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MEC010 MEC010 –– TRANSFERÊNCIA DE CALORTRANSFERÊNCIA DE CALOR

Projeto:Projeto:Dimensionamento dos trocadores Dimensionamento dos trocadores de de calor calor

de uma de uma caldeira caldeira de de recuperaçãorecuperação

Prof. Dr. Washington Orlando Irrazabal Bohorquez

de uma de uma caldeira caldeira de de recuperaçãorecuperação

Grupos formados por três alunos da disciplina

CaldeiraCaldeira dede RecuperaçãoRecuperação::

RecuperarRecuperar aa energiaenergia contidacontida nosnos gasesgases dede exaustãoexaustão dedeumauma turbinaturbina aa gásgás parapara produçãoprodução dede vaporvapor útilútil

1. Introdução:a. Descrição da caldeira de recuperação;b. Trocadores de calor (economizador, evaporador e

superaquecedor);c. Aplicação.

2. Modelagem matemática: balanço de energia, efetividade, área de troca.a) Economizador;b) Evaporador;c) Superaquecedor;d) Equações para cálculo das propriedades

termodinâmicas dos gases e água/vapor.

3. Parâmetros de operação e projeto.

4. Resultados:a) Vapor produzido: vazão (kg/s);b) Temperatura (oC);c) Pressão (kPa);d) Efetividade dos trocadores de calor;e) Área de troca (m2).e) Área de troca (m2).

5. Conclusões e comentários.

Componentes da Caldeira de Componentes da Caldeira de RecuperaçãoRecuperação

Balanço de energia nos trocadores de calorBalanço de energia nos trocadores de calor

1. Regime permanente.

2. Continuidade: mentrada = msaída.

3. Balanço de energia (trocadores de calor).

4. As perdas de calor e pressão são desprezíveis nos

. .

2 1P P

g vQ Q

4 3P P

4. As perdas de calor e pressão são desprezíveis nos componentes.

Cálculo das propriedades Cálculo das propriedades termodinâmicas do termodinâmicas do ciclo vaporciclo vapor

The International Association for the Properties of Water and Steam – IAPWS (Set 97)

Propriedades termodinâmicas da Propriedades termodinâmicas da água/vaporágua/vapor

1- Líquido comprimido.2- Vapor superaquecido.3- Vapor saturado.4- Linha de saturação.5- Vapor superaquecido em

altas temperaturas.


Aplicando o princípio de conservação de energia para cada componente da caldeira Aplicando o princípio de conservação de energia para cada componente da caldeira

de recuperação:

SPH:

g VQ Q 21Pgg TTCmQ v v 4 3Q m h h

4 4 4h f T ,P 3 3,sath f P

EVA: 4 4,sath f P 3 3,sath f P

Vapor superaquecido.

Vapor saturado

ECO: 4 4,sath f P 3 3 3h f T ,PLíquido saturado Líquido comprimido

Estações: circuito quente (gás): 1 – entrada; 2 – saídaEstações: circuito frio (água/vapor): 1 – entrada; 2 - saída

Vapor superaquecido.

Líquido saturado


Propriedades termodinâmicas dos GasesPropriedades termodinâmicas dos Gases

São determinadas usando polinômios apresentados por McBride et al., 1993, e coeficientes empíricos dos polinômios da Tabela de JANAF.


Propriedades termodinâmicas dos Propriedades termodinâmicas dos gasesgases

i

24

gas gas ii 1

W F M

Massa Molecular, Cp, Entalpia dos Gases de exaustão da TG:

i

240 2 3 4P 1 2 3 4 5 i gas

i 1

C (T) {R(a a T a T a T a T ) } F

i

2 3 4240 1

1 2 3 4 5 gasi 1

i

bT T T Th (T) RT a a a a a F

2 3 4 5 T

Parâmetros da Caldeira de RecuperaçãoParâmetros da Caldeira de Recuperação

SUPHEVAP

Figura: Representação do Pinch Point e temperaturas de aproximação

Os valores destes parâmetros: o pinch point e as temperaturas de aproximaçãorefletem no tamanho da caldeira de recuperação. Para valores pequenos, hánecessidade de grandes superfícies de troca de calor, junto a um alto custo deinvestimento inicial.

