Maquinas_T_rmicas_1_-_2013-2 -FINAL

Prévia do material em texto

Universidade Federal do Paraná
Setor de Tecnologia – Departamento de Engenharia Mecânica
ANTE-PROJETO DE UM GERADOR DE VAPOR: AQUOTUBULAR
Trabalho de Graduação apresentado à disciplina de Máquinas térmicas I do departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Paraná, ministrada pelo professor Fernando Boçon.
Aluno: 
Andres Guggeri
Arthur de Paula Ferreira
Henrique Silva Martins
Matthew Vedrin
Curitiba
DEZEMBRO/2013
DADOS DISPONÍVEIS:
Tabela 1 - Dados Iniciais.
	Tipo de Equipamento
Produção de Vapor Saturado Seco
Pressão do vapor (Manométrica)
Temperatura da Água de Alimentação
Temperatura de aquecimento do ar
Temperatura dos Gases após do aquecedor de ar
Perdas conhecidas:
Combustível contido nas cinzas do cinzeiro
Perda por formação de fuligem
Perda por formação de gases combustíveis
Velocidade dos Gases na Chaminé
Combustível 
 Analise do Combustível (base seca)
Carbono
Hidrogênio
Enxofre
Oxigênio
Nitrogênio
Cinzas
Umidade do combustível
	Aquotubular
14 ton/h
10 kgf/cm2
 60º C
100º C
160º C
8%
2%
3%
17 m/s
Óleo Combustível
87%
9,5%
2%
1%
0%
0,5%
1,0%
Memorial de Cálculo
Poder calorífico inferior do combustível
Considerando a composição do combustível em base úmida, e utilizando as equações segundo 2.7.1. 
Relação ar / combustível real
Utilizando as equações 2.5.3. da apostila de maquinas térmicas:
Teor volumétrico de H20 nos gases de combustão
Como o ar da reação de combustão tem umidade, consideramos o teor de umidade para obter os Kmol de H2O presentes no ar.
A reação de combustão e a seguinte, segundo 2.4.1. da apostila de máquinas térmicas:
A partir disto, obtém se a composição dos gases da combustão:
O teor molar é o mesmo que o volumétrico, devido a que se consideram todos os gases como gases ideais. Por tanto, se som as composições do gás i, os kmoles totais.
.
O teor dos gases se calcula como: .
Teores volumétricos de CO2 e O2 nos gases da combustão
Obtêm-se o teor dos gases como calculado no item 3:
Calor específico dos gases a 20, 100, 200, 400 e 600oC
O calor específico médio dos gases de combustão () é calculado pela seguinte equação:
Para calcular a massa total dos gases, ou seja, , primeiramente calcula-se a massa de cada gás pela expressão:
	Onde:
	: massa de cada gás
	: número de mols do gás
	: massa molecular de cada gás
	A tabela abaixo mostra os valores de , e de cada gás.
	Gás
	 []
	 []
	 []
	
	
	
	
	O2
	
	32
	0,61184
	CO2
	
	44
	3,15832
	N2
	
	28
	12,07528
	H2O
	
	18
	1,0458
	SO2
	
	64
	0,03968
	Desta forma, o cálculo de é dado por:
Os calores específicos de cada gás de combustão foram retirados do livro Geradores de vapor de água - caldeiras, do autor Hildo Pera.
	
	kcal/kg*C
	Gas
	C_p (20C)
	C_p (100C) 
	C (200C)
	C (400C) 
	C (600C) 
	CO2
	0,18756
	0,2088
	0,2190
	0,2345
	0,2452
	H2O
	0,45518
	0,4622
	0,4661
	0,4744
	0,4827
	SO2
	0,143403442
	0,145554493
	0,148255258
	0,156023
	0,162954
	N2
	0,24832
	0,2503
	0,2510
	0,2532
	0,2550
	O2
	0,21738
	0,2190
	0,2196
	0,2215
	0,2231
Então, para cada temperatura pedida (20°C, 100°C, 200°C, 400°C e 600°C), tem-se o calor específico a pressão constante médio dos gases:
	
