UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO CAMPUS UNIVERSIT`RIO DE RONDONPOLIS

PR-REITORIA DE GRADUAO INSTITUTO DE CINCIAS AGR`RIAS E TECNOLGICAS

CURSO DE ENGENHARIA MECNICA SISTEMAS TRMICOS

PROF DR. MARCELO MENDES VIEIRA

Rondonpolis-MT 2013

Luiz Gustavo Sousa Vasconcelos

Tiago da Silva Fazolo

DIMENSIONAMENTO DE UM GERADOR DE VAPOR

Rondonpolis-MT 2013

Luiz Gustavo Sousa Vasconcelos

Tiago da Silva Fazolo

DIMENSIONAMENTO DE UM GERADOR DE VAPOR

Trabalho apresentado como

exigncia parcial para obteno

de nota da disciplina de Sistemas

Trmicos do curso de

Engenharia Mecnica da

Universidade Federal de Mato

Grosso.

SUM`RIO

1. Introduo ........................................ ............................................... 3

2. Objetivos ......................................................................................... 4

3. Especificao das condies iniciais de projeto ... .......................... 5

4. Balano estequiomtrico ................................................................ 6

5. Balano energtico no gerador de vapor ........................................ 8

6. Clculo da energia disponvel ....................................................... 10

7. Dimensionamento da rea da grelha ............................................ 11

8. Dimensionamento da fornalha ...................................................... 12

9. Dimensionamento do superaquecedor ......................................... 16

10. Dimensionamento do economizador ............................................ 20

11. Dimensionamento da chamin para tiragem ................................ 23

12. Ponto de aproximao e ponto de pina ............. ......................... 26

13. Concluso ......................................... ............................................ 28

14. Bibliografia .................................................................................... 29

15. ANEXO Catlogo tcnico da flex ............................................... 30

3

1. INTRODUO

Acredita-se que desde o sculo XVIII o homem comeou a perceber o quo

relevante era a energia incorporada ao vapor dgua superaquecido. Comearam as

pesquisas nessa rea, e a partir da as unidades geradoras de vapor vieram se

desenvolvendo at os dias atuais, e ainda continuam se desenvolvendo cada vez

mais.

A escolha do vapor como fluido de trabalho no por acaso. Sabemos que o

vapor tem alto poder calorfico, pode ser facilmente manusevel e temos que a gua

existe em abundncia no planeta. Logo, as unidades geradoras de vapor esto

presentes em vrios setores industriais como, por exemplo, na indstria de

alimentos, txtil, metalrgica, qumica, entre outras. As linhas de vapor podem levar

essa energia a vrios lugares de uma indstria aos quais se deseja uma fonte

trmica, ou ainda pode ser usado para acionar as ps de turbinas gerando potncia

de eixo, que posteriormente pode ser convertido em energia eltrica. Enfim, so

vrias as aplicaes teis aos geradores de vapor.

4

2. OBJETIVOS

A proposta do projeto dimensionar os principais componentes de um

sistema gerador de vapor, sendo eles a grelha, a fornalha, o superaquecedor, o

economizador e a chamin. O objetivo realizar um roteiro de clculo para tais

dimensionamentos partindo de dados iniciais, como o tipo de combustvel utilizado, a

vazo requerida de vapor e algumas temperaturas em pontos especficos. Dividimos

o projeto nas seguintes etapas:

Balano estequiomtrico;

Clculo da energia requerida pelo vapor, considerando as perdas;

Clculo da energia disponvel pelo combustvel;

Dimensionamento da rea da grelha;

Dimensionamento da fornalha;

Dimensionamento do superaquecedor;

Dimensionamento do economizador;

Dimensionamento da chamin para tiragem.

5

3. ESPECIFICAO DAS CONDIES INICIAIS DE

PROJETO

Para dar incio aos clculos preciso ter em mos algumas informaes

importantes a respeito das condies desejadas do g erador de vapor. Deve-se levar

em considerao parmetros como a umidade absoluta do ar, presso interna do

gerador e temperaturas desejadas na sada do superaquecedor e na chamin.

Esses parmetros sero constantemente utilizados no s clculos de transferncia de

calor na fornalha, no superaquecedor, no economizador e na chamin. A tabela

abaixo apresenta esses dados.

TABELA 1- PARMETROS INICIAIS DE PROJETO

! " #$% &

% ( )* (

+,-

6

4. BALANO ESTEQUIOMTRICO

O combustvel para o projeto desse gerador de vapor o carvo, com a

composio apresentada na tabela abaixo.

