Dimensionamento Gerador de Vapor
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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
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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.
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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
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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.
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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.
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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
! " #$% &
% ( )* (
+,-
-
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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.
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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.
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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.
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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,%$2) G
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8. DIMENSIONAMENTO DA FORNALHA
O dimensionamento da fornalha consiste em determinar qual o calor liberado
pelo combustvel dentro da fornalha a partir das disposies dos tubos da parede
dgua. Para isso, considera-se que o calor transferido ocorre quase totalmente por
radiao, usando uma emissividade combinada para le var em conta a conveco.
O calor irradiado depende da superfcie irradiada e da temperatura mdia dos
gases. Para determinar a temperatura mdia dos gases, admitiu-se que ela fosse
igual temperatura real de sada dos gases da cma ra. Por processos iterativos,
essas temperaturas foram convergidas e os outros parmetros foram sendo
alterados at que o calor necessrio para levar a gua at o estado de vapor
saturado fosse atingido.
Os resultados foram os apresentados na tabela abaixo:
TABELA 11- RESULTADOS DA FORNALHA
@2/ I 2D$ (3(& /< J/F I (( %%I ("7
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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
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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
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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
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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
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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
-
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FIGURA 6 - REPRESENTAO DO SUPERAQUECEDOR COM OS 6 PASSES
-
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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
-
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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
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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
?
-
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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
-
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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:
-
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TABELA 38 - DADOS NECESS`RIOS PARA C`LCULO DE TGS
D$ I ("7 25) ; ""
22 ) ; 3"3 %!$55E % (
5 ! I (( %!$5E "
2
-
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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%.
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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