AVALIAÇÃO DA CIRCULAÇÃO NATURAL NA TUBULAÇÃO DE ÁGUA EM UNIDADES GERADORAS DE VAPOR AQUOTUBULARES

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1 CONVÊNIOS CNPq/UFU & FAPEMIG/UFU Universidade Federal de Uberlândia Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação DIRETORIA DE PESQUISA COMISSÃO INSTITUCIONAL DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA 2008 UFU 30 anos AVALIAÇÃO DA CIRCULAÇÃO NATURAL NA TUBULAÇÃO DE ÁGUA EM UNIDADES GERADORAS DE VAPOR AQUOTUBULARES Felipe Tannús Dórea 1 Universidade Federal de Uberlândia, Av. João Naves de Ávila, Campus Santa Mônica - Bloco 1M - Uberlândia/MG CEP: felipemectd@yahoo.com.br Oscar Saul Hernandez Mendoza 2 Universidade Federal de Uberlândia oscarhm@mecanica.ufu.br Resumo: O escoamento da água em geradores de vapor aquotubulares é garantida principalmente, pela circulação natural, dada pelos tubos com menor carga térmica ou até mesmo externos ao invólucro principal do gerador. Que conforme ocorre à geração de vapor, promove o direcionamento da água do coletor superior aos diferentes pontos da tubulação do gerador. Devido à complexa rede de tubulações utilizadas para suportar e promover a queima tem ocorrido casos nos quais a circulação de água torna-se deficiente, principalmente para geradores que operam a pressão mais alta, de forma a danificar a integridade estrutural do material dos tubos, que vai desde o aparecimento de trincas ao rompimento completo do tubo, forçando a parada da unidade e custos de manutenção onerosos. O presente trabalho tem como objetivo o estudo da estrutura do software OpenFOAM assim como o estudo da circulação natural de água em geradores de vapor aquotubulares de modo a viabilizar a implementação da geometria de uma caldeira aquotubular no software OpenFoam, após a realização de ensaios experimentais na caldeira para que se tenha dados de temperatura e pressão que viabilizem a simulação numérica do escoamento. Palavras-chave Simulação Númerica, OpenFOAM, Geradores de vapor aquotubulares. 1. INTRODUÇÃO Caldeiras são trocadores de calor, complexos que produzem vapor de água sob pressões superiores a atmosférica a partir de energia exotérmica de um combustível e de um elemento comburente, ar. Constituída de equipamentos associados entre si, perfeitamente integrados a fim de permitir o melhor rendimento térmico possível. Os geradores de vapor podem ser classificados em duas grandes categorias: Geradores Flamotubulares: Estes geradores se caracterizam pela passagem dos gases de combustão no interior dos tubos, além de carregarem uma grande quantidade de água no interior de um invólucro ou casco, dentro do qual se encontram também as fornalhas, câmaras de combustão e tubos vaporizadores. Geradores Aquotubulares: Estes geradores se caracterizam pela circulação da água no interior dos tubos do gerador, e foi devido ao seu advento que possibilitou a produção de maiores produções de vapor, a pressões elevadas e altas temperaturas. A circunstância dos tubos estarem situados fora do corpo da caldeira, e estarem unidos para constituir um feixe tubular de água que compõe a parte principal de absorção do calor, permitem a obtenção de superfícies de aquecimento praticamente ilimitadas. 1 Acadêmico do curso de graduação em Engenharia Mecânica 2 Professor da Faculdade de Engenharia Mecânica e orientador do trabalho

