Enunciados de trabalhos da disciplina de Equipamentos Térmicos 2009/2010

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1 Enunciados de trabalhos da disciplina de Equipamentos Térmicos 2009/2010 Tema Permutadores de calor 01 - Preparar folha de cálculo com correlações de transferência de calor de superfícies compactas de diversos tipos para as quais existem correlações (fornecidas pelo docente) para o módulo de Colburn e para o factor de atrito. Os alunos deverão fazer uma comparação entre os valores de j; f e da razão j/f. (Cap. 5 surface types and correlations do livro: Compact Heat Exchangers de J. E. Hesselgreaves, ISBN: e pag de Heat Exchangers Chap. 17 de Handook of Heat Transfer 3rd Ed.) 02 Preparar uma folha de cálculo com uma macro com o método de Bell-Delaware para o cálculo do coeficiente de convecção médio no exterior de tubos em permutadores de corpo e feixe tubular. Serão fornecidos aos alunos rotinas já implementadas em Visual Basic para serem adaptadas e integradas em VBA que pode ser incluído em folhas de cálculo Excel O objectivo do trabalho é o de produzir uma folha de cálculo para o dimensionamento de permutadores de tubos (com ou sem alhetas) com escoamento de água no interior e ar em corrente cruzada. O cálculo deve basear-se nos caudais de água e ar e temperaturas pretendidas e deve permitir apresentar a capacidade térmica (AU) em função da perda de carga considerando vários comprimentos na direcção do escoamento. O programa/folha de cálculo deverá também identificar situações (com alhetas) em que o coeficiente de convecção interior possa limitar a transferência de calor e permitir especificar a existência de tubos em série. 04 Revisão de correlações para a transferência de calor e perda de carga no interior de permutadores de placas. Para além das indicadas nos apontamentos os alunos devem analisar as correlações indicadas para pares de placas com ângulos diferentes como as apresentadas em Heat Exchanger Selection, Rating and Thermal Design 2Ed, Kakaç and Liu pg 392. Este trabalho pode ser desenvolvido com exemplos de cálculo com base nas correlações para escoamento com diversos tipos de arranjos do escoamento U, Z, Múltiplas passagens, etc. 05 Analisar métodos de cálculo de regeneradores rotativos. Implementar metodologia Λ Π para valores de r diferentes da unidade e equações para método ε- NTU para r=1 e comparar as soluções dos dois métodos. Incluir no cálculo os efeitos de condução de calor axial e de fugas de escoamento entre os dois lados do regenerador (pag de Heat Exchangers Chap. 17 de Handook of Heat Transfer 3rd Ed.) 06 Preparar programa ou folha de cálculo que permita determinar a eficiência de permutadores de corpo e feixe tubular, pelo método das células em que o permutador é dividido em elementos com escoamento cruzado interligados em série consoante o tipo de permutador. Pretende-se permitir a definição de um arranjo qualquer através do sentido de ligação entre células de ambos os circuitos (tubos e exterior) e construir o sistema de resolução de equações que permitem determinar a eficiência do conjunto. O método deverá ser testado para permutadores do tipo J e G. 07 Preparação de uma monografia sobre as diversas configurações de permutadores de placas indicando o método de fabrico, limitações nas condições de operação e aplicações. É fornecido um livro Compact Heat Exchangers Guidance for Engineers de programa Best Practices onde os vários tipos de construção são apresentados. A monografia a elaborar pelos alunos baseia-se neste documento e deverá ser complementada com outra informação da literatura ou de catálogos de fabricantes deste tipo de equipamentos. 08 Monografia sobre configurações de permutadores que não foram analisadas na disciplina: Técnicas de produção de permutadores com base na soldadura por difusão e de circuitos impressos. São fornecidos elementos de Compact Heat Exchangers de J. E. Hesselgreaves,

