MEC010 –TRANSFERÊNCIA DE CALOR Projeto: … · de uma caldeira de recuperação ... Componentes da Caldeira de Recuperação. Balanço de energia nos trocadores de calor 1. Regime

MEC010 MEC010 –– TRANSFERÊNCIA DE CALORTRANSFERÊNCIA DE CALOR

Projeto:Projeto:Dimensionamento dos trocadores Dimensionamento dos trocadores de de calor calor

de uma de uma caldeira caldeira de de recuperaçãorecuperação

Prof. Dr. Washington Orlando Irrazabal Bohorquez

de uma de uma caldeira caldeira de de recuperaçãorecuperação

Grupos formados por quatro alunos da disciplina

CaldeiraCaldeira dede RecuperaçãoRecuperação::

RecuperarRecuperar aa energiaenergia contidacontida nosnos gasesgases dede exaustãoexaustão dedeumauma turbinaturbina aa gásgás parapara produçãoprodução dede vaporvapor útilútil

1. Introdução:a. Descrição da caldeira de recuperação;b. Trocadores de calor (economizador, evaporador e

superaquecedor);c. Aplicação.

2. Modelagem matemática: balanço de energia, efetividade, área de troca.a) Economizador;b) Evaporador;c) Superaquecedor;d) Equações para cálculo das propriedades

termodinâmicas dos gases e água/vapor.

3. Parâmetros de operação e projeto.

4. Resultados:a) Vapor produzido: vazão (kg/s);b) Temperatura (oC);c) Pressão (kPa);d) Efetividade dos trocadores de calor;e) Área de troca (m2).e) Área de troca (m2).

5. Conclusões e comentários.

Componentes da Caldeira de Componentes da Caldeira de RecuperaçãoRecuperação

Balanço de energia nos trocadores de calorBalanço de energia nos trocadores de calor

1. Regime permanente.

2. Continuidade: mentrada = msaída.

3. Balanço de energia (trocadores de calor).

4. As perdas de calor e pressão são desprezíveis nos

. .

2 1P P

g vQ Q

4 3P P

4. As perdas de calor e pressão são desprezíveis nos componentes.

Cálculo das propriedades Cálculo das propriedades termodinâmicas do termodinâmicas do ciclo vaporciclo vapor

The International Association for the Properties of Water and Steam – IAPWS (Set 97)

Propriedades termodinâmicas da Propriedades termodinâmicas da água/vaporágua/vapor

1- Líquido comprimido.2- Vapor superaquecido.3- Vapor saturado.4- Linha de saturação.5- Vapor superaquecido em

altas temperaturas.


Aplicando o princípio de conservação de energia para cada componente da caldeira Aplicando o princípio de conservação de energia para cada componente da caldeira

de recuperação:

SPH:

g VQ Q 21Pgg TTCmQ v v 4 3Q m h h

4 4 4h f T ,P 3 3,sath f P

EVA: 4 4,sath f P 3 3,sath f P

Vapor superaquecido.

Vapor saturado

ECO: 4 4,sath f P 3 3 3h f T ,PLíquido saturado Líquido comprimido

Estações: circuito quente (gás): 1 – entrada; 2 – saídaEstações: circuito frio (água/vapor): 1 – entrada; 2 - saída

Vapor superaquecido.

Líquido saturado


Propriedades termodinâmicas dos GasesPropriedades termodinâmicas dos Gases

São determinadas usando polinômios apresentados por McBride et al., 1993, ecoeficientes empíricos dos polinômios da Tabela de JANAF.


Propriedades termodinâmicas dos Propriedades termodinâmicas dos gasesgases

i

24

gas gas ii 1

W F M

Massa Molecular, Cp, Entalpia dos Gases de exaustão da TG:

i

240 2 3 4P 1 2 3 4 5 i gas

i 1

C (T) {R(a a T a T a T a T ) } F

i

2 3 4240 1

1 2 3 4 5 gasi 1

i

bT T T Th (T) RT a a a a a F

2 3 4 5 T

Parâmetros da Caldeira de RecuperaçãoParâmetros da Caldeira de Recuperação

SUPHEVAP

Figura: Representação do Pinch Point e temperaturas de aproximação

• Os valores destes parâmetros: o pinch point e as temperaturas de aproximaçãorefletem no tamanho da caldeira de recuperação.

• Para valores pequenos, há necessidade de grandes superfícies de troca de calor,junto a um alto custo de investimento inicial.

SUPHECON

Tabela: Recomendação do valor do Pinch Point e das temperaturas de aproximação segundo Babcock & Wilcox, 1992.

Parâmetros da Caldeira de RecuperaçãoParâmetros da Caldeira de Recuperação

• Sabe-se que o valor do pinch point adotado num projetoocasiona um impacto direto na quantidade de vapor gerado.

sub coolingT 2 a 5 ( C)

Tabela 1. Valores da pressão, temperatura e vazão mássica dos gases quente e do circuito água/vapor.

