Grupos formados por três alunos da disciplina. Prof. Dr. Washington Orlando Irrazabal Bohorquez

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1 MEC010 TRANSFERÊNCIA DE CALOR Projeto: Dimensionamento dos trocadores de calor de uma caldeira de recuperação Grupos formados por três alunos da disciplina Prof. Dr. Washington Orlando Irrazabal Bohorquez

2 Caldeira de Recuperação: Recuperar a energia contida nos gases de exaustão de uma turbina a gás para produção de vapor útil 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 3. Parâmetros de operação e projeto. 4. Resultados: a) Vapor produzido: vazão (kg/s); b) Temperatura ( o C); c) Pressão (kpa); d) Efetividade dos trocadores de calor; e) Área de troca (m 2 ). 5. Conclusões e comentários.

4 Componentes da Caldeira de Recuperação

5 Balanço de energia nos trocadores de calor 1. Regime permanente Continuidade: m entrada = m saída. 3. Balanço de energia (trocadores de calor). 4. As perdas de calor e pressão são desprezíveis nos componentes. Q g Q v P P 2 1 P P 4 3

6 Cálculo das propriedades termodinâmicas do ciclo vapor Propriedades termodinâmicas da água/vapor The International Association for the Properties of Water and Steam IAPWS (Set 97) 1- Líquido comprimido. 2- Vapor superaquecido. 3- Vapor saturado. 4- Linha de saturação. 5- Vapor superaquecido em altas temperaturas.

7 Cálculo das propriedades termodinâmicas do ciclo vapor Aplicando o princípio de conservação de energia para cada componente da caldeira de recuperação: Q g QV Qg mg CP T1 T2 Q m h h v v 4 3 Estações: circuito quente (gás): 1 entrada; 2 saída Estações: circuito frio (água/vapor): 1 entrada; 2 - saída SPH: Vapor superaquecido. h3 f P3,sat h f T,P EVA: h4 f P4,sat Vapor saturado h3 f P3,sat ECO: h4 f P4,sat Líquido saturado h3 f T 3,P3 Vapor superaquecido. Líquido saturado Líquido comprimido

8 Cálculo das propriedades termodinâmicas do ciclo vapor Propriedades termodinâmicas dos Gases São determinadas usando polinômios apresentados por McBride et al., 1993, e coeficientes empíricos dos polinômios da Tabela de JANAF.

9 Cálculo das propriedades termodinâmicas do ciclo vapor Propriedades termodinâmicas dos gases Massa Molecular, Cp, Entalpia dos Gases de exaustão da TG: 24 W F M gas gas i i i P i gas i1 C (T) {R(a a T a T a T a T ) } F h (T) R T a a a a a F T T T T b gas i T i i i

10 Parâmetros da Caldeira de Recuperação SUPH EVAP ECON Figura: Representação do Pinch Point e temperaturas de aproximação Os valores destes parâmetros: o pinch point e as temperaturas de aproximação refletem 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.

11 Parâmetros da Caldeira de Recuperação Tabela: Recomendação do valor do Pinch Point e das temperaturas de aproximação segundo Babcock & Wilcox, T 2 a 5 ( C) subcooling Sabe-se que o valor do pinch point adotado num projeto ocasiona um impacto direto na quantidade de vapor gerado.

12 Tabela 1. Valores da pressão, temperatura e vazão mássica dos gases quente e do circuito água/vapor. Circuito do GÁS FLUIDO Ponto 1 Ponto 2 Ponto 3 Ponto 4 Pressão kpa 104,4 104,4 104,4 104,4 Temp o C 580 Vazão kg/s 20,15 20,15 20,15 20,15 Circuito da Água/Vapor FLUIDO Ponto 5 Ponto 6 Ponto 7 Ponto 8 Pressão kpa Temp o C 40 Vazão kg/s 2,912 2,912 2,912 2,912 T_SPH [ o C] T_PP [ o C] T_Econ [ o C] SPH [-] EVAP [-] ECON [-] 25,0 4,0 U SPH [kw/m 2 o C] UEVAP [kw/m 2 o C] U ECON [kw/m 2 o C] Q SPH [kw] QEVAP [kw] Q ECON [kw] 0, , ,04543 A SPH [m 2 ] AEVAP [m 2 ] A ECON [m 2 ]

13 CASO A: Informações: 1-) Gases quente: = 20,15 [ ] ; = 580 [ ] ; = 104,4 [ ]; Frações molares: (Ar=8,900E-03; N 2 =7,138E-01; O 2 =1,310E-01; CO 2 =4.190E-02; H 2 O(v)= 1,044E-01) 2-) Superaquecedor: T_SPH = (T 1 -T 8 ) = 25 [ o C], U SPH = 0,04250 [kw/m 2 o C] 3-) Evaporador: = 2,912 [ ]; UEVAP = 0,08650 [kw/m 2 o C] 4-) Economizador: = 2,912 [ ] ; = 40 [ ] ; = 4500 [ ]; T_Econ = (T 7,sat T 6 ) = 4 [ o C]; U ECON = 0,04543 [kw/m 2 o C] CASO B: Informações: 1-) Gases quente: = 20,15 [ ] ; = 580 [ ] ; = 104,4 [ ]; Frações molares: (Ar=8,900E-03; N 2 =7,138E-01; O 2 =1,310E-01; CO 2 =4.190E-02; H 2 O(v)= 1,044E-01) 2-) Superaquecedor: T_SPH = (T 1 -T 8 ) = 30 [ o C], U SPH = 0,04250 [kw/m 2 o C] 3-) Evaporador: = 3,056 [ ]; UEVAP = 0,08650 [kw/m 2 o C] 4-) Economizador: = 3,056 [ ] ; = 40 [ ] ; = 2000 [ ]; T_Econ = (T 7,sat T 6 ) = 4 [ o C]; U ECON = 0,04543 [kw/m 2 o 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.