Trabalho 2 - Simulador de Caldeira Final

(1)

TERMODINÂMICA APLICADA

Simulação de Caldeira a Vapor

Didacta

Didacta TS101D

TS101D Simulador

Simulador de

de uma

uma

caldeir

caldeira de

a de aquecimento aqui-tubular

aquecimento aqui-tubular

Professor João Monteiro Marques

João Miguel

– –

Nº: 26792

Paulo Pires

– –

Nº: 35816

Marco Barros

– –

Nº: 35881

Tiago Francisco

– –

Nº: 35892

(2)

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

_____11

Bibliografia_________________________________________________________________13

(3)

Objectivo

O objectivo do

trabalho

realizado é estudar o funcionamento de um gerador de vapor, e todas as trocas derealizado é estudar o funcionamento de um gerador de vapor, e todas as trocas de calor e fluxos energéticos existentes

calor e fluxos energéticos existentes em todos os seus em todos os seus componentes.componentes.

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

Didacta Itália.

Introdução

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

estabilidade e por não apresentar qualquer tipo de toxicidade.

A caldeira é constituída por 3 circuitos fundamentais onde as suas funções são indispensáveis e A caldeira é constituída por 3 circuitos fundamentais onde as suas funções são indispensáveis e complementares umas das outras.

complementares umas das outras.

O

O circuito água-vapor circuito água-vapor tem comotem como

função transportar o fluido entre os função transportar o fluido entre os vários componentes da central. Utiliza vários componentes da central. Utiliza água desmineralizada (H

água desmineralizada (H22O) queO) que

circula num circuito fechado circula num circuito fechado O

Ocircuito ar circuito ar _–_–fumosfumosencarrega-se deencarrega-se de

fazer «respirar» a caldeira, tratando fazer «respirar» a caldeira, tratando da injecção de ar na câmara de da injecção de ar na câmara de combustão e procedendo á remoção combustão e procedendo á remoção dos fumos provenientes da queima, dos fumos provenientes da queima, fazendo a ligação aos permutadores fazendo a ligação aos permutadores de calor a jusante da caldeira.

de calor a jusante da caldeira. O último

O último circuito das cinzascircuito das cinzas, pode ou, pode ou

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

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

Equipamento da Central

De seguida fazemos uma breve descrição de al

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

Caldeira:

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

do fluido de trabalho.

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

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 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 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.

(4)

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

os gases de combustão por radiação entre tubagens.

Aproveitando o calor produzido na caldeira temos os seguintes equipamentos: Aproveitando o calor produzido na caldeira temos os seguintes equipamentos: Painéis de vaporização:

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

barrilete.

Sobreaquecedor: Sobreaquecedor:

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

caldeira, sendo este trocado através das paredes das tubagens. Reaquecedor:

Reaquecedor:

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

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 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 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.

os gases da queima do combustível.

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

indicada, sendo os fumos depois expelidos pela chaminé já a uma temperatura muito inferior á inicial. Depois temos ainda os seguintes equipamentos:

Depois temos ainda os seguintes equipamentos: Deaerator / «Desarejador»:

Deaerator / «Desarejador»:

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

fluido de trabalho. No entanto por vezes só a acção do desarejador sarejador não é suficiente, sendo necessnão é suficiente, sendo necessário retirarário retirar que ainda esteja presente em excesso através de pr

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

mesmas, reduzindo o tempo de vida útil das instalações. Barrilete:

Barrilete:

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

(5)

Turbina: Turbina:

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

dos estágios da turbina, o vapor vai-se expandido. Assim, sim, o tamanho das pás desta tem de aumentar de o tamanho das pás desta tem de aumentar de modo amodo a poder aproveitar de modo útil a pressão decrescente. É devido a isso a forma afunilada da turbina, sendo o 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.

diâmetro menor na zona de maior pressão. Condensador:

Condensador:

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

calor em excesso com um fluido refrigerador exterior ao circuito. Bombas:

Bombas:

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

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

Simulação da caldeira com

reaquecedo

r

O software utilizado exige que O software utilizado exige que o início de processo se faça de o início de processo se faça de forma manual, até se atingir forma manual, até se atingir um patamar de pressão na um patamar de pressão na caldeira que permita o seu caldeira que permita o seu funcionamento em modo funcionamento em modo automático, o que acontece automático, o que acontece para valores superiores a para valores superiores a 9MPa. É no entanto 9MPa. É no entanto necessário ter em conta que a necessário ter em conta que a pressão máxima suportada pressão máxima suportada pela caldeira e que portanto pela caldeira e que portanto leva a que o queimador se leva a que o queimador se desligue de imediato é de desligue de imediato é de 10,5MPa.

10,5MPa.