2 ISBN: Configurações de permutadores de lamelas e em espiral e gamas de aplicação. 09 Pesquisa sobre ferramentas de cálculo para a análise de redes de permutadores utilizando a metodologia do ponto de estrangulamento. Preparação de uma folha de cálculo que a partir da especificação de caudais e temperaturas de entrada e saída de correntes quentes ou frias, prepare a curva composta e identifique o ponto critico de estrangulamento e as potências que se podem recuperar e as que têm de se fornecer ou retirar. O programa preparado deverá ser testado com exemplos disponibilizados pelo docente. Este trabalho pode ser desenvolvido adicionalmente para a especificação de pares de permutadores. 10 Apresentação de monografia sobre o funcionamento de regeneradores rotativos com transferência de calor sensível e latente. Materiais utilizados nas matrizes rotativas e propriedades de adsorção/desorção de humidade. Apresentação de métodos de caracterização dos regeneradores e comparação com métodos utilizados para rodas de transferência de calor sensível. Serão fornecidos elementos sobre o dimensionamento deste tipo de equipamentos de fornecedores a quem foi também solicitado programas de selecção. Processos industriais, caldeiras e fornos, evaporadores, torres de arrefecimento, cogeração 11 Elaborar uma folha de cálculo ou programa em EES para determinar o rendimento de uma caldeira de produção de vapor de ciclo termodinâmico pelo método directo e indirecto. O cálculo recorre a propriedades do vapor disponibilizadas pelo docente em ligação com a folha de cálculo ou disponíveis no programa EES. Os alunos deverão incluir no cálculo os vários tipos de perdas em função de parâmetros normalmente medidos e deve permitir verificar a consistência entre valores permitindo calcular alguma das parcelas por fecho de balanços de energia. 12 Elaborar uma folha de cálculo ou programa em EES para efectuar balanços de energia para um forno de vidro e regeneradores para o qual o docente fornece um modelo e dados típicos de operação de um forno. Deverá ser elaborado um cálculo da eficiência do forno incluindo os regeneradores de ar. O trabalho deverá permitir a análise da influência da carga do forno e de fracção de vidro reciclado, eficiência de regenerador e possibilidade de considerar aquecedor da carga. 13 Elaborar uma folha de cálculo ou programa em EES para o cálculo de desempenho de um forno de produção de clinker, tendo em conta perdas do forno para o ambiente, entalpia de reacção do processo e a temperatura de saída dos gases do forno. O cálculo deverá também incluir a análise da evolução do calcário nos ciclones onde é seco e calcinado antes de ser fornecido ao forno. Os alunos deverão apresentar uma análise do processo de produção identificando os componentes principais da instalação para além dos referidos anteriormente. 14 Elaborar uma folha de cálculo para a análise dos balanços de massa e energia numa instalação de produção de pasta de papel. O trabalho será realizado com base em informação disponibilizada na literatura sobre os processos nos vários componentes principais deste tipo de indústria. A análise deverá incluir a caldeira de biomassa, evaporadores onde se concentra a líxivia negra e a caldeira de recuperação onde este é queimado. O trabalho deverá incluir uma análise do processo de produção identificando os componentes principais da instalação para além dos referidos anteriormente. 15 Folha de cálculo ou programa EES para analisar o funcionamento de uma série de evaporadores montados em série, funcionando a diferentes pressões, utilizados para a produção de água dessalinizada. Os evaporadores são representados por parâmetros globais de funcionamento como a eficiência de troca de calor para o aquecimento da água salgada nos vários estágios ou a eficiência de troca de calor do vapor condensado com o estágio seguinte.