	 
	2
	0,246055871
	
	0,251914351
	
	0,254571302
	
	0,259594583
	
	0,263410855
Perdas de energia
Perda por combustível caído nas cinzas
 por cento em massa das cinzas no combustível
 Combustível contido nas cinzas do cinzeiro
	z [kg_cz/kg_cb]
	T_cz [kg_cb/kg_cz]
	PCI [Kcal/kg_cb]
	0,005
	0,08
	9640
Perda pelo calor sensível contido nas cinzas
	
	
	
	
	0,005
	0,2
	951
	20
		Perda por condução e convecção para o ambiente:
	Por meio do gráfico, encontrado na apostila de Máquinas térmicas 1 e considerando a máxima perda, relativa a vazão prevista:
Com aquecedor de ar.
	
	
	
	
	
	15,85
	0,005
	0,246
	160
	25
Sem aquecedor de ar.
	
	
	
	
	
	15,85
	0,005
	0,253
	260
	25
Rendimento da caldeira e consumo horário de combustível
Com aquecedor de ar:
Para determinar o rendimento [%] e o consumo horário da caldeira [kcal/h], é necessário considerarmos as seguintes perdas:
Os resultados destas perdas, já calculados anteriormente, estão na tabela a seguir:
Tabela 2 - Perdas na caldeira.
	
	
	
	
	
	
	0,04
	0,01
	2,0
	3,0
	6,0
	5,79
Com os valores para todas as perdas consideradas, pode-se calcular a perda total com a utilização de aquecedor.
	
E em seguida o respectivo rendimento:
	Já para determinar o consumo horário de combustível, além do rendimento, são utilizadas os resultados previamente calculados para vazão mássica, entalpia e poder calorífico inferior, todos relativos a vapor.
	
	
	
	
	
	14000
	182,24
	60
	0,8316
	9641
Sem aquecedor de ar:
Para a situação sem aquecedor de ar, precisa-se calcular novamente a perda pelo calor contido nos gases da chaminé que, nesta situação, tende a ser maior. Utilizando os dados a seguir, esta perda pode ser determinada.
	
	
	
	
	
	15,85
	0,005
	0,253
	260
	20
	Assim, obtem-se as perdas relativas a utilização sem aquecedor de ar: 
	
	
	
	
	
	
	0,04
	0,01
	2,0
	3,0
	6,0
	10,40
	E com as perdas totais já calculadas, pode-se determinar o rendimento e o consumo horário da caldeira para esta situação:
	
	
	
	
	
	14000
	182,24
	60
	0,7855
	9641
Volume e dimensões da fornalha
Para caldeiras do tipo aquotubular utilizando óleo como combustível, o valor de recomendado, retirado da apostila de Máquinas Térmicas I está entre:
Para o projeto, verificamos os dois extremos da tabela para saber as dimensões máxima e mínima da fornalha:
	
	
	
	
	
	14000
	182,24
	60
	0,7855
	9641
	A fórmula para o cálculo do volume está mostrada a seguir.
Para :
Para :
Para o projeto, define-se um valor entre os possíveis:
As dimensões da fornalha, admitindo que o comprimento é maior que as outras dimensões e também que a largura e a altura tem aproximadamente a mesma grandeza:
 Temperatura média e coeficiente de irradiação na fornalha
Para calcular o coeficiente de irradiação da fornalha foi feito um processo iterativo:
	
	
	
	
	0,04
	0,01
	2,0
	3,0
Calcula-se o rendimento da fornalha com as perdas:
Assim é possível calcular o calor gerado na fornalha:
	
	 para 60ºC
	
	
	15,85
	0,253
	100
	20
Foi estimado um entre 0,2 e 0,6 como indicado na apostila de maquinas térmicas, com isso calculou-se a temperatura na câmara Tc . Com Tc calcula-se o calor irradiado na fornalha Qi e com Qi e Qf pudemos verificar e validar o valor de com a equação: 
	 [%]
	