TABELA 2- COMPOSIO DO COMBUSTVEL (CARVO)

. / 0 1! 2- ( & 3"

Para o balano estequiomtrico foi considerado um excesso de ar de 50%,

que o adequado para combustveis slidos, segundo Bazzo[1]. Chegou-se a uma

relao ar/combustvel de 10,232:1em base mssica. As composies dos gases de

exausto em base mssica e volumtrica so as apresentadas abaixo.

TABELA 3-COMPOSIO M`SSICA EM BASE SECA

4/5 62

0 &"&- /0 7- 8 ""- 0 ""-

TABELA 4- COMPOSIO M`SSICA EM BASE MIDA

495 62 (&

0 &- /0 7- 8 "- 0 "3-

.0 33-

7

TABELA 5- COMPOSIO VOLUMTRICA EM BASE SECA

4/%2 :22

2

3&&3

0 - /0 - 8 ((- 0 ""-

TABELA 6- COMPOSIO VOLUMTRICA EM BASE MIDA

49%2 :22

2

3&&&3

0 7- /0 3- 8 "&3- 0 &"(-

.0 &-

8

5. BALANO ENERGTICO NO GERADOR DE VAPOR

A gua temperatura ambiente entra no feixe de tubos correspondente ao

economizador, que um trocador de calor, e ganha energia devido troca trmica

com os gases de exausto. Aps esse ganho de energi a, a gua sai do

economizador e entra no tambor separador a 170C (c ondio de projeto), desce

pelas paredes dgua at o interior da fornalha, onde ganha calor at se tornar vapor

saturado. Esse vapor retorna ao tambor separador por diferena dos volumes

especficos da gua lquida e do vapor saturados, caracterizando uma conveco

natural nos tubos da parede dgua. Esse vapor sai do tambor separador e entra no

feixe de tubos correspondente ao superaquecedor, onde levado temperatura de

480C (condio de projeto) devido troca trmica com os gases de exausto. A

figura abaixo ilustra o ganho trmico da gua para as condies de projetos

estabelecidas.

FIGURA 1

As tabelas abaixo apresentam as propriedades trmicas de cada ponto a ser

analisado e a energia total requerida no economizador, no tambor e no

superaquecedor, considerando a vazo de vapor de pr ojeto de 8kg/s.

9

TABELA 7- ESTIMATIVA DAS ENTALPIAS NOS PONTOS

3 #$# & & & &

" "& ( +2; 3( "" "(33 33"37"&

:2+

?2)>3

/3>

+@ (73 &7(( """

A soma das energias requeridas nos trs componentes resulta na energia

total til para que a gua temperatura ambiente alcance o estado de vapor

superaquecido correspondente a 480C. Essa energia til equivale a 26108,77kW.

Ao acrescentar as perdas de 9% pelas paredes, a energia requerida pelo sistema

passa a valer 28690,95kW. Essa ltima a energia necessria a ser utilizada para

atender as condies de projeto. Porm, para garant ir que a temperatura dos gases

de exausto chegue a aproximadamente 180C na base da chamin ser

necessrio injetar mais combustvel do que o necessrio requerido pelo vapor, tendo

como consequncia uma queda na eficincia do sistema gerador de vapor.

10

6. C`LCULO DA ENERGIA DISPONVEL

O clculo da energia disponvel leva em conta o Poder Calorfico Inferior (PCI)

do combustvel, a umidade do ar na fornalha e o ar que lanado contra o

combustvel dentro da fornalha.

O clculo da energia disponvel feito considerando o consumo de 1kg/s de

combustvel, de modo que se tem a energia para esta condio. Em seguida calcula-

se a vazo necessria de combustvel para suprir a demanda da gua. Esses dados

esto apresentados na tabela abaixo.

TABELA 9- ENERGIA DISPONVEL

+@ (&77 2 %2 %2 3&((

:!$ %2 5+@ 3 :!$ %2A 3

2 %2 %!$A 3&((7

@B:C %- " :!$5 D$ %2 E &

: !$5,$ E "3

A vazo mssica de combustvel estimada acima leva em considerao a

vazo de projeto, 26% maior que a vazo necessria para suprir a demanda

energtica da gua. Essa vazo de projeto maior que a necessria, para que a

condio final de temperatura na tiragem se adeque ao requisitado nos dados

iniciais de projeto. O rendimento da caldeira leva considerao a razo entre energia

til e energia total disponvel pela vazo de combustvel de projeto.