3 16 Folha de cálculo ou programa EES para analisar o funcionamento de um sistema de evaporação com base na compressão do vapor de modo a permitir a recuperação do calor de condensação no próprio estágio. O programa deverá permitir analisar diversos estágios. Descrição do processo de funcionamento e configurações deste tipo de evaporadores. 17 Implementação de folha de cálculo ou programa EES que efectue o cálculo da razão entre os caudais de água e de ar numa torre de arrefecimento pelo método de Merkel. Este cálculo deverá ser efectuado com várias regras de integração numérica com dois ou quatro pontos ou ainda com uma série de pontos de modo a permitir um resultado independente da discretização. O algoritmo deverá ser testado para diversas condições do ar ambiente e temperaturas de entrada da água. 18 Implementação de folha de cálculo ou programa EES para o dimensionamento do diâmetro de uma torre de arrefecimento com circulação de ar por convecção natural. O método é descrito em bibliografia que será fornecida com base na variação da entalpia e humidade específica ao longo da altura da torre de arrefecimento. O trabalho deverá incluir uma revisão sobre os tipos de enchimentos existentes em torres de arrefecimento e as suas características em termos de perda de carga e transferência de calor e massa. O cálculo deverá ser testado para diversas condições do ar ambiente e para diversas alturas da torre. 19 Elaboração de monografia sobre sistemas de cogeração de pequena potência (<50 kwe) identificando as tecnologias existentes e o tipo de recuperação de calor efectuado. O trabalho deverá incluir turbinas e motores Stirling, assim como outras soluções usadas para pequenas potências. Para a produção de frio de o trabalho deverá também referir chillers de absorção com potência frigorífica abaixo de 50 kwt. 20 Análise de ciclo de Rankine com programa EES ou em folha de cálculo considerando a existência de turbinas de contra-pressão e de extracção-condensação. O cálculo deve ser efectuado em função das condições do vapor sobreaquecido (P,T), da temperatura a que se pretende obter vapor para fornecer calor e da razão calor/trabalho úteis e ainda da temperatura de condensação. O cálculo deverá considerar a existência de uma caldeira com rendimento especificado. Deverá ser apresentado uma análise dos parâmetros de cogeração em função da razão calor/trabalho e devem ser simuladas condições de algumas instalações idenficadas pelo docente. 21 Análise de aplicação de turbina a gás com injecção de vapor (STIG-Steam Injected Gas Turbine). O trabalho deverá apresenta uma monografia sobre o mercado deste tipo de equipamentos e uma análise do impacto da utilização da injecção de vapor no desenho da turbina. O trabalho deverá também apresentar uma folha de cálculo ou programa EES que em função de parâmetros da instalação, temperatura máxima à entrada da turbina e capacidade da caldeira permita calcular a potência mecânica e térmica. Estas potências são função da utilização do vapor produzido que poderá servir exclusivamente para fornecer calor ou para ser misturado e expandir-se na turbina. Os balanços de energia devem identificar a variação dos caudais no compressor e turbina que forem identificados na revisão bibliográfica. 22 Análise da aplicação de ciclos combinados em instalações de cogeração na indústria em Portugal e a nível internacional. Pretende-se avaliar as gamas de potências em que este tipo de instalações são construídas e quais os seus parâmetros de funcionamento. Devem ser identificados parâmetros mais detalhados de funcionamento de pelo menos duas instalações para as quais devem ser elaborados balanços de modo a calcular os parâmetros do sistema de cogeração. 23 Análise da aplicação de sistemas de cogeração em grandes edifícios em que existam chillers de absorção e de compressão em que ambos possam utilizar calor ou energia eléctrica obtida a partir de um motor de combustão interna usando gás natural ou fuel. Devem ser identificadas algumas instalações e os respectivos equipamentos utilizados. Com base nas