2 Os geradores de vapor aquotubular se caracterizam pelas elevadas produções de vapor, em torno de 650 tv\h, e elevadas pressões de trabalho até 250 BAR (PÊRA,1991). Os geradores de vapor flamotubular por sua vez se caracterizam pela produção máxima de vapor, em torno de 20 tv/h, e pressões de trabalho de até 25 BAR (TORREIRA, 1995). A limitação destes geradores de vapor está nos aspectos estruturais e econômicos no que tange a fabricação dos invólucros. O escoamento da água nestes geradores de vapor é mantido principalmente, pela circulação natural dada pelos tubos com menor carga térmica ou até mesmo externos ao invólucro principal do gerador. Que conforme ocorre à geração de vapor, promove o direcionamento da água do coletor superior aos diferentes pontos da tubulação do gerador, conforme esquematizado na figura 1. Figura 1: Esquema da circulação Natural nos geradores de vapor aquotubulares. Os geradores de vapor aquotubulares possuem como característica uma grande quantidade de tubos de troca de calor dispostos em diferentes formas, a fim de melhorar a troca de calor, no entanto, além da troca de calor esses tubos também possuem o papel estrutural, uma vez que mantêm a pressão do vapor de água, delimitam a câmara de combustão e direcionam o fluxo de gases pelo gerador. Este papel estrutural é mantido principalmente pelo escoamento da água ou mistura de água e vapor, uma vez que, este escoamento acaba mantendo a temperatura da parede do tubo dentro de limites aceitáveis, de forma a evitar a fadiga térmica do material ou até mesmo a ruptura do tubo. 2. MÉTODO UTILIZADO 2.1 Estudo da estrutura do software de CFD, OpenFOAM: Resolução numérica do escoamento sobre a cavidade laminar Para o estudo do software de dinâmica dos fluidos OpenFOAM, foi resolvido numericamente um caso de escoamento laminar sobre uma cavidade quadrada. É descrito abaixo o pré-processamento e o pós-processamento deste problema envolvendo um fluxo isotérmico, incompressível em um domínio bi-dimensional. A tampa da cavidade se move na direção x com uma velocidade de 1m/s e as outras três faces são estacionárias. O escoamento é assumido como laminar e é resolvido com uma malha uniforme usando o solver icofoam para o fluxo laminar, isotérmico e incompressível. A geometria é mostrada na figura

3 Figura 2.1: Geometria da cavidade sobre a qual ocorre o escoamento Pré-Processamento Geração da Malha: O OpenFoam é um software feito para resolver escoamentos tridimensionais, portanto quando se quer resolver escoamento bidimensionais, deve-se definir a coordenada Z como zero, o domínio da cavidade consiste de um quadrado de lado = 0.1m no plano x-y, inicialmente utiliza-se um domínio discretizado de 20 por 20 células para gerar a malha utilizando a função blockmesh. Condições Iniciais e de Contorno: Uma vez que a malha foi gerada deve-se definir as condições de contorno do problema que é definir quais são as paredes fixas e móveis da cavidade e quais são as paredes de frente e de trás da cavidade o que é feito abrindo a pasta Patches e definindo a tampa da cavidade como uma parede móvel, e as outras partes da cavidade são paredes fixas. Condições Iniciais: Após definir as condições físicas do escoamento, são definidas as condições iniciais o que é feito fixando o valor constante de 1m/s para U. 2.2.Estudo do processo de circulação em geradores de vapor aquotubulares: Avaliação da Circulação em Geradores de Vapor Aquotubulares Os aços aplicados na construção das caldeiras expostas aos gases quentes precisam ser continuamente resfriados por água ou mistura água-vapor para conservarem suas qualidades de resistência. Até uma determinada temperatura, denominada temperatura limite, estes materiais conservam suas propriedades mecânicas. Ultrapassado o limite, as propriedades começam a sofrer precipitada queda. A temperatura limite para os aços carbonos comuns, qualificados para a construção de caldeiras é 450 C; aços martensíticos de composição básica 0,38% C- 7%Cr-1% V -5,8% Mo-5%Co são ligas resistentes à temperatura limite de 590 C, outras ligas martensíticas alcançam o limite de 650 C. Em determinadas regiões de uma caldeira, os produtos da combustão podem alcançar temperaturas bem superiores aos limites citados. O resfriamento da superfície metálica que é submetida a tais temperaturas é vital para a segurança do equipamento. Cabe a água este papel, seja no estado líquido, seja vapor, mediante uma circulação permanente, controlada e orientada a que se convencionou chamar de "CIRCULAÇÃO. A circulação é controlada pela distribuição adequada de tubulações algumas diretamente expostas a temperaturas altas, outras, completamente isoladas do circuito dos gases quentes. Estas últimas são conhecidas como tubulações de alimentação ou de descida de águas (Dow Comers). Os tubos expostos ao calor mais intenso são denominados vaporizadores ou de subida (Risers). Numa unidade convencional, atenta apenas ao dimensionamento térmico, a circulação se processa livremente, graças à tendência natural provocada pela diferença de pesos específicos existentes entre a água situada nas partes mais frias da caldeira e aquela contida nas zonas de alta temperatura dos gases. 3

