trabalho 2 - simulador de caldeira final

ISEL – Termodinâmica Aplicada – Simulação de caldeira de vapor - SV10/11 – LM41N 1

TERMODINÂMICA APLICADA

Simulação de Caldeira a Vapor

Didacta TS101D Simulador de uma

caldeira de aquecimento aqui-tubular

Professor João Monteiro Marques João Miguel – Nº: 26792 Paulo Pires – Nº: 35816

Marco Barros – Nº: 35881 Tiago Francisco – Nº: 35892


INDICE

Objectivo___________________________________________________________________3

Introdução__________________________________________________________________3

Equipamento da Central_______________________________________________________3

Simulação da Caldeira com reaquecedor__________________________________________5

Dados obtidos da simulação com reaquecedor_____________________________________6

Balanço térmico da potência nos diversos componentes______________________________7

Cálculos____________________________________________________________________7

- Quantidade de calor fornecido pelo combustível_____________________________7

- Potência térmica nos permutadores_______________________________________7

- Economizador________________________________________________________8

- Painéis de vaporização_________________________________________________8

- Sobreaquecedor ______________________________________________________8

- Reaquecedor _________________________________________________________8

- Fumos ______________________________________________________________9

Rendimento da caldeira pelo método das perdas___________________________________9

Rendimento da caldeira pelo método directo_______________________________________9

Análise comparativa de dados___________________________________________________9

Simulação caldeira sem reaquecedor____________________________________________10

Potências obtidas pelo simulador sem Reaquecedor e conclusões ______________________11

Bibliografia_________________________________________________________________13


Objectivo

O objectivo do trabalho realizado é estudar o funcionamento de um gerador de vapor, e todas as trocas de

calor e fluxos energéticos existentes em todos os seus componentes.

Como ferramenta de auxilio para realização do trabalho foi utilizado programa informático de simulação da

Didacta Itália.

Introdução

Geradores de vapores são equipamentos destinados a mudar o estado da água do líquido para o vapor, que

iremos designar por caldeira. Estes equipamentos podem funcionar com vários fluidos de trabalho, designados

por fluidos térmicos, mas o principal é a água devido ao seu elevado calor especifico, á sua abundância, a sua

estabilidade e por não apresentar qualquer tipo de toxicidade.

A caldeira é constituída por 3 circuitos fundamentais onde as suas funções são indispensáveis e

complementares umas das outras.

O circuito água-vapor tem como

função transportar o fluido entre os

vários componentes da central. Utiliza

água desmineralizada (H2O) que

circula num circuito fechado

O circuito ar – fumos encarrega-se de

fazer «respirar» a caldeira, tratando

da injecção de ar na câmara de

combustão e procedendo á remoção

dos fumos provenientes da queima,

fazendo a ligação aos permutadores

de calor a jusante da caldeira.

O último circuito das cinzas, pode ou

não existir conforme o tipo de combustível usado na central em estudo. Nos casos das centrais a carvão, está

situado abaixo da caldeira, e é constituído por depósitos em forma piramidal invertida (tremonha), destinados á

recuperação do carvão não queimado, semi-queimado e as cinzas do carvão.

Equipamento da Central

De seguida fazemos uma breve descrição de alguns dos componentes da central em estudo:

Caldeira:

É aqui que se dá a combustão do ar com o combustível, libertando-se o calor necessário às alterações de estado

do fluido de trabalho.

A queima do combustível desejavelmente seria estequiométrica, processo em que há a quantidade ideal de ar

para a quantidade ideal de combustível. Isto significa que todo o combustível é queimado e não sobra nenhum

ar. No entanto na prática isso não acontece, sendo que se verificam ou uma mistura rica (excesso de

combustível, em que parte dele não é queimado e que pode explodir de modo não controlado, levando a uma

explosão da caldeira) ou pobre (excesso de ar, resultando na produção de emissões não desejadas e dando

origem a corrosão das paredes da caldeira devido ao excesso de ar). Assim sendo procura-se obter uma mistura

marginalmente pobre, mas não em demasia, pois isso causaria uma perda de rendimento na caldeira. No caso

do simulador há valores limite que provocam o apagamento da chama de combustão.

O ar fornecido pela conduta de alimentação muitas vezes não é o único ar na câmara de combustão, podendo

entrar algum ar extra pelas janelas de visualização e juntas. Este ar é chamado «ar vagabundo». De modo a

obter-se o valor óptimo de mistura ar/combustível, fazem-se medições aos fumos de exaustão.