11

7. DIMENSIONAMENTO DA `REA DA GRELHA

Para cada tipo de combustvel, existe uma faixa de valores para a taxa de

carregamento, em kg/mh. Essa faixa de valores foi obtida empiricamente com

dados de caldeiras em operao. A taxa de carregame nto equivale ao quanto de

vazo mssica de combustvel deve ser introduzido na fornalha para uma dada rea

da grelha. Para grelhas estacionrias, como a desse projeto, essa faixa varia de 50

a 150 kg/mh. Adotando um valor de 120kg/mh, uma rea de 45,90m foi

encontrada para a vazo de projeto de 1,53kg/s. A g relha ser quadrada, portanto

ter dimenses 6,775x6,775m.

TABELA 10 - DIMENSIONAMENTO DA GRELHA FIXA

:!$5 %2 A ) , F)G H2)5FG 7

+ %$2) G " +5,%$2) G

12

8. DIMENSIONAMENTO DA FORNALHA

O dimensionamento da fornalha consiste em determinar qual o calor liberado

pelo combustvel dentro da fornalha a partir das disposies dos tubos da parede

dgua. Para isso, considera-se que o calor transferido ocorre quase totalmente por

radiao, usando uma emissividade combinada para le var em conta a conveco.

O calor irradiado depende da superfcie irradiada e da temperatura mdia dos

gases. Para determinar a temperatura mdia dos gases, admitiu-se que ela fosse

igual temperatura real de sada dos gases da cma ra. Por processos iterativos,

essas temperaturas foram convergidas e os outros parmetros foram sendo

alterados at que o calor necessrio para levar a gua at o estado de vapor

saturado fosse atingido.

Os resultados foram os apresentados na tabela abaixo:

TABELA 11- RESULTADOS DA FORNALHA

@2/ I 2D$ (3(& /< J/F I (( %%I ("7

13

Aps iteraes entre rea irradiada, dimetros dos tubos e calor trocado por

radiao foi possvel determinar as dimenses da fo rnalha. Optamos por usar lados

iguais de modo que a rea da base da fornalha seja um pouco maior que a rea da

grelha.

TABELA 13 - DIMENSES DA CMARA DE COMBUSTO

!"# $

Com essas dimenses da fornalha (cmara de combust o) e considerando

que os tubos vo estar encostados lado a lado forma ndo a parede dgua, ou seja,

com espaamento igual ao dimetro externo, consegui mos determinar ento o

nmero total de tubos. Lembrando que os tubos na parede esquerda e direita vo se

encontrar no meio do teto e vo subir para o tambor . Os tubos das paredes frontal e

traseira sobem direto para o tambor. H um tubulo percorrendo o permetro da

base da fornalha que se conecta a todos os tubos dos 4 lados da parede da

fornalha. As tabelas com os dados obtidos do dimensionamento so apresentadas a

seguir:

TABELA 14 - TABELA COM NMERO TOTAL DE TUBOS E COMP RIMENTO TOTAL

8N8O8 3( 8N8

14

TABELA 15 - SELEO DOS DIMETROS DOS TUBOS PELO CA T`LOGO TCNICO DA

FLEX

KP5

62 1J/J!

$6# 7&"

#$J# & /)222 33"3

/)22 (

KL, 3 + 3"3

KL 3(

Para melhor entendimento de como ficou a disposio dos tubos na fornalha,

ser apresentado a seguir as figuras com tal esquema:

FIGURA 2 - PAREDE D`GUA

15

FIGURA 3 - VISTA EM CORTE DA PAREDE D`GUA

Na figura 4 temos a vista ampliada da parte superior da parede dgua. Como

se pode ver, os tubos que vem da parede direita fazem uma curva e continuam

percorrendo a parede superior da fornalha, o mesmo acontece com os tubos da

parede esquerda. Logo, eles se encontram no meio do teto e sobem em direo ao

tambor separador. J os tubos da parede frontal e traseira no percorrem a parede

superior, portanto seus comprimentos equivalem pr pria altura da fornalha. Logo,

a superfcie irradia pelos tubos da parede esquerda e direita so maiores por terem

maior comprimento (altura da fornalha mais metade da largura da fornalha). No

clculo do comprimento total dos tubos todos esses detalhes foram considerados.

FIGURA 4 - VISTA AMPLIADA DA PARTE SUPERIOR DA PAREDE D`GUA

16

9. DIMENSIONAMENTO DO SUPERAQUECEDOR

No superaquecedor entra vapor saturado a 275,64C ( 548,79K) na presso

de 60bar nos feixes tubulares e sai vapor superaquecido a 480C (753,15K) na

mesma presso.

So os gases quentes da exausto que vo entregar e ssa energia ao vapor

por meio de troca de calor em escoamento cruzado. Esses gases vo entrar no

superaquecedor com temperatura de 1140,15K, que igual temperatura real dos

gases que deixam a cmara de combusto.