	94,95
	9641
= 0,584
Calor irradiado para os tubos das paredes de água (fornalha); 
Para cálculo do calor irradiado na fornalha:
Calculando calor da fornalha QF:
		 
		 
		 
Calculando Qi:
		 
	
	
	
	1141864
	213,46
 Superfície irradiada dos tubos na fornalha (paredes de água), dimensões, número e distribuição dos tubos.
A superfície irradiada da fornalha é obtida por:
	 - Constante de Boltzmann 
	 - Emissividade Combinada
	tc - Temperatura de Câmara
	tp - Temperatura da Parede do Tubo
	
	
	
	
	4,875E-8
	0,85
	482,88
	1224
Definimos um número e o diâmetro dos tubos:
25 tubos de 80mm de diâmetro.
Com isso calculamos a área irradiada, só foi considerada radiação na metade interior do tubo, em relação a fornalha:
	
	
	
	
	
	
	
	4
	0,08
	0,08
	25
	0,253
	100
	20
	Assumindo o espaçamento entre os tubos de uma distância igual ao diâmetrotemos o comprimento da fornalha:
Considerando a fornalha com altura e largura iguais (1m) e o comprimento de 4,08m temos uma fornalha de 4,08 m³ . Este valor é condizente com o volume possível calculado no item 8.
	Verificar esquema da distribuição dos tubos e dimensões da fornalha no anexo.
Coeficiente global de transferência de calor no vaporizador (parte convectiva)
	Primeiramente define-se os parâmetros dos tubos secundários para o cálculo do coeficiente global de transferência de calor no vaporizador:
	
	Consideramos que o comprimento dos tubos secundários tem o mesmo valor que a altura da fornalha.
O coeficiente global de transferência de calor no vaporizador () é calculado utilizando coordenadas cilíndricas. 
	
Na equação apresentada, a parcela referente à convecção interna da água foi desconsiderada pelo fato do coeficiente de filme da água em condições de mudanças de fase ser muito elevado (, tornando-a insignificante. Além disso, a resistência referente à condução do tubo representa uma parcela muito pequena da resistência total e, portanto, também será desconsiderada.
A equação do coeficiente global de transferência de calor no vaporizador simplificada torna-se:
	Para o cálculo do coeficiente de transferência de calor convectivo dos gases, utiliza-se a média da temperatura teórica da fornalha com a temperatura de saída dos gases:
	Então, através dos livros de Transferência de calor e massa e Geração de vapor obtêm-se as propriedades dos gases de combustão de acordo com a temperatura média calculada acima.
	Gás
	 [W/mK]
	
	
	
	
	
	
	
	
	O2
	6,92E-02
	0,39760
	4,68E-05
	0,735
	CO2
	6,60E-02
	0,66140*
	3,85E-05
	0,716*
	N2
	6,32E-02
	0,34805
	3,93E-05
	0,721
	H2O
	8,38E-02
	0,2579*
	3,62E-05
	1,02*
Tabela 3: Propriedades dos gases a 970 K
*Os valores dessas propriedades, por não serem encontradas a uma temperatura de , foram retiradas na maior temperatura encontrada nas tabelas.
Assim, utilizam-se as seguintes equações para obter as propriedades dos gases de combustão.
	Considerando o escoamento externo transversal dos gases de combustão nos tubos secundários, e admitindo que a velocidade de escoamento é a mesma que a velocidade dos gases na chaminé (desconsiderando perdas de carga e pequenas variações na velocidade de escoamento):
	Calcula-se o número de Reynolds pela expressão abaixo.
	
	
	
	20
	0,08
	6,2E-06
	Para números de Prandtl maiores que 0,7 () e número de Reynolds entre 4000-40000 (, a correlação empírica de Hilpert é muito utilizada e a mais recomendada. Esta correlação foi retirada do livro de Transferência de calor e massa (Incropera). 
	