O ar fornecido á caldeira é efectuado através de injecção forçada via ventiladores, assim como a extracção dos

fumos muitas vezes é feita de modo análogo. A pressão interna da caldeira é de ligeiro vácuo, obtido através da

conjugação dos ventiladores de admissão e exaustão. É no entanto necessário ter bastante cuidado em manter

o nível de pressão adequado de modo a evitar uma implosão da caldeira.

O ar de combustão pode ser pré-aquecido de modo a aumentar o rendimento da queima, trocando calor com

os gases de combustão por radiação entre tubagens.

Aproveitando o calor produzido na caldeira temos os seguintes equipamentos:

Painéis de vaporização:

É aqui que se dá a passagem da fase líquida para a gasosa. Este fenómeno ocorre quando a água, ao circular por

tubagens tangentes á caldeira, recebem calor desta. O vapor segue então para o sobreaquecedor através do

barrilete.

Sobreaquecedor:

É mais um permutador da caldeira, e aqui a temperatura do vapor de água vai ser elevada em relação á

temperatura de saturação para o valor de trabalho. O fluido recebe calor proveniente dos gases da queima da

caldeira, sendo este trocado através das paredes das tubagens.

Reaquecedor:

Recebe o vapor proveniente da turbina de AP e reencaminha-o para a turbina de BP. A sua função é aumentar a

temperatura do vapor, de modo a que este ao sair da turbina de BP saia num valor de título aceitável (superior a

0,85). O aquecimento é feito com os gases provenientes da queima do combustível.

Economizador:

O economizador recebe a água sob pressão da bomba, sendo sua função elevar a temperatura da água a um

nível de pré-saturação antes de seguir para o barrilete. Aumenta a temperatura através da troca de calor com

os gases da queima do combustível.

As permutas de calor, tendo em conta o percurso dos fumos de exaustão, efectuam-se segundo a ordem

indicada, sendo os fumos depois expelidos pela chaminé já a uma temperatura muito inferior á inicial.

Depois temos ainda os seguintes equipamentos:

Deaerator / «Desarejador»:

É o equipamento responsável por retirar mecanicamente ar que eventualmente tenha entrado no circuito do

fluido de trabalho. No entanto por vezes só a acção do desarejador não é suficiente, sendo necessário retirar

que ainda esteja presente em excesso através de processos químicos, pela adição de agentes químicos.

O ar está presente no circuito na altura de arranque, quando este está vazio, e pode infiltrar-se em

funcionamento, através de zonas que funcionam abaixo da pressão atmosférica, como o condensador e a

bomba de extracção. É desejável remover este ar das condutas uma vez que ele pode promover a corrosão das

mesmas, reduzindo o tempo de vida útil das instalações.

Barrilete:

Este é responsável por receber a água do economizador e encaminhá-lo para os painéis de vaporização. Aqui

verifica-se a separação da água do vapor retornado dos painéis de vaporização, sendo que se formam correntes

de convecção da água, que estando quente fica mais leve e sobe em relação á agua mais fria. O vapor saindo do

barrilete vai passar por outro permutador, o superaquecedor.


Turbina:

Equipamento de produção de trabalho através da expansão do fluido. À medida que vai percorrendo cada um

dos estágios da turbina, o vapor vai-se expandido. Assim, o tamanho das pás desta tem de aumentar de modo a

poder aproveitar de modo útil a pressão decrescente. É devido a isso a forma afunilada da turbina, sendo o

diâmetro menor na zona de maior pressão.

Condensador:

É sua função passar a mistura proveniente da turbina de baixa pressão para a fase líquida, através da troca do

calor em excesso com um fluido refrigerador exterior ao circuito.

Bombas:

Existem duas em série. Uma tem o propósito de criar uma pressão de vácuo no condensador, de modo a

facilitar a passagem do fluido de trabalho á fase líquida, e a seguinte tem por função elevar a pressão de

trabalho até à da caldeira, evitando que o fluido ainda a uma temperatura elevada volte a vaporizar.

Simulação da caldeira com reaquecedor

O software utilizado exige que

o início de processo se faça de

forma manual, até se atingir

um patamar de pressão na

caldeira que permita o seu

funcionamento em modo

automático, o que acontece

para valores superiores a

9MPa. É no entanto

necessário ter em conta que a

pressão máxima suportada

pela caldeira e que portanto

leva a que o queimador se

desligue de imediato é de

10,5MPa.