4 Nas áreas de forte troca de calor, além da água, comparecem bolhas de vapor, ambos os fluidos formando uma mistura extremamente favorável à intensificação da circulação, tanto maior quanto for o calor incidente sobre a superfície tubular. É freqüente a intervenção na reformulação da circulação das caldeiras, como se o processo fosse garantido pelo acréscimo indiscriminado de grande número de tubos alimentadores. Entretanto, inúmeros são os fatores que intervem no processo, sejam os de natureza geométricas como as operacionais. A relação entre o peso de água que circula nos tubos alimentadores e o peso do vapor gerado denomina-se fator de circulação. Todas as caldeiras possuem um fator de circulação. Na maioria dos exemplos construtivos de média e baixa pressão de vapor, por razões práticas e econômicas, os alimentadores são os próprios tubos que compõe a superfície de troca de calor. A circulação da água, nestas concepções se fundamentaram em regras empíricas. Submetidas aos modernos cálculos de circulação exibem fatores sobremaneira exagerados que até comprometem o processo. É comum constatar-se num mesmo tubo, fluxos ascendentes na sua periferia e descendente no seu interior a ponto de provocar o fenômeno "free-level" que consiste na paralisação da circulação. A circulação por efeito da razão entre os pesos específicos da mistura água vapor, fica mais comprometida à medida que a pressão se eleva. Evidentemente, o efeito das diferenças de pesos específicos passa a ser cada vez menos útil a circulação. A pressão crítica, esta diferença se anula e deixa de existir qualquer possibilidade de circulação natural. Daí se infere que a circulação controlada por meios forçados é um imperativo nas caldeiras de altíssimas pressões Estudo da Circulação Várias publicações são dedicadas ao estudo da circulação natural na tubulação dos geradores de vapor aquotubulares, dos quais Adam, E.J., Marchetti J.L. (2000), Astrom, K.J., Bell,R.D. (2000) e Ganapathy,V (1998) dedicara-se a modelar a circulação natural nestes geradores de forma não somente a avaliar pontos de ruptura mais também estabelecer um mecanismo eficiente de controlar o nível de água de acordo com as condições de demanda de cargas nos geradores de vapor, a fim de propor novas alternativas de controle, permitindo avaliar diferentes procedimentos de segurança. Em princípio, os autores analisam um circuito singelo, composto de um tambor superior e um único circuito em U, exemplo típico de um processo real que recebe no trecho frontal a incidência de forte participação do calor do combustível e no trecho posterior menor incidência da energia calorífica. O circuito apresentado é fechado. Por conseguinte, a massa de água que flui no circuito descendente (Dow Comers) é exatamente igual a massa da mistura água-vapor que sobe no tubo aquecido (risers). A diferença entre os pesos específicos da coluna de água e da mistura água-vapor, provoca a circulação pela carga gravimétrica e esta deve vencer as resistências hidráulicas do circuito. O fenômeno da circulação, entretanto é mais complexo do que a simples formulação anterior. Para prosseguirem na análise do comportamento singelo proposto, os autores introduzem simplificações perfeitamente exeqüíveis: 1 - consideram a admissão homogênea de calor na extensão do tubo aquecido (Risers) 2 - estabelecem o peso específico da mistura água-vapor formada nos tubos vaporizadores pela média logarítmica 3 - averiguam as cargas gravimétricas pela diferença dos pesos específicos dos fluidos participantes em função da velocidade. 4