Atravs de balano energtico, sabemos que os gases de exausto vo sair

do superaquecedor a 775,67K aps troca de calor com o vapor. A tabela a seguir

apresenta as temperaturas de entrada e sada dos fluidos frio e quente, que

correspondem ao vapor e gases de exausto, respecti vamente.

TABELA 16 - TEMPERATURAS DOS FLUIDOS NA ENTRADA E SADA DOS SUPERAQUECEDOR

17

TABELA 18 - C`LCULO PARA COEFICIENTE DE CONVECO I NTERNO

2*

18

TABELA 22 - DISPOSIO DOS TUBOS E DIMENSES DO SUP ERAQUECEDOR

KD$

KL, 33

+D22

+D%2

+,

" )

!"", $

*-

A seguir temos as figuras representando como ficou o arranjo e disposio

dos tubos no nosso superaquecedor.

FIGURA 5 - REPESENTAO DO ARRANJO DE TUBOS POR PAS SE

19

FIGURA 6 - REPRESENTAO DO SUPERAQUECEDOR COM OS 6 PASSES

20

10. DIMENSIONAMENTO DO ECONOMIZADOR

No economizador entra gua lquida comprimida a 25C (298,15K) na presso

de 60bar nos feixes tubulares e sai ainda lquida comprimida a 170C (443,15K) na

mesma presso. A funo do economizador apenas de aquecer um pouco a gua

que vai ser admitida no tambor, a fim de requerer menos energia para transformao

de lquido para vapor saturado na parede dgua.

So os gases quentes da exausto que vo ceder essa energia para a gua

por meio de troca de calor em escoamento cruzado. Esses gases quentes vo entrar

no economizador com temperatura de 775,67K, que igual temperatura dos gases

quentes que deixa o superaquecedor.

Atravs de balano energtico, sabemos que os gases de exausto vo sair

do economizador a 458,82K aps troca de calor com a gua. A tabela a seguir

apresenta as temperaturas de entrada e sada dos fluidos frio e quente, que

correspondem gua e gases de exausto, respectivamente.

TABELA 23 - TEMPERATURAS DOS FLUIDOS NA ENTRADA E SADA DO ECONOMIZADOR

21

TABELA 25 - C`LCULO DO COEFICENTE DE CONVECO INTE RNO

2*

22

TABELA 29 - DISPOSIO DOS TUBOS E DIMENSES DO ECO NOMIZADOR

KD$! 33

. "/0 )-

!"", -))

As figuras a seguir representam como ficou a disposio dos tubos no economizador:

FIGURA 7 - ARRANJO DOS TUBOS POR PASSE

FIGURA 8 - ECONOMIZADOR COM TODOS OS 8 PASSES

23

11. DIMENSIONAMENTO DA CHAMIN PARA

TIRAGEM

Vamos utilizar o sistema de tiragem dos gases quentes por conveco

natural. Nesse tipo de tiragem, a elevao dos gase s pela chamin ocorre devido

diferena de densidade entre os gases quentes na ba se da chamin e a densidade

do ar na temperatura ambiente no topo da chamin. Essa diferena de densidades

gera uma queda de presso (depresso) ao longo da c hamin, que por sua vez gera

uma fora de empuxo capaz de elevar esses gases.

Consideramos que a temperatura na base da chamin igual temperatura

que deixa o economizador, que no caso de 458,82K, ou 185,67C. O projeto

determinava uma temperatura de 180C, porm essa fo i a melhor aproximao

conseguida atravs de muitas iteraes entre a vaz o de combustvel, temperatura

real dos gases na sada da cmara de combusto, ent re outras.

Para encontrar o dimetro mdio da chamin estimamos uma velocidade de

escoamento dos gases quentes de 4m/s, pois segundo BAZZO [1] essa velocidade

deve variar entre 4 e 8m/s.

TABELA 30 - C`LCULO DO DIMETRO MDIO DA CHAMIN

%!$5,$ E " %2 %

1(1 $-$

Com algumas iteraes, encontramos um valor consid erado razovel para

altura til da chamin de 25m. Encontramos assim a temperatura de sada dos

gases no topo da chamin e tambm a temperatura mdia.

TABELA 31 - C`LCULO DA TEMPERATURA DE SADA

@D$ I )* @ & )*I (( 2(1 *$

1 (1 )*$

A massa especfica mdia dos gases quentes, assim como sua viscosidade

mdia foi obtida atravs da mdia ponderada com relao aos volumes de cada

substncia constituinte desses gases.