Este facto é vantajoso na

medida em que permite

perceber a forma como as variáveis em jogo se relacionam. Desde logo percebemos que se a alimentação de

água não for feita de forma a manter o nível desta acima do valor mínimo, o queimador vai-se desligar de forma

automática por razões óbvias de segurança. Este facto sucedeu na nossa simulação e deu origem ao alarme por

baixo nível de água no circuito – Low Level Alarm - e para o corrigir foi necessário aumentar o caudal da bomba

de alimentação. O outro lapso cometido foi desde logo tentar ligar o queimador sem antes ligar a respectiva

bomba de combustível – Wrong action. Start the pump. No resto, tentámos manter o nível da mistura no nível

pobre, isto é, com uma quantidade de ar que evite o desperdício de combustível não queimado maximizando a

eficiência da queima, o que se consegue no terceiro nível mais escuro do indicador Exhaust Ind. Fomos também

cautelosos na forma como limitámos a pressão da caldeira em cerca de 10MPa e notámos que, a partir do valor

de produção de vapor sobreaquecido seleccionado, os caudais ajustam-se automaticamente, sem alteração dos

valores de temperatura e pressão dos vários componentes da caldeira, pois estes referem-se a aspectos da

produção de vapor saturado que não dependem da quantidade produzida.


Dados obtidos na Simulação da Caldeira com reaquecimento

Pressão na Caldeira 9970 kPa

Pressão á saída Sobreaquecedor 9850 kPa

Pressão á entrada do Reaquecedor 1720 kPa

Pressão á saída do Reaquecedor 1590 kPa

Temperatura de Água de alimentação (Entrada economizador) 206 °C

Temperatura de Água á saída do Economizador 258 °C

Temperatura á saída do Sobreaquecedor 533 °C

Temperatura á entrada do Reaquecedor 304 °C

Temperatura á saída do Reaquecedor 457 °C

Temperatura do Ar 28 °C

Temperatura de Exaustão de Fumos 178 °C

Caudal de Ar 9,94 m³/s

Caudal de combustível 0,84 kg/s

Caudal de água de alimentação 0,0097 m³/s

Caudal de vapor 11,11 kg/s

Em seguida representámos as temperaturas num diagrama T-s. O ponto 3 foi encontrado através do STEAM, e

os outros foram tirados directamente da tabela acima indicada

Diagrama T-s

1 – Entrada na bomba

elevadora de pressão

2 – Entrada do

economizador

3 – Entrada nos painéis

de vaporização

4 – Entrada no

sobreaquecedor

5 – Entrada turbina AP

6 – Entrada reaquecedor

7 – Entrada turbina BP

8 – Entrada condensador

Apesar de considerarmos as transformações realizada nos diferentes permutadores da caldeira como sendo

teoricamente Isobáricas, podemos verificar por análise dos dados obtidos na simulação de que existem

pequenas diferenças de pressões em diferentes pontos da caldeira. Tal situação é justificada pela perda de

carga nas tubagens dos permutadores e válvulas existentes nos circuitos.


Balanço térmico de potências dos diversos componentes

Cálculos:

Para o cálculo dos rendimentos tivemos de ter em conta alguns dados fornecidos pelo programa:

De notar que todos os valores de entalpia foram obtidos através do programa STEAM. Para calcularmos os

valores de calor fornecidos pelos permutadores ao fluido bastou calcular a diferença de entalpias á entrada e

saída dos equipamentos.

Quantidade de calor fornecida pelo Combustível

Dos dados retirados do ensaio temos que:

Cálculo de potências térmicas nos permutadores

Para o cálculo dos caudais iremos usar o valor de 40 toneladas por hora, que foi o valor de produção de vapor

escolhido. Como o sistema é fechado e não há variação de massa depois de estar a funcionar de modo estável,

vamos assumir que é esse o valor médio que passa em cada ponto do circuito, apesar de o programa ter

fornecido dois valores distintos nas duas medições que efectuámos.

Apesar de o caudal mássico ser constante o mesmo não se passa com o caudal volúmico, bastando para isso

verificarmos que á saída do economizador o fluido tem um volume específico de 0,00127 m3/kg (água no

estado líquido), e á entrada da turbina tem um volume específico de 0,035216 m3/kg (vapor sobreaquecido).


Economizador

Painéis de vaporização

Para o cálculo das entalpias do fluido á entrada e saída dos painéis de vaporização tomámos como valor de

entrada o fluido a 258 °C e 9,97 MPa de pressão e o valor de saída como sendo o valor sobre a linha de vapor

saturado á mesma pressão. Assim obtivemos:

Sobreaquecedor

Para o cálculo das entalpias do sobreaquecedor tomámos como valor de entrada o valor de saída da alínea

anterior, e o valor de saída como sendo vapor sobreaquecido a 533°C e 9,85 MPa de pressão.