5 Em base a esta metodologia, estabelece a configuração dos tubos de descendentes e os possíveis pontos de deficiências de circulação. Dependendo da configuração da tubulação nos geradores de vapor esses procedimentos são exaustivos, necessitando assim da implementação de códigos computacionais para considerar as diferentes configurações. Observa-se, que os autores estabelecem uma condição de carga homogênea de calor, o que muita das vezes, não é uma realidade, desta forma, torna-se importante além da análise do escoamento no interior dos tubos, determinar as cargas térmicas de combustão nas diferentes regiões da fornalha, a fim aperfeiçoar não somente a circulação, como também a aerodinâmica da combustão. 3.RESULTADOS 3.1.Pós-Processamento e resultados: O pós-processamento do problema foi realizado utilizando o PARAVIEW (pacote do software OpenFOAM responsável por gerar a visualização da malha, do campo de velocidades e pressão do escoamento). (a) (b) Figura 3.1 Distribuição de Pressão no domínio da cavidade O campo de pressão como visualizado na figura 3.1a, parece continuo, pois é feito uma interpolação entre as células da malha, a figura 3.1b mostra o campo de pressões sem a interpolação célula por célula. Para a visualização da velocidade do escoamento é interessante utilizar vetores glyph que são vetores localizados no centro de cada célula, pra visualizar o campo de velocidades U, como demonstrado abaixo pela figura

6 Figura 3.2. Perfil de velocidades no domínio da cavidade 4.DISCUSSÃO E CONCLUSÃO No presente trabalho foi estudado a estrutura do software de CFD OpenFOAM, a partir da resolução numérica do escoamento sobre uma cavidade quadrada (Lid-driven cavity flow) e realizado uma análise do escoamento de água em geradores de vapor aquotubulares. As simulações numéricas resultaram em resultados coerentes com as condições iniciais e de contorno implementadas, obtendo velocidade máxima de 1m/s na tampa deslizante. Como trabalhos futuros estuda-se a possibilidade de implementar o circuito real de uma caldeira aquotubular à Diesel da marca Conterma, tipo D, de 4500Kgvapor/h e máxima pressão de trabalho de 1520 kpa, disponível no Núcleo de Excelência em Geração Termelétrica e Distribuída NEST. Para isso é necessário instrumentar a caldeira, para que se possa medir a temperatura em pontos específicos dos tubos e subida e descida e assim com os dados experimentais validar a simulação numérica do escoamento nos tubos de subida (risers) e descida (dow comers). 5. AGRADECIMENTOS À Fapemig pelo suporte financeiro que possibilitou a realização deste trabalho. 6. REFERÊNCIAS Adam, E.J., Marchetti J.L., 2000, Dynamic simulation of large boilers with natural recirculation Computers and Chemical Engineering 23 (1999) Astrom, K.J., Bell, R.D. Drum-boiler dynamics Automatica 36 (2000) Ganapathy, V. 1998, Boiler circulation calculations, Heat Transfer, 1998 OpenFOAM UserGuide, Version 1.3, 28 th March 2006 Pera, H., 1991, Geradores de Vapor: um compêndio sobre a conservação de energia com vistas à preservação da ecologia, Fama, São Paulo. Torreira, R. P. 1995, Geradores de Vapor, Companhia Melhoramentos, São Paulo. Xu, M., Azevedo, J.L.T., Carvalho, M.G., 2000,.Modelling of the Combustion process and NOx emission in a Utility Boiler., Fuel, Vol. 79, pp

7 EVALUATION OF THE NATURAL MOVEMENT OF WATER IN STEAM- GENERATING AQUOTUBULARES Felipe Tannús Dórea Federal University of Uberlândia - FEMEC felipemectd@yahoo.com.br Oscar Saul Hernandez Mendoza Federal University of Uberlândia - FEMEC oscarhm@mecanica.ufu.br Abstract: The flow of water into steam generators aquotubulares is guaranteed mainly by the natural movement given by tubes with lower thermal load or even outside the casing primary generator. What happens as the generation of steam, promotes the direction of the water above the collector of different points of the generator tubing. Due to complex network of pipes used to support and promote burning, cases have occurred in which the movement of water becomes deficient, especially for generators that operate the pressure higher, in order to damage the structural integrity of the material of the pipes, that extends from the appearance of cracks to complete rupture of the tube, forcing the interruption of the unit and costly maintenance. This paper aims at studying the structure of the software OpenFOAM as well as the study of the natural movement of water in steam generators aquotubulares as to enable the implementation of the geometry of a boiler aquotubular in the software OpenFoam, after the completion of tests on boiler so that has data of temperature and pressure that allow the numerical simulation of the flow. Keywords: Numerical Simulation, OpenFOAM, steam generators. 7

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