• Nenhum resultado encontrado

Sistemas Térmicos Transferência de Calor na Caldeira. Jurandir Itizo Yanagihara

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Sistemas Térmicos Transferência de Calor na Caldeira. Jurandir Itizo Yanagihara"

Copied!
30
0
0

Texto

(1)

Sistemas Térmicos

Transferência de Calor na

Caldeira

(2)

Dimensionamento Térmico

 Objetivo: minimizar investimentos em material e buscar o

aproveitamento racional da energia.

 Abordagem: combinação de fundamentos científicos e

informações empíricas.

 Variáveis importantes: energia introduzida na fornalha,

calor transferido para as paredes d’água, temperatura no interior da fornalha calor transferido para os trocadores de calor, temperatura de saída dos gases).

(3)

Dimensionamento: Fatores Importantes

 Envolvimento simultâneo de todos os mecanismos de transferência de calor, inclusive radiação de gases.

 Presença de partículas sólidas em suspensão e deposição contínua de cinzas junto às paredes da fornalha.

 Emissividades variáveis, que dependem das paredes, da deposição das cinzas, tipo de combustível queimado, pressão parcial e

temperatura dos gases radiantes.

 Disposição complexa das superfícies de aquecimento, arranjo de tubos e contínua alteração de suas propriedades físicas.

 Queima de combustíveis de propriedades variáveis e combustão instável, com liberação irregular de calor.

 Posição dos queimadores e distribuição das isotermas no interior da caldeira.

(4)

Temperatura Adiabática dos Gases

T = Temperatura (ad= ad. gases, o= ambiente) (K)

qd = Energia disponível na fornalha (kJ/kg comb)

m = Massa (g= gases, cz= cinzas) (kg/kg comb)

(5)

Energia Disponível na Fornalha

PCI = Poder calorífico inferior do combustível (kJ/kg comb)

Dhcb = Entalpia do combustível (kJ/kg comb)

mar = massa real de ar de combustão (kg/kg comb)

war= Umidade do ar (kg/kg ar seco) Dhar = Entalpia do ar de combustão (kJ/kg) Dhvp = Entalpia da umidade do ar (kJ/kg)

)

(

ar ar vp ar cb d

PCI

h

m

h

w

h

q

=

+

D

+

D

+

D

(6)

PCS / PCI : Combustíveis Sólidos e Líquidos

PCS = Poder calorífico superior do combustível (kJ/kg) PCI = Poder calorífico inferior do combustível (kJ/kg) c = Teor de carbono (kg carbono / kg comb)

h = Teor de hidrogênio (kg hidrogênio / kg comb) s = Teor de enxofre (kg enxofre / kg comb)

o = Teor de oxigênio (kg oxigênio / kg comb)

s

o

h

c

PCS

9200

8

141800

33900

+

 −

+

=

)

9

(

2440

h

w

PCS

PCI

=

+

(7)

Massa de Ar e Gases de Combustão

Combustíveis Sólidos e Líquidos

+

+

=

32

32

4

12

2

,

138

*

c

h

s

o

m

ar * *

7685

,

0

32

64

9

9

12

44

ar g

m

s

w

h

c

m

+

+

 +

+

=

mar* = massa estequiométrica de ar (kg/kg comb)

mg* = massa estequiométrica de gases de combustão

(kg/kg comb)

mar = massa real de ar de combustão (kg/kg comb)

(8)

Valores Indicados para Excesso de Ar

Combustível Tipo de queima Excesso de ar (%)

Gás combustível Suspensão 5 a 20

Carvão pulverizado Suspensão 10 a 25

Óleo combustível Suspensão 10 a 25

Carvão granulado Grelha 30 a 60

(9)

Temperatura Real dos Gases

Tr = Temperatura real de saída dos gases (K)

qr = Calor trocado por radiação com a água (W)

qp = Calor trocado com paredes, cinzas, etc (W)

mcb = Consumo de combustível (kg/s) pg g cb p r d o r

c

m

m

q

q

q

T

T

)

(

+

+

=

(10)