Este facto é vantajoso na Este facto é vantajoso na medida em que permite medida em que permite perceber a forma como as variáveis em jogo se relacionam. Desde logo percebemos que se a alimentação de 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 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 automática por razões óbvias de segurança. Este facto sucedeu na nossa simulação e deu origem ao alarme por baixo nível de água no circuito

baixo nível de água no circuito – – Low Level AlarmLow Level Alarm- e para o corrigir foi necessário aumentar o caudal da bomba- 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 de alimentação. O outro lapso cometido foi desde logo tentar ligar o queimador sem antes ligar a respectiva bomba de combustível

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

pobre

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

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

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

(6)

Dados obtidos na Simulação da Caldeira com reaquecimento

Pressão

Pressão na na Caldeira Caldeira 9970 kPa9970 kPa

Pressão

Pressão á á saída saída Sobreaquecedor Sobreaquecedor 9850 9850 kPakPa Pressão

Pressão á á entrada entrada do do Reaquecedor Reaquecedor 1720 1720 kPakPa Pressão

Pressão á á saída saída do do Reaquecedor Reaquecedor 1590 1590 kPakPa Temperatura

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

Temperatura de de Água Água á á saída saída do do Economizador Economizador 258 258 °C°C Temperatura

Temperatura á á saída saída do do Sobreaquecedor Sobreaquecedor 533 533 °C°C Temperatura

Temperatura á á entrada entrada do do Reaquecedor Reaquecedor 304 304 °C°C Temperatura

Temperatura á á saída saída do do Reaquecedor Reaquecedor 457 457 °C°C Temperatura

Temperatura do do Ar Ar 28 28 °C°C

Temperatura

Temperatura de de Exaustão Exaustão de de Fumos Fumos 178 178 °C°C Caudal

Caudal de de Ar Ar 9,94 9,94 m³/sm³/s

Caudal

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

Caudal de de água água de de alimentação alimentação 0,0097 0,0097 m³/sm³/s Caudal

Caudal de de vapor vapor 11,11 11,11 kg/skg/s

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

os outros foram tirados directamente da tabela acima indicada

Diagrama T-s

11 – –Entrada na bombaEntrada na bomba

elevadora de pressão elevadora de pressão 22 – –Entrada doEntrada do

economizador economizador

33 – –Entrada nos painéisEntrada nos painéis

de vaporização de vaporização 44 – –Entrada noEntrada no

sobreaquecedor sobreaquecedor 55 – –Entrada turbina APEntrada turbina AP 66 – –Entrada reaquecedorEntrada reaquecedor

77 – –Entrada turbina BPEntrada turbina BP

88 – –Entrada condensadorEntrada condensador

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

(7)

Balanço térmico de potências dos

diversos componentes

Cálculos:

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

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De notar que todos os valores de entalpia foram obtidos através do programa STEAM. Para calcularmos os 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 valores de calor fornecidos pelos permutadores ao fluido bastou calcular a diferença de entalpias á entrada e saída dos equipamentos.

saída dos equipamentos.

Quantidade de calor fornecida pelo

Quantidade de calor fornecida pelo CombustívelCombustível

Dos dados retirados do ensaio temos Dos dados retirados do ensaio temos que:que:

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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 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, 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 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 m

fornecido dois valores distintos nas duas medições que efectuámos.edições que efectuámos.

Apesar de o caudal mássico ser constante o mesmo não se passa com o caudal volúmico, bastando para isso 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 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). estado líquido), e á entrada da turbina tem um volume específico de 0,035216 m3/kg (vapor sobreaquecido).

(8)

Economizador Economizador  

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Painéis de vaporização Painéis de vaporização

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

saturado á mesma pressão. Assim obtivemos:

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

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

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Reaquecedor

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(9)

Fumos

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

ensaio, sendo que obtivemos o seguinte valor:

  



 



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  

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

Rendimento da Caldeira pelo método das perdas

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



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  



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

  

 

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    

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    

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Deste modo temos então que Deste modo temos então que

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

Rendimento da Caldeira pelo método directo

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



  



  

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    

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    

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    

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  





Analise comparativa de dados obtidos no simulador e

calculos

efectuados

Valores

Valores Simulador Simulador CálculosCálculos

Diferencial entre Valores Diferencial entre Valores

simulador e Cálculos simulador e Cálculos Potência

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

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

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

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

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

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

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

Combustível 36042,5 36042,5 100 100 35333,72 35333,72 100100 Eficiência

(10)

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

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 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 estudar o comportamento da mesma caldeira agora sem o sistema de recuperação, comparando com os dados obtidos na simulação com reaquecedor .

obtidos na simulação com reaquecedor .

