita fazem uma curva e continuam

percorrendo a parede superior da fornalha, o mesmo acontece com os tubos da

parede esquerda. Logo, eles se encontram no meio do teto e sobem em direção ao

tambor separador. Já os tubos da parede frontal e traseira não percorrem a parede

superior, portanto seus comprimentos equivalem à própria altura da fornalha. Logo,

a superfície irradia pelos tubos da parede esquerda e direita são maiores por terem

maior comprimento (altura da fornalha mais metade da largura da fornalha). No

cálculo do comprimento total dos tubos todos esses detalhes foram considerados.

FIGURA 4 - VISTA AMPLIADA DA PARTE SUPERIOR DA PAREDE D’ÁGUA

Page 17: 162722369 Dimensionamento Gerador de Vapor

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9. DIMENSIONAMENTO DO SUPERAQUECEDOR

No superaquecedor entra vapor saturado a 275,64°C (548,79K) na pressão

de 60bar nos feixes tubulares e sai vapor superaquecido a 480°C (753,15K) na

mesma pressão.

São os gases quentes da exaustão que vão entregar essa energia ao vapor

por meio de troca de calor em escoamento cruzado. Esses gases vão entrar no

superaquecedor com temperatura de 1140,15K, que é igual à temperatura real dos

gases que deixam a câmara de combustão.

Através de balanço energético, sabemos que os gases de exaustão vão sair

do superaquecedor a 775,67K após troca de calor com o vapor. A tabela a seguir

apresenta as temperaturas de entrada e saída dos fluidos frio e quente, que

correspondem ao vapor e gases de exaustão, respectivamente.

TABELA 16 - TEMPERATURAS DOS FLUIDOS NA ENTRADA E SAÍDA DOS SUPERAQUECEDOR

Temperatura do fluido quente na entrada, Tqe (K) 1140,15

Temperatura do fluido quente na saída, Tqs (K) 775,67

Temperatura do fluido frio na entrada, Tfe (K) 548,79

Temperatura do fluido frio na saída, Tfs (K) 753,15

Após encontrar a diferença média logarítmica de temperaturas e fazer várias

iterações entre arranjo dos tubos, n° de passes, nº de tubos e área irradiada, foi

possível determinar a área irradiada e o coeficiente global de troca de calor.

TABELA 17 - DETERMINAÇÃO DA SUPERFÍCIE NECESSÁRIA PARA AQUECIMENTO

Fluxo de calor, q (kW) (com perdas) 5183,70

Diferença média logarítmica de temperatura, ΔTml (K) 299,84

Coeficiente Global de Troca de Calor, U (W/m²K) 87,6

Superfície de aquecimento, A (m²) 197,351

Logo:

U*A 17287,96

O cálculo para os coeficientes de convecção interna e externa apresentaram

os seguintes resultados:

Page 18: 162722369 Dimensionamento Gerador de Vapor

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TABELA 18 - CÁLCULO PARA COEFICIENTE DE CONVECÇÃO INTERNO

Condutibilidade térmica do fluido, kf (W/mK) 0,05830

Diâmetro interno,di (mm) 24,3

Nusselt, Nu 587,01

Coeficiente de convecção interno, hi (W/m²K) 1408,33

TABELA 19 - CÁLCULO PARA COEEFICIENTE DE CONVECÇÃO EXTERNO

Condutibilidade térmica do fluido, kf (W/mK) 0,0636

Diâmetro externo, de (mm) 33,4

Nusselt, Nu 50,86

Coeficiente de convecção externo, he (W/m²K) 96,80

TABELA 20 - SELEÇÃO DOS DIÂMETROS DOS TUBOS DO SUPERAQUECEDOR PELO

CATÁLOGO TÉCNICO DA FLEX

Tubulação do superaquecedor

Material AISI 1020 recozido

Tensão de escoamento (MPa)