Reaquecedor

As entalpias usadas para o reaquecedor foram:


Fumos

Para o cálculo da potência térmica dissipada pelos fumos usámos a fórmula presente no manual e os valores do

ensaio, sendo que obtivemos o seguinte valor:

Rendimento da Caldeira pelo método das perdas

Para o cálculo do rendimento do gerador de vapor pelo método das perdas usamos a seguinte fórmula:

Sendo que calculamos a potência térmica perdida em radiação e combustível não queimado do seguinte modo:

Deste modo temos então que

Rendimento da Caldeira pelo método directo

Com este processo apenas temos em conta o calor que foi utilizado de forma útil

Analise comparativa de dados obtidos no simulador e calculos

efectuados

Valores Simulador Cálculos

Diferencial entre Valores simulador e Cálculos

Potência (kJ/s) % Potência (kJ/s) % Potência (kJ/s) %

Economizador 2466,66 7 2688,40 8 -221,74 -8,99%

Painéis de Vaporização 18255,56 51 17821,71 50 433,85 2,38%

Sobreaquecedor 8033,33 22 8119,52 23 -86,19 -1,07%

Reaquecedor 3677,78 10 3729,944 10 -52,164 -1,42%

Fumos de Escape 2104,17 6 2000,9 6 103,27 4,91%

Perdas por radiação 1505 4 973,244 3 531,756 35,33%

Combustível 36042,5 100 35333,72 100 Eficiência / Rendimento 89,99%

91,58%

-1,77%


Da análise da tabela, que expressa de um modo comparativo os valores obtidos no simulador e os valores

obtidos pelos nossos cálculos, podemos afirmar, que os valores não são muito divergentes á excepção das

perdas por radiação, e que as diferenças de resultados se poderão justificar não só pela utilização de fórmulas

de cálculo diferentes das usadas pelo programa mas também pelo motivo de os dados recolhidos para

realização dos nossos cálculos dificilmente serem os mesmos que o software utilizou, pois verificamos que o

programa efectua uma simulação continua e os nossos cálculos foram efectuados com valores pontuais.

Simulação da Caldeira a vapor sem Reaquecedor

Nas mesmas condições da simulação inicial, efectuamos agora uma nova simulação, onde o nosso objectivo foi

estudar o comportamento da mesma caldeira agora sem o sistema de recuperação, comparando com os dados

obtidos na simulação com reaquecedor .

Dados da simulação sem Reaquecedor

Simulação sem Reaquecedor

Simulação com Reaquecedor

Pressão na Caldeira 10050 kPa 9970 kPa

Pressão á saída Sobreaquecedor 9930 kPa 9850 kPa

Pressão á entrada do Reaquecedor 920 kPa 1720 kPa

Pressão á saída do Reaquecedor 920 kPa 1590 kpa

Temperatura de Água de alimentação (Entrada economizador) 181 °C 206 °C

Temperatura de Água á saida do Economizador 246 °C 258 °C

Temperatura á saída do Sobreaquecedor 534 °C 533 °C

Temperatura á entrada do Reaquecedor 180 °C 304 °C

Temperatura á saída do Reaquecedor 181 °C 457 °C

Temperatura do Ar 28 °C 28 °C

Temperatura de Exaustão de Fumos 178 °C 178 °C

Caudal de Ar 9,17 m³/s 9,94 m³/s

Caudal de combustível 0,78 kg/s 0,84 kg/s

Caudal de água de alimentação 0,0097 m³/s 0,0097 m³/s

Caudal de vapor 11,11 Kg/s 11,11 Kg/s

Valores Simulador sem

Reaquecedor Valores Simulador com

Reaquecedor

Diferencial (Sem Reaquecedor-Com

Reaquecedor)