Dados da simulação sem Reaquecedor

Simulação sem Simulação sem Reaquecedor Reaquecedor Simulação com Simulação com Reaquecedor Reaquecedor Pressão

Pressão na na Caldeira Caldeira 10050 10050 kPa kPa 9970 9970 kPakPa Pressão

Pressão á á saída saída Sobreaquecedor Sobreaquecedor 9930 9930 kPa kPa 9850 9850 kPakPa Pressão

Pressão á á entrada entrada do do Reaquecedor Reaquecedor 920 920 kPa kPa 1720 1720 kPakPa Pressão

Pressão á á saída saída do do Reaquecedor Reaquecedor 920 920 kPa kPa 1590 1590 kpakpa Temperatura

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

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

Temperatura á á saída saída do do Sobreaquecedor Sobreaquecedor 534 534 °C °C 533 533 °C°C Temperatura

Temperatura á á entrada entrada do do Reaquecedor Reaquecedor 180 180 °C °C 304 °C304 °C Temperatura

Temperatura á á saída saída do do Reaquecedor Reaquecedor 181 181 °C °C 457 457 °C°C Temperatura

Temperatura do do Ar Ar 28 28 °C °C 28 28 °C°C

Temperatura

Temperatura de de Exaustão Exaustão de de Fumos Fumos 178 178 °C °C 178 178 °C°C Caudal

Caudal de de Ar Ar 9,17 9,17 m³/s m³/s 9,94 9,94 m³/sm³/s

Caudal

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

Caudal de de água água de de alimentação alimentação 0,0097 0,0097 m³/s m³/s 0,0097 0,0097 m³/sm³/s Caudal

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

Valores Simulador sem Valores Simulador sem

Reaquecedor Reaquecedor

Valores Simulador com Valores Simulador com

Reaquecedor Reaquecedor Diferencial Diferencial (Sem Reaquecedor-Com (Sem Reaquecedor-Com Reaquecedor) Reaquecedor) Potência

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

Economizador 3055,56 3055,56 9 9 2466,66 2466,66 7 7 588,9 588,9 19,2719,27 Painéis

Painéis de de Vaporização Vaporização 18822,22 18822,22 57 57 18255,56 18255,56 51 51 566,66 566,66 3,013,01 Sobreaquecedor

Sobreaquecedor 8044,44 8044,44 24 24 8033,33 8033,33 22 22 11,11 11,11 0,140,14 Reaquecedor

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

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

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

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

(11)

Potências obtidas pelo simulador sem Reaquecedor e conclusões

Da nossa análise, e

comparativamente aos resultados comparativamente aos resultados obtidos na primeira simulação da obtidos na primeira simulação da caldeira com reaquecedor, caldeira com reaquecedor, concluímos que este elemento não concluímos que este elemento não tem influência sobre o rendimento, tem influência sobre o rendimento, divergindo um pouco com a divergindo um pouco com a informação recolhida na informação recolhida na bibliografia consultada, segundo a bibliografia consultada, segundo a qual através da introdução do qual através da introdução do reaquecimento no ciclo de Rankine reaquecimento no ciclo de Rankine podemos conseguir um aumento podemos conseguir um aumento do rendimento da ordem dos 4% a do rendimento da ordem dos 4% a 5%. Ainda de acordo esta 5%. Ainda de acordo esta bibliografia, os aumentos do bibliografia, os aumentos do rendimento obtidos por rendimento obtidos por reaquecimentos sucessivos reaquecimentos sucessivos aumenta à razão de metade do aumenta à razão de metade do ganho verificado com o reaquecimento anterior, o que leva a que não se justifique sucessivos patamares de ganho verificado com o reaquecimento anterior, o que leva a que não se justifique sucessivos patamares de reaquecimento.

reaquecimento.

Analisando os dados com atenção, verificamos que os caudais de combustível e de ar diminuem quando o 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 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 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 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 maior. No entanto por queimar menos combustível haverão menos perdas nos fumos, por radiação e por combustível não queimado.

combustível não queimado.

A maior vantagem deste passo adicional é elevar o título da mistura ao sair da turbina, de modo a evitar 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 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 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 um título mais elevado, o que iria não só aumentar o valor do trabalho obtido como iria tornar desnecessária a utilização do reaquecimento.

utilização do reaquecimento.

Partindo do pressuposto que à saída da turbina haveria mistura no fluido, passámos ao cálculo do mesmo. Partindo do pressuposto que à saída da turbina haveria mistura no fluido, passámos ao cálculo do mesmo. Com reaquecedor:

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. 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 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.

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. 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 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.

superior á de vapor saturado. Sem reaquecedor:

Sem reaquecedor:

Usando os mesmos passos indicados acima, co

Usando os mesmos passos indicados acima, co m θ2=181C e P2=10050 kPa, obtivemos que a m θ2=181C e P2=10050 kPa, obtivemos que a entropia do pontoentropia 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 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 saída da turbina é 6,710301 kJ/kg K. Novamente concluímos que o fluido sai da turbina na fase de vapor saturado.

saturado.

Estes valores são estranhos pois demonstram que houve uma parte de vapor que podia ter sido utilizado para 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 produzir trabalho e não o foi. Tanto mais que, nesta abordagem consideramos a expansão na turbina como

(12)

sendo isentrópica sabendo nós que na realidade, devido ás irreversibilidades geradas (atrito viscoso), a entropia sendo isentrópica sabendo nós que na realidade, devido ás irreversibilidades geradas (atrito viscoso), a entropia á saída da turbina seria mais elevada.

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 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.

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 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 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 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. 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 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