Geração de Vapor

Transferncia de Calor em Geradores de Vapor

18:53 2

Consideraes gerais

O dimensionamento trmico das paredes dgua e dos feixes de tubos deve: Minimizar investimentos em material Otimizar o aproveitamento da energia disponvel

No projeto de Geradores de vapor a simples aplicao dos fundamentos bsicos de transferncia de calor no suficiente, em conseqncia principalmente de: Configuraes irregulares Elevado nmero de variveis envolvidas no processo

18:53 3

Consideraes gerais

Apesar das dificuldades, resultados satisfatrios so possveis de serem obtidos mediante a combinao dos fundamentos bsicos e cientficos com informaes empricas, disponveis na bibliografia especializada

O tratamento dado ao problema vai depender do tipo de fornalha e do tipo de gerador de vapor

18:53 4

Temperatura dos gases na cmara de combusto

Temperatura adiabtica (terica)gsQ&

arQ&

lcombustveQ& combustonageradoQ&

Fornalha

cinzaQ&

1a Lei da Termodinmica

cinzagslcombustvearcombustonagerado QQQQQ &&&&& +=++

cinzagslcombustvearcombustonagerado QQQQQ &&&&& +=++PciBQ combustonagerado .=&

( )ambararrarar TTCpVBQ = ..&( )ambcombcomblcombustve TTCpBQ = .&

( )ambfgrgsgs TTCpVBQ = ..&[ ] ( )ambfczcinza TTCpCzBQ = ..&

lcombustvearcombustonageradodisponvel QQQQ &&&& ++=

18:53 6


Temperatura adiabtica (terica)

( ) ( )[ ] czgrg

ambcombcombambararr

arambf CpCzCpV

TTCpTTCpVPciTT..

.+

+++=

[ ] czgrgd

ambf CpCzCpVqTT

.. ++=B

Qq dd&=

Qd = calor disponvel na fornalha.


Temperatura real Em condies reais de funcionamento a radiao e a

conveco tornam a temperatura real bastante inferior temperatura adiabtica

arQ&

lcombustveQ&

gsQ&

cinzaQ&combustonageradoQ&

Fornalha

radiaoQ& paredepelaperdidoQ&

1a Lei da Termodinmica

paredepelaperdidoradiaocinzags

lcombustvearcombustonagerado

QQQQQQQ

&&&&&&&

+++=++

18:53 8


Temperatura real

[ ] czgrgprd

ambf CpCzBCpVBQQQ

TT.... +

+=&&&

( ) ( )[ ] czgrg

prambcombcombambararr

arambf CpCzBCpVB

QQTTCpBTTCpVBPciBTT

........

++++=

&&

Qr = calor trocado por radiao com as paredes dguaQp = calor perdido pelas paredes, combustvel no queimado, etc.

.

.

18:53 9

Calor irradiado na cmara de combusto

O clculo bastante complexo Uma estimativa razovel pode ser obtida por:

( )44... pfir TTSQ &Qr = calor trocado por radiao com as paredes dgua = constante de Stefan-Boltzman ( = 5,67x10-8 W/m2.K4)= emissividade combinadaSi = superfcie irradiada (m2)Tf = temperatura da cmara de combusto (K )Tp = temperatura da parede (K )

.

18:53 10

Emissividade

Depende do tipo de combustvel Do teor de CO2 e H2O nos gases da combusto Das temperaturas envolvidas Do material que compe as superfcies Resultados experimentais mostram que:

Para combustveis convencionais a emissividade varia de 0,75 a 0,95 sendo os valores mais altos em fornalhas a leo

Carvo betuminoso, linhito e madeira apresentam emissividades entre 0,55 e 0,80

18:53 11

Temperatura da parededos tubos

Determinada atravs de clculos sucessivos, considerando: A resistncia trmica imposta pela parede dos tubos A resistncia trmica relativa ao processo de conveco

+

+=

iii

e

tt

rvp dhd

dkNL

QTT.1ln1

...2&

kt = condutividade trmica dos tubosde = dimetro externo dos tubosdi = dimetro interno dos tuboshi = coeficiente interno de transferncia de calor

Tv = temperatura do vaporQr = calor trocado por radiao com as paredes dguaL = comprimento dos tubosNt = nmero de tubos

.

18:53 12

Superfcie de irradiao A superfcie de irradiao corresponde rea projetada:

De feixes tubulares De paredes dgua visveis s chamas

ippi SfS .= fp = fator de correoSip = superfcie projetada O valor de fp pode ser obtido de grficos e tabelas

disponveis na bibliografia recomendada. Paredes dgua com uma fileira de tubos

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

18:53 13


A temperatura dos gases na cmara de combusto determinada por processo iterativo

( ) [ ] ( )[ ] czgrg

prambczczambararr

arambf CpCzBCpVB

QQTTCpCzBTTCpVBPciBTT

.........