SUPHECON

Tabela: Recomendação do valor do Pinch Point e das temperaturas de aproximação segundo Babcock & Wilcox, 1992.

Parâmetros da Caldeira de RecuperaçãoParâmetros da Caldeira de Recuperação

Sabe-se que o valor do pinch point adotado num projeto ocasiona um impactodireto na quantidade de vapor gerado.

sub coolingT 2 a 5 ( C)

Tabela 1. Valores da pressão, temperatura e vazão mássica dos gases quente e do circuito água/vapor.

FLUIDO

Circuito do GÁS

Ponto 1 Ponto 2 Ponto 3 Ponto 4

Pressão kPa 104,4 104,4 104,4 104,4

Temp oC 580

Vazão kg/s 20,15 20,15 20,15 20,15

FLUIDO

Circuito da Água/Vapor

Ponto 5 Ponto 6 Ponto 7 Ponto 8

Pressão kPa 4500 4500 4500 4500

Temp oC 40

Vazão kg/s 2,912 2,912 2,912 2,912

∆T_SPH [oC] ∆T_PP [

oC] ∆T_Econ [

oC] SPH [-] EVAP [-] ECON [-]

25,0

4,0

USPH [kW/m2 o

C] UEVAP [kW/m2 oC] UECON [kW/m2 oC] QSPH [kW] QEVAP [kW] QECON [kW]

0,04250 0,08650 0,04543

ASPH [m2] AEVAP [m2] AECON [m

2]

CASO A:

Informações:

1-) Gases quente: �̇� = 20,15[��

�]; �� = 580[ �� ]; �� = 104,4[��]; Frações molares: (Ar=8,900E-03;

N2=7,138E-01; O2=1,310E-01; CO2=4.190E-02; H2O(v)= 1,044E-01)

2-) Superaquecedor: ∆T_SPH = (T1-T8) = 25 [oC], USPH = 0,04250 [kW/m

2 oC]

3-) Evaporador: �̇� = 2,912[��

�]; UEVAP = 0,08650 [kW/m2 oC]

4-) Economizador: �̇� = 2,912[��

�]; �� = 40[ �� ]; �� = 4500[��]; ∆T_Econ = (T7,sat – T6) = 4 [

oC]; UECON =

0,04543 [kW/m2 oC]

CASO B:

Informações:

1-) Gases quente: �̇� = 20,15[��

�]; �� = 580[ �� ]; �� = 104,4[��]; Frações molares: (Ar=8,900E-03;

N2=7,138E-01; O2=1,310E-01; CO2=4.190E-02; H2O(v)= 1,044E-01)

2-) Superaquecedor: ∆T_SPH = (T1-T8) = 30 [oC], USPH = 0,04250 [kW/m

2 oC]

3-) Evaporador: �̇� = 3,056[��

�]; UEVAP = 0,08650 [kW/m2 oC]

4-) Economizador: �̇� = 3,056[��

�]; �� = 40[ �� ]; �� = 2000[��]; ∆T_Econ = (T7,sat – T6) = 4 [

oC]; UECON =

0,04543 [kW/m2 oC]

Instruções:

1. Calcular as temperaturas (lado gás e lado água/vapor), os calores trocados e efetividades de cada

trocador de calor da caldeira de recuperação.

2. Vantagens e desvantagens sob o ponto de vista do pinch point, vazão de vapor, áreas (custo), e pressão

de operação da caldeira.

Observação: lembre se que os valores de U para cada trocador de calor são adotados, valores podem ser

determinados das resistências térmicas de convecção, condução, mas envolve todo o conhecimento de

espessuras, material, velocidades dos fluidos, etc.

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