Exercício - Calor Disp. e Temp. dos Gases

 Um gerador de vapor de uma usina termelétrica queima carvão

pulverizado e produz vapor superaquecido a 10 MPa e 500 oC. A água

de alimentação está a Ta = 180 oC e a temperatura de entrada do ar,

após passar pelo pré-aquecedor, é T1 = 250 oC. O poder calorífico

inferior (PCI) do combustível é de 17.500 kJ/kgcb, sendo que a

temperatura de entrada do combustível é T2=Tref = 25 oC e a massa de

ar de combustão é de 7,5 kgar seco/ kgcb. Considere desprezível a

umidade do ar de entrada. A massa dos gases de combustão é de 8,2 kggas/kgcb e a massa de cinzas leves é de 0,3 kgcz/kgcb. Considerando-se que os gaConsiderando-ses de combustão deixam o superaquecedor à

temperatura de T4 = 900 oC e que o consumo de combustível é de 25

kgcb/s, calcule: a) a temperatura adiabática dos gases; b) a produção de vapor (kg/s); c) a temperatura (T3) dos gases de combustão antes de passar pelo superaquecedor (oC). Dados: Cp

ar = 1,0 kJ/kgoC; Cpgas

= 1,2 kJ/kgoC; Cp

(11)

Diagrama das Interações Térmicas

Caldeira Superaquecedor b c 3 4 2 1 a

(12)

Calor Irradiado na Fornalha

)

(

4

p

4

i

r

S

T

T

q

=

 = Constante de Stefan-Boltzmann  = 5,668 10-8 W/m2 K4  = Emissividade combinada Si = Superfície irradiada (m2)

T = Temperatura média dos gases (K)

(13)

Emissividade Combinada

 Depende do tipo de combustível, do conteúdo de dióxido

de carbono e vapor d’água nos gases de combustão, das temperaturas envolvidas e do material que compõe as superfícies.

 Faixa de variação da emissividade combinada:

– combustíveis convencionais : 0,75 - 0,95

– óleo combustível : maior que 0,95

(14)

Temperatura da Parede

Tv = Temperatura do vapor (K)

kt = Condutividade térmica dos tubos (W/m K)

de = Diâmetro externo dos tubos (m)

di = Diâmetro interno dos tubos (m)

L = Comprimento dos tubos (m)

hi = Coeficiente de transferência de calor (W/m2K)

+

+

=

i i i e t r v p

d

h

d

d

k

L

q

T

T

1

ln

2

2

(15)

Superfície de Irradiação

fp = Fator de correção Sip = Superfície projetada (m2)

Valores convencionais (depende do espaçamento entre tubos)

fp = 1,0 (s = de) fp = 0,9 (s = 2 de)

de = Diâmetro externo dos tubos (m)

s = Espaçamento entre tubos (m)

ip

p

i

f

S

S

=

Superfície de irradiação => área projetada de feixes tubulares ou das paredes d’água visíveis às chamas.

(16)

Convecção Externa em Feixes Tubulares

f1 = Fator corr. => número de fileiras de tubos (figura) f2 = Fator corr. => arranjo de fileiras de tubos (tabela)

m = Expoente => arranjo e espaçamento dos tubos (tabela) Válido para Pr > 0,7 e 2000 < Re < 40000.

Propriedades tomadas à temperatura de filme, entre Tg

(temperatura dos gases) e Tp (temperatura da parede).

Número de Reynolds (Re) baseada na velocidade correspondente à área mínima de escoamento.

3

/

1

2

1

Re

Pr

30

,

0

=

m

f

f

Nu

(17)

Fatores de Correção f

1

e f

2

(18)

Radiação Gasosa em Feixes Tubulares

 A radiação gasosa torna-se mais importante quanto maior

a temperatura e a concentração de dióxido de carbono e vapor d’água nos gases de combustão.

 Dióxido de enxofre e demais gases, não tem participação

significativa na troca térmica.

 Paredes d’água e feixes tubulares se apresentam sempre

sujos e cobertos de fuligem, aproximando-se da condição de corpo negro.

(19)

Radiação Gasosa em Feixes Tubulares

qg = Calor trocado por radiação gasosa (W)

A = Área de troca de calor (m2)

f = Fator de correção para invólucros cinzas

f = 1 para corpo negro

f = (p+1)/2 para invólucros cinzas com  > 0,8 p = Emissividade da parede

g = Emissividade do gás (avaliado em T).

ag = Absortividade do gás para radiação proveniente do

invólucro negro cm Tp.

)

(

g

4

g

p

4

g

A

f

T

T

(20)

Emissividade dos Gases

 Os valores de emissividade dos gases dependem da

pressão de mistura, pressão parcial do gás, temperaturas envolvidas e espessura efetiva da camada gasosa.

 As pressões parciais do dióxido de carbono (pc) e do vapor

d’água (pw) são calculadas multiplicando-se o porcentual

em volume dos gases pela pressão total de mistura.