++++=

&&

+

+=

iii

e

tt

rvp dhd

dkNL

QTT.1ln1

...2&

( )44... pfir TTSQ &

Aproveitamento da energia do combustvel

fT

1T 2T 3T

chT

Paredes dgua

Superaquecedor

Caldeira Economizador

Pr-aquecedor de ar

Chamin

Fornalha


Forna

lha

C

o

m

b

u

s

t

v

e

l

Ar

Supe

raque

cedor

Calde

ira

Econ

omiza

dor

Pr-aq

ueced

or de

ar

Chamin

Pare

de d

gu

a

Gs

GsGs

fT 3T2T1TchT

ambT

arT

combT

vsah vh

lah lh

18:53 16


( ) ( ) sfgrgvvsa TTCpVBhhD .... 1=Superaquecedor( ) ( ) cgrgrlav TTCpVBQhhD .... 21 = &Caldeira

( ) ( ) egrglla TTCpVBhhD .... 32 =EconomizadorPr-aquecedor de ar

( ) ( ) achgrgambaratrar TTCpVBTTCpVB ...... 3 =

18:53 17

Feixes tubularesDimensionamento trmico

321

1.RRR

AU ++=TmlAUQ = ..&

t

i

e

kLdd

R...2

ln

2 =ii hLdR

...1

1 = ee hLdR ...1

3 =

2

1

21

lnTT

TTTml

=

18:53 18

Feixes tubularesDimensionamento trmico

2

1

21

lnTT

TTTml

=

Para fluxos paralelos Para fluxos cruzados

ee TfTqT = 1 se TfTqT = 1es TfTqT = 2ss TfTqT = 2

18:53 19

Coeficiente de transferncia de calor interno

Para gua em ebulio, o coeficiente de conveco varia numa faixa bastante ampla (5000 a 25000 W/m2.K) Valores suficientemente altos a ponto de no

influenciar sensivelmente os clculos de transferncia de calor

18:53 20


Para gua, vapor, ar ou gases Equao de Dittus e Boelter

nrPeRNu ..023,0 8,0= Equao de Sieder e Tate

14,0

n = 0,4 para aquecimenton = 0,3 para resfriamento

318,0 ...027,0

=

p

rPeRNu

Podem apresentar erros de at Podem apresentar erros de at 25%25%

18:53 21


Equao de Petukhov n = 0,11 para Tp > Tmn = 0,25 para Tp < Tmn = 0 para gases

n

p

m

rPf

rPeRfNu

+

=

.187,1207,1

..8

322

1Propriedadesavaliadas na Tf = 2

mp TT +

( ) 210 63,1log82,1 = eRf0,5 < Pr < 200 incerteza de incerteza de 6%6%200 < Pr < 2000 incerteza de incerteza de 10%10%104 < Re < 106

400

18:53 22

Coeficiente de transferncia de calor externo

Para os gases da combusto: A resistncia trmica externa envolve o efeito

paralelo de conveco e radiao dos gases

erece hhh +=

mle

ger TLdN

Qh = ....

&Nu

dk

he

fec =

18:53 23

Conveco externa em feixes tubulares

Para ar e gases (correlao de Grimison):nm rPeRCNu ..=

Em linha Em quincncio

18:53 24


Para:2000 < Re < 40000 e Pr > 0,7

31

21 ....30,0 rPeRffNum=

Nmero de Re baseado na velocidade correspondente rea mnima de escoamento

Propriedades avaliadas na temperatura da pelcula


f1 = fator de correo que leva em conta o nmero de fileiras de tubos

f2 = fator de correo que leva em conta o arranjo de fileiras de tubos

18:53 27


Correlao de Zukauskas, vlida para:1000 < Re < 200000 e 0,7 < Pr < 500

36,063,01 ...27,0 rPeRfNu =Arranjo de tubos em linha:

Arranjo de tubos em quincncio:36,060,0

1 ...40,0 rPeRfNu =Nmero de Re baseado na velocidade correspondente

rea mnima de escoamentoPropriedades avaliadas na temperatura da pelcula


f1 = fator de correo que leva em conta o nmero de fileiras de tubos, para a correlao de Zukauskas

18:53 29

Radiao gasosa em feixes tubulares

Radiao em meio participante, ou radiao gasosa Influncia do CO2 Influncia do H2O

A anlise muito complexa Mtodo simplificado

18:53 30


[ ]44 ..... pggg TTfAQ =&Qg = calor trocado por radiao gasosa = constante de Stefan-BoltzmanA = rea de troca de calorf = fator de correo para invlucros cinzas (f = 1 para corpo negro)T = temperatura mdia dos gasesTp = temperatura da paredeg = emissividade do gs avaliada na temperatura Tg = absortividade do gs para radiao proveniente do invlucro negro na temperatura Tp

.

