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AUTORA: Letícia Xavier Corbini
ORIENTADOR: Nilson Romeu Marcílio
INTRODUÇÃO
O Brasil possui reservas significativas de carvão mineral.
Este combustível representa 6 % da demanda total de energia no país.
Características desfavoráveis ao uso do carvão brasileiro:
Tecnologias promissoras para geração de energia limpa a partir do carvão:
Sistema Integrado de Gaseificação e Ciclo Combinado (IGCC)
Baixo poder calorífico;
Elevado teor de cinzas;
Alto teor de enxofre.
INTRODUÇÃO
Sistema Integrado de Gaseificação e Ciclo Combinado (IGCC)
Gaseificação do
carvão Combustão dos
gases em turbina
Remoção eficiente do particulado e dos gases ácidos (altas
Temperaturas)
não utilizar água como veículo
Minimiza custos de tratamento e impactos ambientais
INTRODUÇÃO
Remoção de partículas finas oriundas da gaseificação
a altas Temperaturas e Pressões;
Protege os componentes da turbina de incrustações e erosão;
Leis ambientais - Retenção de particulados poluentes.
Técnicas de remoção de partículas em escoamento em altas Temperaturas:
Filtros Cerâmicos;
Ciclones;
Precipitadores eletrostáticos;
Lavadores de gases;
Filtros granulares
• Confiabilidade de operação a altas Temperaturas;
• Baixo custo de operação e construção;
• Remoção simultânea de sólidos e contaminantes.
Ponto crítico!
OBJETIVO
PARA ESTE TRABALHO
Avaliar a queda de pressão dentro do filtro:
Ferramentas computacionais (CFD)
Dados experimentais (escala bancada)
Comparação da permeabilidade do leito:
Experimental X Predita matematicamente
ESCOAMENTOS EM LEITOS COMPACTOS
Lei de Darcy:
L = espessura da camada de leito
k = permeabilidade hidráulica
Modos de Estimar k : • inclinação da curva experimental u x ΔP • Correlação de Blake-Kozeny
Equação de Kozeny-Carman
MODELAGEM MATEMÁTICA
Equações de Navier-Stokes:
Equação da conservação de massa total (forma conservativa):
Acúmulo de QM
Parcela advectiva
Termos difusivos Termo de
geração/consumo
MODELAGEM MATEMÁTICA
Geometria Utilizada: tridimensional
Modelo de turbulência: k-ω
Vantagens:
Tratamento próximo à parede para baixos números de Reynolds;
Não envolve funções de amortecimento complexas e não-lineares;
Mais robusto;
Fácil convergência.
Energia cinética k
Dissipação turbulenta ω
GEOMETRIA DO PROBLEMA
Modelo de filtro proposto para estudo:
Filtro de leito granular;
Leito composto por esferas de vidro;
Retenção de partículas de cinza de carvão.
AR
PARTICULADO
GEOMETRIA DO PROBLEMA
Ar + Particulado
Modelo de filtro proposto para estudo:
(Patente Prof. Celso Martins)
Meio Filtrante
Granular
Esferas de vidro
Calhas móveis
Calhas fixas
Retirada meio filtrante com
particulado
Ar limpo
Espessura do leito: 100-150mm
GEOMETRIA DO PROBLEMA
Condições de operação consideradas na simulação:
Regime de escoamento: estado estacionário;
Velocidade do ar na entrada do leito: 0,192; 0,266; 0,416 e 0,538 m.s-1
Esfericidade (φ) :1
Porosidade do meio filtrante (ε): 0,4;
Diâmetro médio das partículas do meio filtrante (dp): 2 mm;
Temperatura de operação: 25°C;
Considerou –se apenas ar na entrada do filtro.
Testes Tetraedro Prismas Meio Poroso (Tetraedros)
TOTAL
Malha 1 821852 86964 908816 1-2 horas
Malha 2 4859353 248991 5108344 ~ 10 horas
Malha 3 9545896 481840 10027736 ~ 48 horas
TESTE DE MALHA
APARATO EXPERIMENTAL
Versão bancada deste filtro:
Localizado no LETA (Laboratório de Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos),
da Escola de Engenharia – Departamento de Engenharia Mecânica
(UFRGS).
MATERIAIS E MÉTODOS
Perfil de velocidade média e da vazão volumétrica na saída do filtro
Materiais:
• Tubo de Pitot Padrão
• Micromanômetro
• Termômetro
• Barômetro
Metodologia:
•Pitot conectado ao manômetro foi inserido na tubulação.
•Variou-se a posição do Pitot através dos pontos de amostragem
determinados (NBR 10701, 1989), para 4 frequências diferentes do
ventilador (10, 15, 20 e 25Hz).
•Obteve-se o perfil de velocidades para cada frequência .
OBS: 25Hz foi a máxima frequência anterior à fluidização do leito.
MATERIAIS E MÉTODOS
Medida de perda de carga no filtro
Tomadas de pressão: 3 diâmetros a montante e 8 diâmetros a jusante do
filtro (NBR 10701, 1989).
Medidas de gradiente pressão e pressão estática;
Repetiu-se o procedimento para a obtenção do perfil de velocidades.
Foram realizados 8 conjuntos de testes para as 4 frequências do
ventilador (10, 15, 20 e 25Hz).
Manômetro digital SMAR (modelo D1)
MATERIAIS E MÉTODOS
Permeabilidade Hidráulica
Permeabilidade Hidráulica Teórica: k1 = 3,70 x 10-9 m2
Permeabilidade Hidráulica experimental: k2 = 2,26 x 10-9 m2
Blake –Kozeny com β = 1,33 (fator de forma)
Dados experimentais de ∆P e Vazão
Equação de Darcy
RESULTADOS
Resultados obtidos nas simulações e nos experimentos.
Freqüência do
Ventilador
(Hz)
Velocidade do
gás na entrada
do filtro
(m/s)
Vazão exp
média
(kg/h)
Perda de Carga (∆P em Pa)
k1 (teórico)= 3,70x10-9 m2
k2 (exp) = 2,26 x 10-9 m2 Experimental
10 0,192 59,4 84 137 58,9 15 0,266 96,6 117 191 121,8 20 0,416 130,0 183 299 204,9 25 0,538 163,3 211 384 291,8
SIMULAÇÕES
RESULTADOS
Resultados obtidos nas simulações e nos experimentos.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
40 60 80 100 120 140 160 180
DP
no
Filt
ro (
Pa)
Vazão média (kg/h)
Dados experimentais k teórico k experimental Darcy
RESULTADOS
Perfil de pressão no leito.
RESULTADOS
v = 0,192 m/s V = 0,266 m/s
v = 0,416 m/s v = 0,538 m/s
CONCLUSÕES
Malha 1 mostrou-se bem adequada para a resolução do problema,
mesmo não sendo muito refinada;
Valores de perda de carga estão dentro do esperado para este
modelo de filtro;
Resultados experimentais apresentaram valores mais baixos que
os obtidos computacionalmente (considerações realizadas);
O filtro se mostra adequado para a remoção de particulados na
próxima etapa do trabalho e para um scale-up adequado em
aplicação industrial.
AGRADECIMENTOS
Ao orientador, Prof. Dr. Nilson Romeu Marcilio;
Ao CNPq e a Rede de Carvão;