296,47

Pressão Interna (kPa) 6000

Schedule calculado 33,73

Schedule selecionado 80 diâmetro externo, de

(mm) 33,4

espessura,e (mm) 4,55

diâmetro interno,di (mm) 24,3

TABELA 21 - ARRANJO DOS TUBOS

Cálculo dos tubos:

Comprimento Total, L (m)

1880,80

n° de passes 6

n° de tubos, N 85

Comprimento por passe, Ln (m)

3,688

n° de fileiras 13 (7x6+6x6)

Arranjo dos tubos quincôncio

Page 19: 162722369 Dimensionamento Gerador de Vapor

18

TABELA 22 - DISPOSIÇÃO DOS TUBOS E DIMENSÕES DO SUPERAQUECEDOR

Disposição dos tubos no superaquecedor

Diâmetro externo, de (mm)

33,4

Espaçamento paralelo,sp (m)

0,0501

Espaçamento

transversal,st (m) 0,1002

Dimensões do Superaquecedor

largura (m) 0,801

Altura Total do

superaquecedor (m) 4,208

Comprimento (m) 3,688

A seguir temos as figuras representando como ficou o arranjo e disposição

dos tubos no nosso superaquecedor.

FIGURA 5 - REPESENTAÇÃO DO ARRANJO DE TUBOS POR PASSE

Page 20: 162722369 Dimensionamento Gerador de Vapor

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FIGURA 6 - REPRESENTAÇÃO DO SUPERAQUECEDOR COM OS 6 PASSES

Page 21: 162722369 Dimensionamento Gerador de Vapor

20

10. DIMENSIONAMENTO DO ECONOMIZADOR

No economizador entra água líquida comprimida a 25°C (298,15K) na pressão

de 60bar nos feixes tubulares e sai ainda líquida comprimida a 170°C (443,15K) na

mesma pressão. A função do economizador é apenas de aquecer um pouco a água

que vai ser admitida no tambor, a fim de requerer menos energia para transformação

de líquido para vapor saturado na parede d’água.

São os gases quentes da exaustão que vão ceder essa energia para a água

por meio de troca de calor em escoamento cruzado. Esses gases quentes vão entrar

no economizador com temperatura de 775,67K, que é igual à temperatura dos gases

quentes que deixa o superaquecedor.

Através de balanço energético, sabemos que os gases de exaustão vão sair

do economizador a 458,82K após troca de calor com a água. A tabela a seguir

apresenta as temperaturas de entrada e saída dos fluidos frio e quente, que

correspondem à água e gases de exaustão, respectivamente.

TABELA 23 - TEMPERATURAS DOS FLUIDOS NA ENTRADA E SAÍDA DO ECONOMIZADOR

Temperatura do fluido quente na entrada, Tqe (K) 775,67

Temperatura do fluido quente na saída, Tqs (K) 458,82

Temperatura do fluido frio na entrada, Tfe (K) 298,15

Temperatura do fluido frio na saída, Tfs (K) 443,15

Após encontrar a diferença média logarítmica de temperaturas e fazer várias

iterações entre arranjo dos tubos, n° de passes, nº de tubos e área irradiada, foi

possível determinar a área irradiada e o coeficiente global de troca de calor.

TABELA 24 - DETERMINAÇÃO DA SUPERFÍCIE NECESSÁRIA PARA AQUECIMENTO

Fluxo de calor, q (kW) (com perdas) 5377,49

Diferença média logarítmica de temperatura, ΔTml (K) 236,27

Coeficiente Global de Troca de Calor, U (W/m²K) 65,5

Superfície de aquecimento, A (m²) 347,483

Logo:

U*A 22760,10575

O cálculo para os coeficientes de convecção interna e externa apresentaram

os seguintes resultados:

Page 22: 162722369 Dimensionamento Gerador de Vapor

21

TABELA 25 - CÁLCULO DO COEFICENTE DE CONVECÇÃO INTERNO

Condutibilidade térmica do fluido, kf (W/mK) 0,67900

Diâmetro interno, di (mm) 24,3

Nusselt, Nu 119,23

Coeficiente de convecção interno,hi (W/m²K) 3331,56

TABELA 26 - CÁLCULO DO COEFICIENTE DE CONVECÇÃO EXTERNO

Condutibilidade térmica do fluido, kf (W/mK) 0,0441

Diâmetro externo,de (mm) 33,4

Nusselt, Nu 51,33

Coeficiente de convecção externo,he (W/m²K) 67,74

TABELA 27 - SELEÇÃO DOS DIÂMETROS DOS TUBOS DO ECONOMIZADOR PELO CATÁLOGO

TÉCNICO DA FLEX

Tubulação do economizador

material AISI 1020 recozido

Tensão de escoamento (MPa) 296,47

Pressão Interna (kPa) 6000

Schedule calculado 33,73

Schedule selecionado 80

diâmetro externo, de (mm) 33,4

espessura,e (mm) 4,55

diâmetro interno,di (mm) 24,3

TABELA 28 - ARRANJO DOS TUBOS

Cálculo dos tubos:

Comprimento Total, L (m) 3311,59

n° de passes 8

n° de tubos, N 85

Comprimento por passe, Ln (m) 4,870

n° de fileiras 13 (7x6+6x6)

arranjo quincôncio

Usamos o mesmo número tubos, número de fileiras e espaçamentos de tubo

que no superaquecedor, porém como a área de troca térmica é maior, foi preciso

aumentar o número de passes e o comprimento por passe.

Page 23: 162722369 Dimensionamento Gerador de Vapor

22

TABELA 29 - DISPOSIÇÃO DOS TUBOS E DIMENSÕES DO ECONOMIZADOR

Disposição dos tubos no economizador

de (m) 0,0334

sp (m) 0,0501

st (m) 0,1002

Dimensões do economizador

largura máxima (m) 0,8016

Altura Total do superaquecedor

(m) 5,611

Comprimento (m) 4,870

As figuras a seguir representam como ficou a disposição dos tubos no economizador:

FIGURA 7 - ARRANJO DOS TUBOS POR PASSE

FIGURA 8 - ECONOMIZADOR COM TODOS OS 8 PASSES

Page 24: 162722369 Dimensionamento Gerador de Vapor

23

11. DIMENSIONAMENTO DA CHAMINÉ PARA

TIRAGEM

Vamos utilizar o sistema de tiragem dos gases quentes por convecção

natural. Nesse tipo de tiragem, a elevação dos gases pela chaminé ocorre devido à

diferença de densidade entre os gases quentes na base da chaminé e a densidade

do ar na temperatura ambiente no topo da chaminé. Essa diferença de densidades

gera uma queda de pressão (depressão) ao longo da chaminé, que por sua vez gera

uma força de empuxo capaz de elevar esses gases.

Consideramos que a temperatura na base da chaminé é igual à temperatura

que deixa o economizador, que no caso é de 458,82K, ou 185,67°C. O projeto

determinava uma temperatura de 180°C, porém essa foi a melhor aproximação

conseguida através de muitas iterações entre a vazão de combustível, temperatura

real dos gases na saída da câmara de combustão, entre outras.

Para encontrar o diâmetro médio da chaminé estimamos uma velocidade de

escoamento dos gases quentes de 4m/s, pois segundo BAZZO [1] essa velocidade

deve variar entre 4 e 8m/s.

TABELA 30 - CÁLCULO DO DIÂMETRO MÉDIO DA CHAMINÉ

vazão mássica dos gases de exaustão, kg/s ṁg 17,40

velocidade dos gases, m/s v 4

diâmetro médio da chaminé, m d 2,6502

Com algumas iterações, encontramos um valor considerado razoável para

altura útil da chaminé de 25m. Encontramos assim a temperatura de saída dos

gases no topo da chaminé e também a temperatura média.