	
	
	
	0,229
	0,632
	25806
	0,68
	Red
	C1
	m
	0,4 a 4
	0,989
	0,33
	4 a 40
	0,911
	0,385
	40 a 400
	0,683
	0,466
	4000 a 40000
	0,193
	0,618
	40000 a 400000
	0,027
	0,805
	
	
	
	139,73
	0,0515
	0,08
	
	
	77,35
	5000
Onde:
	Isolando o coeficiente de transferência de calor convectivo, chega-se em:
	Voltando e substituindo para a obtenção do coeficiente global de transferência de calor, tem-se que:
Convertendo para a unidade solicitada, tem-se:
Superfície do vaporizador da caldeira (parte convectiva), dimensões, número e distribuição dos tubos
Fixando o número e diâmetro dos tubos, para termos um comprimento de acordo com as dimensões prévias.
Foram considerados apenas 75 tubos, pois dos 100 tubos, distribuídos em 4 fileiras, os 2 ao centro recebem convecção em toda a superfície, no entanto, os tubos da extremidade trocam calor apenas na superfície da metade interior, resultando nos 75 tubos para o cálculo.
	a
	
	
	
	1
	0,08
	0,08
	75
	
	
	
	
	
	
	
	14000
	182,24
	60
	0,584
	94,95
	213,46
	9641
	
	
	
	
	
	
	
	951,37
	15,85
	507223
	0,00495
	0,2634
	0,03
	213,46
	
	
	
	951,37
	179
	330,85
	
	
	
	507223
	381,49
	76,17
	Verificar esquema da distribuição dos tubos e dimensões da caldeira no anexo.
Coeficiente de transferência de calor no aquecedor de ar
Considerando um aquecedor de ar casco/tubos convencional, onde o ar circula por dentro dos tubos, e os gases entre os tubos e o casco, e desprezando a transferência de calor por condução a traves dos tubos, a expressão para calcular o coeficiente global de transferência de calor é a seguinte: 
, onde hg e har representan os coeficentes do filme de conveccao, do lado dos gases e do ar, respectivamente, e podem ser calculados a partir das seguintes expressões:
Para os gases: . Aproximando as propiedades dos gases com as de o ar, a temperatura igual a 245°C (media entre as temperaturas de entrada e salida dos gases) se tem: . Para o cálculo do Número de Reynolds, adota-se a velocidade dos gases cg = 5m/s, e a dimensão característica o diâmetro dos tubos, igual a 50 mm. Pelo tanto, o cálculo do número de Reynolds da:
. Subtiunido os valores na equacao acima, obtense o numero de Nusselt, e partir disso, o coeficiente .
 
Aplicando um cálculo análogo, utilizando as propriedades do ar a temperatura igual a 60°C, com uma velocidade de 9 m/s , e aplicando a seguinte expressão para o cálculo do Número de Nusselt, obtém-se o coeficiente de filme do lado do ar.
 . 
Substituindo na expressão do coeficiente global, U:
Superfície do aquecedor de ar, dimensões, número e distribuição dos tubos
A partir das equações apresentadas na secção 3.12.5 da apostila, pode se calcular o calor cedido pelos gases e recebido pelo ar, a temperatura de saída dos gases, e finalmente a área do aquecedor de ar, necessária para a transferência de calor.
Considerando (da tabela de propiedades do ar a 60°C, Incropera)
dado do projecto; temperatura ambiente , e já conhecidos e , de cálculos anteriores, obtém se:
A partir da seguinte expressão pode ser calculado a temperatura de saída dos gases, tg:
Considerando as perdas de calor no aquecedor , e , a 200°C, e a temperatura de saida dos gases do vaporizador, calculada anteriormente.
Substituindo tg da equação acima: 
Agora se pode calcular a diferencia media logarítmica como:
Finalmente, a partir da seguinte equação pode se obter a área de transferência de calor:
Para obter essa área, se consideram 80 tubos de 50mm de diâmetro, de comprimento 1,54 m.
Pelo tanto, a área será:
 .
	Verificar esquema da distribuição dos tubos e dimensões do aquecedor de ar no anexo.
Diâmetro da chaminé
Primeiramente calcula-se o volume específico de gases:
Onde:
	P - Pressão Ambiente 1 kgf/cm2;
	R - Constante Termodinâmica dos Gases;
	 - Temperatura dos Gases na Chaminé em K.
 m3/kgg
Com isso calcula-se a vazão mássica dos gases:
	
