Estudo do comportamento térmico de uma caldeira com ante ...· ps,H – Pressão à temperatura de

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  • Estudo do comportamento trmico de uma caldeira com ante-fornalha alimentada a biomassa florestal

    Liliana Costa Cardoso

    Dissertao submetida para a obteno do grau de Mestre em

    Energias Sustentveis

    Instituto Superior de Engenharia do Porto

    Departamento de Engenharia Mecnica

    16 de Maro de 2015

  • iv

    Relatrio da Unidade Curricular de Dissertao/Projecto/Estgio do 2 ano do Mestrado

    em Energias Sustentveis

    Candidato: Liliana Costa Cardoso, N 1040408, 1040408@isep.ipp.pt

    Orientao Cientfica: Doutora Rosa Maria Pilo, rmp@isep.ipp.pt

    Co Orientao Cientifica: Engenheiro Antnio Lereno Machado, alm@sep.ipp.pt

    Mestrado em Engenharia Energias Sustentveis

    Departamento de Engenharia Mecnica

    16 de Maro de 2015

  • vi

    minha famlia e amigos...

  • i

  • ii

    Agradecimentos

    Em primeiro lugar o meu especial agradecimento minha orientadora, Eng. Rosa Pilo,

    que se mostrou sempre disponvel para me ajudar e apoiar, sem ela este trabalho no seria

    possvel. O meu sincero obrigada pela "respescagem" e por acreditar.

    Ao meu co-orientador, Eng. Lereno Machado, que me apoiou com o seu know-how e

    experincia na rea em questo.

    Aos meus colegas Mrio Ferreira e Miguel Fernandes, meus parceiros de "luta" que me

    acompanharam neste longo percurso, dando uma motivao incansvel.

    A ti, Nuno Sousa, pelo tempo prescindido comigo e por todo o teu apoio, sem ti este

    trabalho tambm no seria possvel.

    Aos meus amigos, Filipa Carvalho, Renata Neves, Tnia Srgio, Rita Caldeira, Andreia

    Aguiar, Andreia Monteiro e Diana Vieira, e minha famlia, que sempre acreditaram no

    final desta etapa da minha vida.

    A todos o meu muito obrigada!

  • iii

    Resumo

    As caldeiras so equipamentos de extrema importncia na maioria das indstrias

    portuguesas. prtica frequente os projectos de caldeiras possurem apenas clculos de

    materiais ou estruturais, nunca abordando as questes trmicas das mesmas. Neste

    contexto surge o presente trabalho que teve como principal objectivo estudar e modelar o

    comportamento trmico de uma caldeira alimentada a biomassa florestal.

    A caldeira em estudo uma caldeira tubos de fumo com ante-fornalha, alimentada a

    biomassa e com presso de funcionamento de 10 bar.

    A primeira parte do trabalho consistiu no levantamento de toda a informao relativa aos

    aspectos construtivos da caldeira e as condies de operao da mesma, atravs da consulta

    do seu projecto.

    O estudo do comportamento trmico da caldeira foi dividido em 2 partes: a modelao do

    comportamento trmico na ante-fornalha seguido da modelao do comportamento trmico

    do feixe tubular.

    Na ante fornalha admitiu-se que o calor seria transferido do gs para as paredes da mesma

    por conveco e por radiao, tendo-se utilizado o Mtodo de Hottel para modelar a

    transferncia de calor por radiao. No feixe tubular a transferncia de calor por radiao

    foi desprezada, tendo-se considerado apenas transferncia de calor por conduo e

    conveco entre os gases quentes e a gua.

    Os resultados obtidos mostram que, na ante-fornalha, o peso da potncia transferida por

    radiao (96%) muito superior potncia transferida por conveco (4%), tendo-se

    obtido os valores de 384,8 kW e de 16,0 kW para a potncia trmica transferida por

    radiao e por conveco, respectivamente. O valor obtido para a temperatura dos gases na

    ante-fornalha foi de 1085 K. No feixe tubular a potncia trmica transferida por conveco

    foi de 2559 kW tendo-se obtido o valor de 240C para a temperatura de exausto dos gases

    pela chamin. As perdas para o exterior foram estimadas em 1,5 %.