 A espessura efetiva da camada gasosa depende da

(21)

Espessura Efetiva de Camada Gasosa

Para valores de Le não indicados na tabela, sugere-se

adotar a equação:

A

V

L

e

=

0

,

85

4

Le = Espessura efetiva de camada gasosa (m)

V = Volume total do gás (m3)

(22)
(23)

Emissividade do Gás

c= Emissividade do CO2 (função de T e pc.Le) w= Emissividade do H2O (função de T e pw.Le)

fc = Fator de correção de c p/ a pressão desejada

fw = Fator de correção de w p/ a pressão desejada

D = Correção devido a presença simultânea de gases

de CO2 e H2O, na temperatura absoluta T

(24)
(25)
(26)
(27)

Absortividade do Gás

c= Emissividade do CO2 (função de Tp e pc.Le) w= Emissividade do H2O (função de Tp e pw.Le)

D = Correção devido a presença simultânea de CO2 e H2O,

na temperatura absoluta Tp

D

+

=

45 , 0 65 , 0 p w w p c c g

T

T

f

T

T

f

a

(28)

Exercício – Radiação, Temperatura dos

Gases e Vazão de Vapor

 Considere a queima de carvão pulverizado numa unidade geradora de vapor de uma central termelétrica. O poder calorífico inferior (PCI) do carvão é de 17473 kJ/kg (Tref = 25 oC), e as temperaturas de entrada do ar e do

combustível são T1 = 220 oC e T

2 = 50 oC, respectivamente. O carvão tem 35%

de cinzas e o ar estequiométrico de combustão é de 5,886 kg ar/kg cb. Admita um coeficiente de excesso de ar de e=1,25, a presença de carbono não

queimado nas cinzas (Cnq=0,004 kg/kg cb) e umidade no ar de combustão

(war=0,013 kg/kg ar). Considere que 1,5 kg/s de cinzas caiam no selo d'água na temperatura de 1200 oC. Calcule: (a) a temperatura adiabática dos gases; (b) a

temperatura dos gases no topo da câmara de combustão (antes de entrar no superaquecedor) (T3 ). Dados: consumo de combustível = 22 kg/s; poder calorífico do carbono = 33900 kJ/kg; superfície irradiada = 1200 m2;

temperatura da parede = 450 oC; temperatura radiante média dos gases na

câmara TRM = 1100 oC; emissividade combinada = 0,80; calores específicos

(Cpcb= 1,5 kJ/kg oC ; Cp

cz= 0,84 kJ/kg oC; Cpar = 1,0 kJ/kg oC; Cpvp,e = 1,95

kJ/kg oC; Cp

vp,s = 2,5 kJ/kg oC; Cpgas = 1,25 kJ/kg oC).

 Considere no exercício anterior que vapor superaquecido a Pc = 7 MPa e Tc = 550 oC é produzido a partir da água de alimentação a T

a = 200 oC. Determine:

(29)

Diagrama das Interações Térmicas

Caldeira Superaquecedor b c 3 4 2 1 a 5

(30)

Referências

Documentos relacionados

Ocorridos cerca de vinte anos desde a entrada em vigor do atual sistema de seguros de colheitas, denominado Sistema Integrado de Proteção contra as

O Regulamento a que se refere o número anterior prevê o valor das taxas a cobrar pela Polícia de Segurança Pública (PSP), pelos actos previstos na Lei n.º 5/2006, de 23 de

Figura 87: Diálogo utilizado na construção da marca Fonte: Autor (2015). A seguir algumas alternativas elaboradas ao longo do processo, seguidas do logotipo escolhido:.. Segundo

Convecção : entre uma superfície e um fluido em movimento Radiação Térmica: emissão de energia na forma de ondas eletromagnéticas entre duas superfícies e na ausência de um

Vários são os produtos industriais importantes derivados do óleo, como: Nylon 11 - obtido a partir do metil ricinoleato (Rilsan ), óleo hidrogenado ou cera para borrachas

Cláusula 1ª – Compromete-se a agir com cuidado e diligência com relação a toda e qualquer informação que tenha acesso no desempenho das suas atividades na FIOCRUZ e obriga-se

Nas práticas da Associação Grãos de Luz e Griô, a cultura é utilizada para um processo de construção política de identidade e cidadania, aliada à educação que

A experiência goiana de integração curricular teve início em 2010 com a implantação em uma de suas escolas do Programa Nacional de Integração da Educação Profissional com