TABELA 31 - CÁLCULO DA TEMPERATURA DE SAÍDA

Redução de temperatura, K/m de chaminé Rt 0,6

Temperatura na base da chaminé, K Tb 458,82

Temperatura da saída da chaminé, K Tg 443,82

Temperatura média dos gases na chaminé, K Tmg 451,32

A massa específica média dos gases quentes, assim como sua viscosidade

média foi obtida através da média ponderada com relação aos volumes de cada

substância constituinte desses gases.

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TABELA 32 - CÁLCULO DA MASSA ESPECÍFICA MÉDIA E VISCOSIDADE MÉDIA

Massa específica e viscosidade dos gases de exaustão

Temperatura média (K) 451,32

ρ (kg/m³) μ (Pa.s) %volume ρ *%volume μ * %volume

CO2 1,1782 0,0000210 10,91% 0,128541835 2,2911E-06

H2O 0,4902 0,00001525 5,46% 0,026740455 8,31889E-07

O2 0,8554 0,00002814 6,78% 0,057961387 1,90675E-06

N2 0,7485 0,00002396 76,43% 0,57209996 1,83133E-05

ρ (kg/m³) média 0,78870

μ (Pa.s) média 0,00002344

Segundo BAZZO [1] a inclinação da chaminé deve estar entre 0,5 e 1°. Para

uma altura de 25m, obtemos:

TABELA 33 - CÁLCULO DA INCLINAÇÃO DA CHAMINÉ

Diâmetro da base da chaminé, m db 3

Diâmetro do topo da chaminé, m dt 2,300

Inclinação da chaminé, ° ϕ 0,80

Segundo BAZZO [1] a relação entre altura útil e diâmetro médio da chaminé

não deve exceder 30.

TABELA 34 - VERIFICAÇÃO DA CONDIÇÃO HU/D

Hu/d 9,43

limite máximo da relação Hu/d 30

Tiragem Natural Dentro dos padrões

Vamos calcular agora a perda de carga no escoamento dos gases quentes pela

chaminé:

TABELA 35 - CÁLCULO DA PERDA DE CADA NA CHAMINÉ

Velocidade dos gases, m/s v 4

Massa específica do gás na temperatura média do gás na chaminé, kg/m³

ρg 0,7887

diâmetro médio da chaminé, m d 2,650

Viscosidade dos gases, Pa s μ 2,3443E-05

Fator de atrito f 0,023594

Número de Reynolds Re 356655,1

alvenaria de tijolo, mm ε 5

Perda de carga, Pa ΔPp 1,404

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Agora, vamos calcular a depressão gerada pela chaminé, que deve ser maior

que a perda de carga, para que o gás possa escoar.

TABELA 36 - RESULTADO DO CÁLCULO DA DEPRESSÃO

Altura da chaminé, m Hu 25

Depressão gerada pela chaminé, Pa ΔPc 93,513

Com posse do valor da depressão gerada pela chaminé, podemos encontrar

o empuxo que os gases quentes recebem.

TABELA 37 - RESULTADO DO CÁLCULO DO EMPUXO

Área transversal média da chaminé, m² A 5,516

Massa específica do ar na temperatura ambiente, kg/m³ ρa 1,17

Massa específica do gás na temperatura média do gás na chaminé, kg/m³ ρg 0,7887

Depressão gerada pela chaminé, Pa ΔPc 93,51

Força de empuxo, N Fe 515,9

FIGURA 9 - ESQUEMA DA CHAMINÉ

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12. PONTO DE APROXIMAÇÃO E PONTO DE

PINÇA

O esquema abaixo representa o aumento da temperatura do fluido da caldeira

com relação à queda temperatura dos gases de exaustão. Segundo VIEIRA [4] o ponto de aproximação corresponde à diferença entre a temperatura de saturação (Ts) com a temperatura da água na saída do economizador (T2). O ponto de pinça é determinado pela diferença de temperatura entre alguma região dentro da fornalha (Tgs) que está em contato com a água no início de sua saturação (Ts).