	AC
	Z
	
	15,85
	0,00495
 kgg/h
	Em seguida obtêm-se a vazão volumétrica dos gases, aplicando a relação entre o volume específico e a vazão mássica:
 m3/h
	Com isso, calculamos a área da chaminé, pela relação entre vazão volumétrica e velocidade a 17 m/s ou 61200 m/h:
 m/s
	Por fim, considerando a chaminé com seção transversal circular, calcula-se o diâmetro da chaminé [].
Isolando o diâmetro e resolvendo a equação obtemos o diâmetro da chaminé:
 m
	Verificar esquema da distribuição dos tubos e dimensões da fornalha no anexo.
	As mudanças verificadas para o projeto, recalculado com a temperatura de ar aquecido pode ser verificada na tabela a seguir:
	VARIÁVEL
	ANTES
	DEPOIS
	Tg [°C]
	160
	255,8
	P6
	5,79%
	9,90%
	n
	83,16%
	79,05%
	
	213,45
	224,55
	σ
	0,584
	0,578
	t_c [°C]
	951,4
	963,7
	 
	1141864,1
	1189899
	 
	570223
	523219
	 
	65224
	68615
Referências bibliográficas
WYLEN, Gordon J. Van; Sonntag, Richard E.; Borgnakke, Claus: "Fundamentosda Termodinâmica", 5ª Edição, Editora Edgard Blücher, São Paulo - SP, 1998.
INCROPERA, Frank P. e DeWitt, Davis P.:"Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa"; Editora LTC – Livros Técnicos e Científicos LTDA., Rio de Janeiro - RJ, 1998.
BAZZO, Edson: "Geração de Vapor", 2ª Edição, Editora da UFSC, Florianópolis - SC, 1995.
RAVAGLIA, Ennio: "Projeto de um Gerador de Vapor de Água", Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, 1965.
TORREIRA, Raúl Peragallo: "Geradores de Vapor", Companhia Melhoramentos, Editora Libris, São Paulo - SP, 1995.
SILVA, Remi Benedito: "Geradores de Vapor de Água", Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, 1965.
PERA, Hildo: "Geradores de Vapor de Água"; Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, 1966.
PERUZZO, Tito Miragaia; Canto, Eduardo Leite do: "Química na Abordagem do Cotidiano"; Editora Moderna, São Paulo - SP, 1996.
Apostila de Geradores de Vapor d'Água, UFPR - Departamento de Engenharia Mecânica.
ANEXOS
Em seguida uma seção da vista frontal da caldeira, as extremidades são produzidas de tijolo refratário.
Figura 1: Seção da vista frontal da caldeira.
A distribuição de tubos no vaporizador pode ser verificada no corte A, figura a seguir. Composta por 100 tubos, dispostos em fileiras de 4, assim cada fileira abrange 25 tubos com distanciamento de um diametro de tubo entre eles.
Figura 2: Corte A - Detalhe da distribuição dos tubos no vaporizador.
A seguida vista superior com esquema da passagem dos gases de combustão e do ar ambiente sendo aquecido.
Figura 3: Esquema de vista superior da caldeira
Nas imagens a seguir observa-se a disposição dos tubos, com espaçamento de um diâmetro entre tubos e entre paredes, com as respectivas cotas.
Figura 4: Esquema dos tubos na fornalha.
	Podemos verificar a distribuição dos tubos na figura 5, o espaçamento entre os tubos é de um diâmetro, 80 mm.
Figura 5: Distribuição dos tubos na fornalha.
Na figura 6 temos o esquema do aquecedor de ar com as entradas de ar ambiente e dos gases de combustão e as saídas. 
Figura 6: Esquema do aquecedor de ar.
	A distribuição dos 80 tubos no aquecedor de ar é feita com uma distância de um diâmetro como verificado na figura 7. A distribuição dos tubos é de 10 linhas por 8 colunas.
Figura 7: Distribuição dos tubos no aquecedor de ar.