24

TABELA 32 - C`LCULO DA MASSA ESPECFICA MDIA E VIS COSIDADE MDIA

6 " 0 ( ( &"(- "7&3(" 7&"+>&

8 "( 37& "&3- "777& (333+>

U=* "(("

V#W* 3

Segundo BAZZO [1] a inclinao da chamin deve est ar entre 0,5 e 1. Para

uma altura de 25m, obtemos:

TABELA 33 - C`LCULO DA INCLINAO DA CHAMIN

KL)* 3KL)* 3

J2D$)* X (

Segundo BAZZO [1] a relao entre altura til e dimetro mdio da chamin

no deve exceder 30.

TABELA 34 - VERIFICAO DA CONDIO HU/D

. 73 25,2D$. 3

3"

Vamos calcular agora a perda de carga no escoamento dos gases quentes pela

chamin:

TABELA 35 - C`LCULO DA PERDA DE CADA NA CHAMIN

:2 % 6

?

25

Agora, vamos calcular a depresso gerada pela cham in, que deve ser maior

que a perda de carga, para que o gs possa escoar.

TABELA 36 - RESULTADO DO C`LCULO DA DEPRESSO

12)* . "(17 87 9*)*

Com posse do valor da depresso gerada pela chamin , podemos encontrar

o empuxo que os gases quentes recebem.

TABELA 37 - RESULTADO DO C`LCULO DO EMPUXO

H%2*)*F 1 & 6

26

12. PONTO DE APROXIMAO E PONTO DE

PINA

O esquema abaixo representa o aumento da temperatura do fluido da caldeira

com relao queda temperatura dos gases de exaust o. Segundo VIEIRA [4] o ponto de aproximao corresponde diferena entre a temperatura de saturao (Ts) com a temperatura da gua na sada do economizador (T2). O ponto de pina determinado pela diferena de temperatura entre alg uma regio dentro da fornalha (Tgs) que est em contato com a gua no incio de sua saturao (Ts).

FIGURA 10 - PONTO DE PINA E PONTO DE APROXIMAO

A temperatura de saturao Ts equivale a 275,64C e a temperatura na sada

do economizador T2 equivale a 170C. Por essa diferena temos o ponto de aproximao que de Taproximao =105,64C.

Para determinar o ponto de pina primeiramente prec isamos determinar Tgs. Para isso, foi preciso realizar um balano energtico entre os pontos 2 e s. Ou seja, a energia que fluido frio recebe quando entra no tambor at chegar fase de lquido saturado a mesma energia cedida pelos gases de combusto que saem do economizador at um ponto s qualquer. Temos ento todos os dados necessrios para encontrar Tgs:

Conhecemos os seguintes dados:

27

TABELA 38 - DADOS NECESS`RIOS PARA C`LCULO DE TGS

D$ I ("7 25) ; ""

22 ) ; 3"3 %!$55E % (

5 ! I (( %!$5E "

2

28

13. CONCLUSO

Nem sempre num projeto de um gerador de vapor se tem todos os dados que se gostaria para os clculos e dimensionamentos necessrios, assim como na grande maioria dos projetos de engenharia. Esse projeto no foi diferente, pois foi preciso se fazer inmeras iteraes por se tratar d e um projeto com tantas variveis. Contudo, os resultados obtidos foram coerentes com a literatura. Foi possvel determinar todos os principais parmetros requerido s pelo projeto, que necessitava de uma gerao de vapor de 8kg/s.

Foram determinadas as reas de troca trmica necessrias para suprir a demanda de calor do fluido de trabalho na parede dgua, superaquecedor e economizador, e com essas reas foi possvel determinar o arranjo dos tubos, nmero de tubos, dimetros, etc.

Para que os gases de exausto chegassem base da chamin com a temperatura requisitada de 180C, foi necessrio injetar um pouco mais de combustvel que o requerido pelo vapor. Como consequncia teve uma queda de eficincia na caldeira, ficando em torno de 72,15%.

29

14. BIBLIOGRAFIA

1. Bazzo, Edson. Gerao de Vapor. Florianpolis : Editora da UFSC, 1995.

2. MSPC Informaes Tcnicas. [Online] [Cited: Abril 21, 2013.]

http://www.mspc.eng.br/fldetc/fluid_0550.shtml.

3. Sucrana Solues em Engenharia. [Online] [Cited: Abril 21, 2013.]

http://www.sucrana.com.br/tabelas/densidade-relativa.pdf.

4. Moreira, Jos S. and Vieira, Marcelo M. Converso de uma Central

Termeltrica Convencional A Vapor para Operar em Forma de Ciclo Combinado com

Turbina a Gs.

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15. ANEXO CAT`LOGO TCNICO DA FLEX