FIGURA 10 - PONTO DE PINÇA E PONTO DE APROXIMAÇÃO

A temperatura de saturação Ts equivale a 275,64°C e a temperatura na saída

do economizador T2 equivale a 170°C. Por essa diferença temos o ponto de aproximação que é de ∆Taproximação=105,64°C.

Para determinar o ponto de pinça primeiramente precisamos determinar Tgs.

Para isso, foi preciso realizar um balanço energético entre os pontos “2” e “s”. Ou seja, a energia que fluido frio recebe quando entra no tambor até chegar à fase de líquido saturado é a mesma energia cedida pelos gases de combustão que saem do economizador até um ponto “s” qualquer. Temos então todos os dados necessários para encontrar Tgs:

��� = ��� +ṁ� ∗ (ℎ� − ℎ�)

ṁ� ∗ ���

Conhecemos os seguintes dados:

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TABELA 38 - DADOS NECESSÁRIOS PARA CÁLCULO DE TGS

Temperatura de saturação no ponto s, Ts (K) 548,79

entalpia da água no ponto 2, h2 (kJ/kg) 722,07

entalpia de líquido saturado no ponto s, hs (kJ/kg) 1213,73

vazão mássica da água, ṁv (kg/s) 8

temperatura do gás na saída do economizador, Tg2 (K) 458,82

vazão mássica dos gases, ṁg (kg/s) 17,40

calor específico dos gases, Cpg (J/kgK) 1088,037

Substituindo na fórmula, encontramos:

TABELA 39 - PONTO DE PINÇA E PONTO DE APROXIMAÇÃO

Temperatura dos gases no ponto s, Tgs (K) 666,54

Ponto de pinça, ΔTpinça (°C) 117,75

Ponto de aproximação, ΔTaproximação (°C) 105,64

O ponto de pinça representa a menor diferença entre a temperatura dos

gases de exaustão da fornalha e a temperatura do fluido de trabalho (água). Se a diferença for negativa, ou seja, se a temperatura Tgs for menor que Ts não haverá troca de calor nesse ponto dos gases para a água, comprometendo o funcionamento do gerador de vapor.

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13. CONCLUSÃO

Nem sempre num projeto de um gerador de vapor se tem todos os dados que se gostaria para os cálculos e dimensionamentos necessários, assim como na grande maioria dos projetos de engenharia. Esse projeto não foi diferente, pois foi preciso se fazer inúmeras iterações por se tratar de um projeto com tantas variáveis. Contudo, os resultados obtidos foram coerentes com a literatura. Foi possível determinar todos os principais parâmetros requeridos pelo projeto, que necessitava de uma geração de vapor de 8kg/s.

Foram determinadas as áreas de troca térmica necessárias para suprir a demanda de calor do fluido de trabalho na parede d’água, superaquecedor e economizador, e com essas áreas foi possível determinar o arranjo dos tubos, número de tubos, diâmetros, etc.

Para que os gases de exaustão chegassem à base da chaminé com a temperatura requisitada de 180°C, foi necessário injetar um pouco mais de combustível que o requerido pelo vapor. Como consequência teve uma queda de eficiência na caldeira, ficando em torno de 72,15%.

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14. BIBLIOGRAFIA

1. Bazzo, Edson. Geração de Vapor. Florianópolis : Editora da UFSC, 1995.

2. MSPC Informações Técnicas. [Online] [Cited: Abril 21, 2013.]

http://www.mspc.eng.br/fldetc/fluid_0550.shtml.

3. Sucrana Soluções em Engenharia. [Online] [Cited: Abril 21, 2013.]

http://www.sucrana.com.br/tabelas/densidade-relativa.pdf.

4. Moreira, José S. and Vieira, Marcelo M. Conversão de uma Central

Termelétrica Convencional A Vapor para Operar em Forma de Ciclo Combinado com

Turbina a Gás.

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15. ANEXO – CATÁLOGO TÉCNICO DA FLEX