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MEC010 MEC010 –– TRANSFERÊNCIA DE CALORTRANSFERÊNCIA DE CALOR
Projeto:Projeto:Dimensionamento dos trocadores Dimensionamento dos trocadores de de calor calor
de uma de uma caldeira caldeira de de recuperaçãorecuperação
Prof. Dr. Washington Orlando Irrazabal Bohorquez
de uma de uma caldeira caldeira de de recuperaçãorecuperação
Grupos formados por três alunos da disciplina
CaldeiraCaldeira dede RecuperaçãoRecuperação::
RecuperarRecuperar aa energiaenergia contidacontida nosnos gasesgases dede exaustãoexaustão dedeumauma turbinaturbina aa gásgás parapara produçãoprodução dede vaporvapor útilútil
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. Parâmetros de operação e projeto.
4. Resultados:a) Vapor produzido: vazão (kg/s);b) Temperatura (oC);c) Pressão (kPa);d) Efetividade dos trocadores de calor;e) Área de troca (m2).e) Área de troca (m2).
5. Conclusões e comentários.
Balanço de energia nos trocadores de calorBalanço de energia nos trocadores de calor
1. Regime permanente.
2. Continuidade: mentrada = msaída.
3. Balanço de energia (trocadores de calor).
4. As perdas de calor e pressão são desprezíveis nos
. .
2 1P P
g vQ Q
4 3P P
4. As perdas de calor e pressão são desprezíveis nos componentes.
Cálculo das propriedades Cálculo das propriedades termodinâmicas do termodinâmicas do ciclo vaporciclo vapor
The International Association for the Properties of Water and Steam – IAPWS (Set 97)
Propriedades termodinâmicas da Propriedades termodinâmicas da água/vaporágua/vapor
1- Líquido comprimido.2- Vapor superaquecido.3- Vapor saturado.4- Linha de saturação.5- Vapor superaquecido em
altas temperaturas.
Cálculo das propriedades Cálculo das propriedades termodinâmicas do termodinâmicas do ciclo vaporciclo vapor
Aplicando o princípio de conservação de energia para cada componente da caldeira Aplicando o princípio de conservação de energia para cada componente da caldeira
de recuperação:
SPH:
g VQ Q 21Pgg TTCmQ v v 4 3Q m h h
4 4 4h f T ,P 3 3,sath f P
EVA: 4 4,sath f P 3 3,sath f P
Vapor superaquecido.
Vapor saturado
ECO: 4 4,sath f P 3 3 3h f T ,PLíquido saturado Líquido comprimido
Estações: circuito quente (gás): 1 – entrada; 2 – saídaEstações: circuito frio (água/vapor): 1 – entrada; 2 - saída
Vapor superaquecido.
Líquido saturado
Cálculo das propriedades Cálculo das propriedades termodinâmicas do termodinâmicas do ciclo vaporciclo vapor
Propriedades termodinâmicas dos GasesPropriedades termodinâmicas dos Gases
São determinadas usando polinômios apresentados por McBride et al., 1993, e coeficientes empíricos dos polinômios da Tabela de JANAF.
Cálculo das propriedades Cálculo das propriedades termodinâmicas do termodinâmicas do ciclo vaporciclo vapor
Propriedades termodinâmicas dos Propriedades termodinâmicas dos gasesgases
i
24
gas gas ii 1
W F M
Massa Molecular, Cp, Entalpia dos Gases de exaustão da TG:
i
240 2 3 4P 1 2 3 4 5 i gas
i 1
C (T) {R(a a T a T a T a T ) } F
i
2 3 4240 1
1 2 3 4 5 gasi 1
i
bT T T Th (T) RT a a a a a F
2 3 4 5 T
Parâmetros da Caldeira de RecuperaçãoParâmetros da Caldeira de Recuperação
SUPHEVAP
Figura: Representação do Pinch Point e temperaturas de aproximação
Os valores destes parâmetros: o pinch point e as temperaturas de aproximaçãorefletem no tamanho da caldeira de recuperação. Para valores pequenos, hánecessidade de grandes superfícies de troca de calor, junto a um alto custo deinvestimento inicial.
SUPHECON
Tabela: Recomendação do valor do Pinch Point e das temperaturas de aproximação segundo Babcock & Wilcox, 1992.
Parâmetros da Caldeira de RecuperaçãoParâmetros da Caldeira de Recuperação
Sabe-se que o valor do pinch point adotado num projeto ocasiona um impactodireto na quantidade de vapor gerado.
sub coolingT 2 a 5 ( C)
Tabela 1. Valores da pressão, temperatura e vazão mássica dos gases quente e do circuito água/vapor.
FLUIDO
Circuito do GÁS
Ponto 1 Ponto 2 Ponto 3 Ponto 4
Pressão kPa 104,4 104,4 104,4 104,4
Temp oC 580
Vazão kg/s 20,15 20,15 20,15 20,15
FLUIDO
Circuito da Água/Vapor
Ponto 5 Ponto 6 Ponto 7 Ponto 8
Pressão kPa 4500 4500 4500 4500
Temp oC 40
Vazão kg/s 2,912 2,912 2,912 2,912
∆T_SPH [oC] ∆T_PP [
oC] ∆T_Econ [
oC] SPH [-] EVAP [-] ECON [-]
25,0
4,0
USPH [kW/m2 o
C] UEVAP [kW/m2 oC] UECON [kW/m2 oC] QSPH [kW] QEVAP [kW] QECON [kW]
0,04250 0,08650 0,04543
ASPH [m2] AEVAP [m2] AECON [m
2]
CASO A:
Informações:
1-) Gases quente: �̇� = 20,15[��
�]; �� = 580[ �� ]; �� = 104,4[���]; Frações molares: (Ar=8,900E-03;
N2=7,138E-01; O2=1,310E-01; CO2=4.190E-02; H2O(v)= 1,044E-01)
2-) Superaquecedor: ∆T_SPH = (T1-T8) = 25 [oC], USPH = 0,04250 [kW/m
2 oC]
3-) Evaporador: �̇� = 2,912[��
�]; UEVAP = 0,08650 [kW/m2 oC]
4-) Economizador: �̇� = 2,912[��
�]; �� = 40[ �� ]; �� = 4500[���]; ∆T_Econ = (T7,sat – T6) = 4 [
oC]; UECON =
0,04543 [kW/m2 oC]
CASO B:
Informações:
1-) Gases quente: �̇� = 20,15[��
�]; �� = 580[ �� ]; �� = 104,4[���]; Frações molares: (Ar=8,900E-03;
N2=7,138E-01; O2=1,310E-01; CO2=4.190E-02; H2O(v)= 1,044E-01)
2-) Superaquecedor: ∆T_SPH = (T1-T8) = 30 [oC], USPH = 0,04250 [kW/m
2 oC]
3-) Evaporador: �̇� = 3,056[��
�]; UEVAP = 0,08650 [kW/m2 oC]
4-) Economizador: �̇� = 3,056[��
�]; �� = 40[ �� ]; �� = 2000[���]; ∆T_Econ = (T7,sat – T6) = 4 [
oC]; UECON =
0,04543 [kW/m2 oC]
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.