Potência (kJ/s) % Potência (kJ/s) % Potência (kJ/s) %

Economizador 3055,56 9 2466,66 7 588,9 19,27

Painéis de Vaporização 18822,22 57 18255,56 51 566,66 3,01

Sobreaquecedor 8044,44 24 8033,33 22 11,11 0,14

Reaquecedor 0 0 3677,78 10 -3677,78 -

Fumos de Escape 1942,5 6 2104,17 6 -161,67 -8,32

Perdas por radiação 1410 4 1505 4 -95 -6,74

Combustível 33274,72 100 36042,5 100 -2767,78 -8,32

Eficiência / Rendimento 89,92% 89,99% -0,07


Potências obtidas pelo simulador sem Reaquecedor e conclusões

Da nossa análise, e

comparativamente aos resultados

obtidos na primeira simulação da

caldeira com reaquecedor,

concluímos que este elemento não

tem influência sobre o rendimento,

divergindo um pouco com a

informação recolhida na

bibliografia consultada, segundo a

qual através da introdução do

reaquecimento no ciclo de Rankine

podemos conseguir um aumento

do rendimento da ordem dos 4% a

5%. Ainda de acordo esta

bibliografia, os aumentos do

rendimento obtidos por

reaquecimentos sucessivos

aumenta à razão de metade do

ganho verificado com o reaquecimento anterior, o que leva a que não se justifique sucessivos patamares de

reaquecimento.

Analisando os dados com atenção, verificamos que os caudais de combustível e de ar diminuem quando o

reaquecedor está desligado. No entanto o calor fornecido ao economizador sobe, devido ao facto de a água vir

a uma temperatura inferior da bomba. Esta sai do economizador ainda a uma temperatura inferior do que sairia

com o reaquecedor ligado, o que vai levar a que o calor fornecido aos painéis de vaporização também seja

maior. No entanto por queimar menos combustível haverão menos perdas nos fumos, por radiação e por

combustível não queimado.

A maior vantagem deste passo adicional é elevar o título da mistura ao sair da turbina, de modo a evitar

desgaste por erosão da mesma. Verificou-se ainda que se fosse possível usar-se materiais capazes de trabalhar a

temperaturas mais elevadas, á saída da turbina teríamos a mistura com uma entropia mais elevada, logo com

um título mais elevado, o que iria não só aumentar o valor do trabalho obtido como iria tornar desnecessária a

utilização do reaquecimento.

Partindo do pressuposto que à saída da turbina haveria mistura no fluido, passámos ao cálculo do mesmo. Com reaquecedor: Tendo em conta que a entropia no ponto 1 seria igual á do ponto 2, usámos θ2=206 C e P2=9970 kPa. Obtivémos o valor de 2,385512 kJ/kg K que é o valor do líquido saturado. Depois calculámos a do vapor saturado á mesma temperatura usando x=1. Obtivémos uma entropia de 6,383531 kJ/kg K. Como a entropia á entrada da turbina é igual á de saída, calculámos o seu valor e obtivemos s=7,414614 kJ/kg K. Concluímos então que o fluido sai da turbina na fase de vapor sobreaquecido, uma vez que a sua entropia é superior á de vapor saturado. Sem reaquecedor: Usando os mesmos passos indicados acima, com θ2=181 C e P2=10050 kPa, obtivemos que a entropia do ponto sobre o líquido saturado é de 2,147647 kJ/kg K, e sobre a linha de vapor saturado é 6,5737 kJ/kg K. A entropia á saída da turbina é 6,710301 kJ/kg K. Novamente concluímos que o fluido sai da turbina na fase de vapor saturado. Estes valores são estranhos pois demonstram que houve uma parte de vapor que podia ter sido utilizado para produzir trabalho e não o foi. Tanto mais que, nesta abordagem consideramos a expansão na turbina como


sendo isentrópica sabendo nós que na realidade, devido ás irreversibilidades geradas (atrito viscoso), a entropia á saída da turbina seria mais elevada. Este resultado diz-nos também que não era necessário usar o reaquecimento, uma vez que a sua maior vantagem, o facto de aumentar o título da mistura quando esta sai da turbina, não é usado. Foi também verificado que o rendimento ficou praticamente inalterado, o que nos leva a concluir que para um rendimento igual nos dois ciclos, mas com valores de combustível queimado superiores com uso do reaquecedor, o trabalho produzido também será superior. Ou seja, para produzir o mesmo trabalho não seria necessário queimar tanto combustível, o que iria permitir a concepção de uma caldeira de dimensões inferiores. Neste caso em concreto, a central até poderia funcionar sem reaquecedor de modo a não gastar tanto

combustível, apenas fazendo uso dele para fazer face a picos de produção de electricidade.


BIBLIOGRAFIA

- Termodinâmica – Yunus A. Çengel, Michael A. Boles

- Fundamentos da Termodinâmica – Van Wylen, Sonntag e Borgnakke, Editora Edgard Blucher Ltda

- Power plant control and instrumentation – The control of boilers and HRSG

- Manual Didacta TS101D Simulador de uma caldeira de aquecimento aqui-tubular

trabalho 2 - simulador de caldeira final

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