18:53 31


Os valores das emissividades dependem: Presso da mistura Presso parcial do gs Temperaturas envolvidas Espessura efetiva da camada de gs

18:53 32


As presses parciais so calculadas multiplicando-se o percentual em volume dos gases pela presso total da mistura

tc pCOp =

100% 2

tw pOHp =

100% 2

pc = presso parcial do CO2pw = presso parcial do H2O pt = presso total da mistura

A espessura efetiva da camada gasosa depende principalmente da geometria do invlucro

Para valores de Le no disponveis na tabela, ou na bibliografia especializada:

AVLe.485,0

Para feixes tubulares de comprimento grande:

ee

tpe dd

ssL .1

.4.85,0 2

Para invlucros cinzas:

21+= pf p = emissividade da parede

18:53 35


Os valores das emissividades so determinados por:

+= wwccg ff ..c = emissividade do CO2 ,avaliada na temperatura T e produto pc.Lew = emissividade do H2O ,avaliada na temperatura T e produto pw.Lefc = fator de correo da emissividade do CO2 para a presso desejadafw = fator de correo da emissividade do H2O para a presso desejada = correo devido presena simultnea de gases CO2 e H2O, na temperatura T

18:53 36


Os valores das absortividades so determinados por:

+

=

45,065,0

....p

wwp

ccg TTf

TTf

c = emissividade do CO2 ,avaliada na temperatura Tp e produto pc.Le.(Tp / T)w = emissividade do H2O ,avaliada na temperatura Tp e produto pw.Le.(Tp / T) = correo devido presena simultnea de gases

CO2 e H2O, na temperatura Tp

18:53 37

Emissividade do CO2 para presso total

de 1 atm

18:53 38

Emissividade do H2O, para presso total

de 1 atm

18:53 39

Fatores de correo para as emissividades

18:53 40

Correo da emissividade devido presena simultnea de CO2 e H2O

18:53 41


O calor trocado por radiao gasosa pode ser calculado, tambm, na forma indicada por Annaratone: Para o caso do CO2:

( )

=65,02,32,3

4,0 .100100

....3,9p

pecc T

TTTLpAQ&

Qc = calor trocado por radiao gasosa pelo CO2.

18:53 42


Para o caso do H2O:

( ) ( )

=m

pm

eweww

TTLpALpQ100100

......7642 6,0&

( ) 31..37,132,2 ew Lpm +=Qw = calor trocado por radiao gasosa pelo H2O.

wcg QQQ &&& +=

18:53 43

A. Caldeira B. QueimadorC. Paredes

dguaD. TubuloE. Superaquece-

dorF. EconimizadorG. Aquecedor de

arH. Chamin

18:53 44

Transferncia de Calor em Geradores de VaporConsideraes geraisConsideraes geraisTemperatura dos gases na cmara de combustoTemperatura dos gases na cmara de combustoTemperatura dos gases na cmara de combustoTemperatura dos gases na cmara de combustoCalor irradiado na cmara de combustoEmissividadeTemperatura da parededos tubosSuperfcie de irradiaoTemperatura dos gases na cmara de combustoAproveitamento da energia do combustvelAproveitamento da energia do combustvelAproveitamento da energia do combustvelFeixes tubularesDimensionamento trmicoFeixes tubularesDimensionamento trmicoCoeficiente de transferncia de calor internoCoeficiente de transferncia de calor internoCoeficiente de transferncia de calor internoCoeficiente de transferncia de calor externoConveco externa em feixes tubularesConveco externa em feixes tubularesConveco externa em feixes tubularesRadiao gasosa em feixes tubularesRadiao gasosa em feixes tubularesRadiao gasosa em feixes tubularesRadiao gasosa em feixes tubularesRadiao gasosa em feixes tubularesRadiao gasosa em feixes tubularesEmissividade do CO2 para presso total de 1 atmEmissividade do H2O, para presso total de 1 atmFatores de correo para as emissividadesCorreo da emissividade devido presena simultnea de CO2 e H2ORadiao gasosa em feixes tubularesRadiao gasosa em feixes tubulares

Documents

Geração de Vapor