4 características gerais dos equipamentos devem ser identificados as condições extremas em que os sistemas podem funcionar, maximizando o frio gerado, ou o máximo de frio e calor em simultâneo ou outras combinações, e.g. frio e electricidade, calor e electricidade. 24 Monografia sobre sistemas de tratamento da água, referindo as exigências consoante a sua utilização, e.g. em circuitos de vapor com turbina, vapor de processo, água quente para distribuição de calor, água em torre de arrefecimento. O documento deverá incluir a identificação de sais que se possam precipitar e com base nestes ser estabelecido um método de cálculo do caudal de purga necessário para um circuito de água de arrefecimento evaporativo em que a evaporação de parte da água aumenta a concentração de sais que se pode reduzir por diluição com água tratada. 25 Monografia sobre construção e funcionamento de arrefecedores evaporativos, isto é que usam água normalmente pulverizada para diminuir a temperatura do ar e aumentar a transferência de calor em equipamentos de arrefecimento, e.g. de condensadores de sistemas de frio. O trabalho deverá apresentar metodologias de cálculo e dimensionamento deste tipo de arrefecedores e um meio de estimar o consumo de água neste tipo de sistemas. Ciclos frigoríficos e chillers de compressão e de absorção 26 Comparação do desempenho de fluidos frigorigénios de substituição. A partir de características de funcionamento de refrigerantes que foram banidos (e.g. R22) pretende-se elaborar um algoritmo que permita definir os parâmetros de funcionamento dos componentes básicos de um ciclo frigorífico simples (evaporador, compressor, condensador e válvula de laminagem). Com base nesses parâmetros deverá ser estabelecido um algoritmo para efectuar a análise do funcionamento dos mesmos equipamentos com um fluído de substituição (e.g. R507A), determinando a nova capacidade frigorífica, o trabalho no compressor, cop, etc. 27 Análise de ciclo frigorífico simples usando R508B para produzir água-glicolada fria que é fornecida a duas câmaras de refrigrados funcionando a temperaturas diferentes (0 e 5ºC). O algoritmo deverá permitir simular as condições de funcionamento do ciclo frigorifíco quando as duas câmaras estão a operar em simultâneo ou quando só está a ser retirado calor a uma delas. 28 Análise de funcioamento de ciclo frigorífico de amoníaco com dois andares de compressão com injecção parcial de líquido à pressão intermédia de modo a obter-se vapor saturado na entrada do compressor de alta. O algoritmo desenvolvido deverá permitir analisar a variação da eficiência frigorífica (coeficient of performance) em função da pressão intermédia, especificando as temperaturas dos espaços a arrefecer e do ambiente onde se dissipa o calor. 29 Análise de funcioamento de ciclo frigorífico de amoníaco com dois andares de compressão e tanque intermédio de flash de onde vapor saturado é misturado coma saída do compressor de baixa antes de entrar no de alta. O algoritmo desenvolvido deverá permitir analisar a variação da eficiência frigorífica (coeficient of performance) em função da pressão intermédia, especificando as temperaturas dos espaços a arrefecer e do ambiente onde se dissipa o calor. 30 Cálculo de sistema de liquefacção de metano (simulando gás natural liquefeito GNL) a 40 bar. Uso de sistema em cascata com propano Te=231K, etileno Te=169K e metano Te=112K. 31 Monografia sobre compressores utilizados em ciclos frigoríficos. Devem ser identificados modelos de análise das suas características de funcionamento, nomeadamente o rendimento de compressores volumétricos (de movimento alternado e rotativos) e diagramas de rendimento de compressores centrífugos. Deve ser analisado o efeito de alterações da razão de pressões no desempenho de um ciclo frigorífico: efeito frigorífico, cop.

5 32 Implementação de algoritmo de cálculo de propriedades de misturas LiBr-H2O por altorigmos efectivos como apresentados em International Journal of Refrigeration 29(2006) e comparação com valores apresentados em diagramas ou calculados em outros programas (e.g. EES). 33 Progama EES para o cálculo de ciclo de absorção LiBr-H2O em função da temperatura do gerador, temperatura de condensação e temperatura de evaporação. 34 Programa EES ou folha de cálculo para o cálculo de ciclo de absorção H2O-NH3 em função da temperatura do gerador, temperatura de condensação e temperatura de evaporação. 35 Monografia sobre chillers de absorção analisando o seu funcionamento e apresentando valores típicos de capacidade, eficiência, distinguindo efeito simples e duplo. 36 Elaboração de um método de cálculo do número de andares necessários para a coluna de distilação (refinação e rectificação) para um ciclo frigorífico de absorção H2O-NH3. Este cálculo deverá ser implementado seguindo bibliografia específica sobre o assunto recorrendo a programa EES ou a folha de cálculo usando livrarias de cálculo de propriedades.