FLUIDO

Pressão kPa

Temp oC

Vazão kg/s

FLUIDO

Pressão kPa

Temp oC

Vazão kg/s

∆T_SPH [oC] ∆T_PP [

oC] ∆T_Econ [

25,0

4,0

USPH [kW/m2 o

C] UEVAP [kW/m2oC]

0,04250 0,08650

ASPH [m2] AEVAP [m2] AECON [m


Circuito do GÁS

Ponto 1 Ponto 2 Ponto 3 Ponto 4

104,4 104,4 104,4 104,4

608,3

68,16 68,16 68,16 68,16

Circuito da Água/Vapor

Ponto 5 Ponto 6 Ponto 7 Ponto 8

8500 8500 8500 8500

40

10,373 10,373 10,373 10,373

∆T_Econ [oC] SPH [-] EVAP [-] ECON [-]

UECON [kW/m2o

C] QSPH [kW] QEVAP [kW] Q

0,04543

[m2]


QECON [kW]

CASO A:

Informações:

1-) Gases quente: �̇� = 68,16 [��

�] ; �� = 608,3 [ �� ] ; �� = 104,4 [��]; Frações molares: (Ar=8,900E-03;

N2=7,138E-01; O2=1,310E-01; CO2=4.190E-02; H2O(v)= 1,044E-01)

2-)Superaquecedor: ∆T_SPH = (T1-T8) = 25 [oC], USPH= 0,04250 [kW/m

2 oC]

3-) Evaporador: �̇� = 10,373 [��

�]; UEVAP = 0,08650 [kW/m2oC]

4-) Economizador: �̇� = 10,373 [��

�] ; �� = 40 [ �� ] ; �� = 8500 [��];∆T_Econ= (T7,sat – T6) = 4 [

oC]; UECON =

0,04543 [kW/m2o

C]

CASO B:

Informações:

1-) Gases quente: �̇� = 68,16 [��

�] ; �� = 608,3 [ �� ] ; �� = 104,4 [��]; Frações molares: (Ar=8,900E-03;

N2=7,138E-01; O2=1,310E-01; CO2=4.190E-02; H2O(v)= 1,044E-01)

2-)Superaquecedor: ∆T_SPH = (T1-T8) = 20 [oC], USPH= 0,04250 [kW/m

2 oC]

3-) Evaporador: �̇� = 10,723 [��

�]; UEVAP = 0,08650 [kW/m2oC]

4-) Economizador: �̇� = 10,723 [��

�] ; �� = 30 [ �� ] ; �� = 2500 [��];∆T_Econ= (T7,sat – T6) = 3[

oC]; UECON =

0,04543 [kW/m2o

C]

Instruções:

1. Calcular as temperaturas (lado gás e lado água/vapor), os calores trocados e efetividades de cada

trocador de calor da caldeira de recuperação.

2. Vantagens e desvantagens sob o ponto de vista do pinch point, vazão de vapor, áreas (custo), e pressão

de operação da caldeira.

Observação: lembre se que os valores de U para cada trocador de calor são adotados, valores podem ser

determinados das resistências térmicas de convecção, condução, mas envolve todo o conhecimento de

espessuras, material, velocidades dos fluidos, etc.

MEC010 - Transferência de Calor Período: 2014-3

Projeto: Trocadores de Calor de uma Caldeira de Recuperação

Grupos: 4 alunos por cada grupo

Apresentação: Relatório Audiovisual

GRUPO 1

Aluno (a): CLÁUDIO MOISÉS ANDRADE DOS SANTOS FILHO

Aluno (a): EMANUEL FERREIRA E SOUSA

Aluno (a): FERNANDO AUGUSTO ASSUMPÇÃO DE CASTRO

Aluno (a): FERNANDO TEIXEIRA DA SILVA

GRUPO 2

Aluno (a): ALEKSANDRO ROGER CANUTO CORREIA

Aluno (a): GABRIELLE RIBEIRO DA SILVA ROCHA

Aluno (a): TATIANE CRISTINA ARANTES MATEUS

Aluno (a): VANESSA FAGUNDES DE MELO

GRUPO 3

Aluno (a): CIRO GUEDES FELLET

Aluno (a): KLEBER CAMILO SEVERO AGUIAR

Aluno (a): LUCAS DE SIQUEIRA GABRIEL

Aluno (a): VICTOR GORETTI AGUIAR

GRUPO 4

Aluno (a): THIAGO AMARAL DA CRUZ

Aluno (a): VITTOR HUGO GONÇALVES

Aluno (a): ---------------------------------------------------------------------------------------------------------

Aluno (a): ---------------------------------------------------------------------------------------------------------

GRUPO 5

Aluno (a): CÁSSIO DANELON DE ALMEIDA

Aluno (a): GUILHERME LIMA MIRANDA GONÇALVES FAGUNDES

Aluno (a): IAGO JOSÉ VITRAL REZENDE LOPES

Aluno (a): KENEDY GUEDES FERNANDES JÚNIOR

GRUPO 6

Aluno (a): AUGUSTO VILELA MACHADO

Aluno (a): GUILHERME ARIEL FERREIRA

Aluno (a): TAMARA FERNANDA TORRES DE OLIVEIRA MARTINS

Aluno (a): THIAGO REIS DE ALMEIDA

GRUPO 7

Aluno (a): ALEXANDRE JUSTE LOPES

Aluno (a): LEONARDO ARAUJO SERAPIÃO

Aluno (a): LUIZ PHELIPE SOTERO

Aluno (a): MARCOS VINICÍUS SALOMÃO ZANETTE

GRUPO 8

Aluno (a): PEDRO HENRIQUE FIDÉLIS GONÇALVES

Aluno (a): TATIANA DE LIMAS SANTOS

Aluno (a): THIAGO AMORIM VIEIRA

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