  • iv

    O balano global de energia caldeira indicou um peso para a potncia transferida por

    conveco de 86,3% e para a potncia transferida por radiao de 13,6%.

    O rendimento da caldeira foi calculado pelo mtodo das perdas tendo-se obtido o valor de

    39%.

    Palavras-Chave

    Caldeira, radiao, conveco, comportamento trmico, ante-fornalha

  • v

    Abstract

    The boilers are extremely important equipment in most Portuguese industries. It is

    common practice projects boilers having only calculations of material or structural, never

    addressing the thermal issues affecting them. In this context arises the present work had as

    main objective to study and model the thermal behavior of a forest biomass fired boiler.

    The boiler in question is a boiler fire tubes with preliminary furnace fed with biomass and

    operating pressure 10 bar.

    The first part of the work was done in all the information to the constructive aspects of

    boiler and the operating conditions thereof, through consultation of your project.

    The study of the thermal behavior of the boiler was divided into 2 parts: the modeling of

    the thermal behavior followed ante-furnace modeling the thermal behavior of the tube

    bundle.

    In the furnace before it was assumed that the heat would be transferred from the gas to the

    walls thereof by convection and radiation, having Hottel method used to model the heat

    transfer by radiation. In tube bundle heat transfer by radiation is neglected, and it is

    considered only heat transfer by conduction and convection between the hot gases and the

    water.

    The results show that in the outer furnace, the weight of the power transferred by radiation

    (96%) is much higher than the power transferred by convection (4%), yielding the values

    of 384,8 kW and 16,0 kW for thermal power transferred by radiation and convection,

    respectively. The value obtained for the gas temperature in the outer furnace was 1085 K.

    The tube bundle thermal power transferred by convection was 2559 kW having obtained

    the 240C value for the exhaust gas temperature by the fireplace. The losses to the exterior

    has been estimated at 1,5%.

    The global balance of power to the boiler indicated a weight to power transferred by

    convection 86,3% and the power transferred by radiation of 13,6%.

  • vi

    The boiler efficiency was calculated by the method of loss yielding a value of 39%.

    Keywords

    Boiler, radiation, convection, termal furnace, ante-furnace

  • vii

  • viii

    ndice

    1. INTRODUO ..................................................................................................................................... 19

    1.1. CONTEXTUALIZAO ...................................................................................................................... 19

    1.2. OBJECTIVOS .................................................................................................................................... 24

    1.3 ORGANIZAO DO RELATRIO ........................................................................................................ 25

    2. CARACTERIZAO DA CALDEIRA ............................................................................................. 26

    2.1 FUNCIONAMENTO DA CALDEIRA ........................................................................................................... 27

    2.2 DADOS DO PROJECTO DA CALDEIRA ..................................................................................................... 28

    2.2.1 Ante-fornalha ................................................................................................................................. 28

    2.2.2 Tubo de fogo ................................................................................................................................... 30

    2.2.3 Feixe tubular .................................................................................................................................. 30

    3. COMBUSTO DA BIOMASSA FLORESTAL ................................................................................. 32

    3.1 CLCULOS ESTEQUIOMTRICOS DA COMBUSTO NA ANTE-FORNALHA .................................................. 33

    3.2 COMBUSTO COM EXCESSO DE AR .......................................................................................................... 34

    3.3 TEMPERATURA ADIABTICA DE QUEIMA ................................................................................................ 35

    3.4 PODER CALORFICO (PCI) ....................................................................................................................... 36

    4. MODELAO DO COMPORTAMENTO TRMICO DA CALDEIRA .... .................................. 37

    4.1 ESTUDO DO COMPORTAMENTO TRMICO NO INTERIOR DA ANTE-FORNALHA .......................................... 37

    4.1.1 Determinao da temperatura da parede da ante fornalha .............................................................. 41

    4.1.2 Determinao do coeficiente de conveco da gua ...................................................................... 42

    4.1.3 Determinao do coeficiente de conveco do gs ........................................................................ 43

    4.2 MODELAO DO COMPORTAMENTO TRMICO NO FEIXE TUBULAR ......................................................... 45

    4.2.1 Determinao da temperatura dos gases sada da chamin .......................................................... 45

    4.2.2 Coeficiente de conveco por ebulio .......................................................................................... 47

    5. RESULTADOS ........................................................................................