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INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DELISBOA

SEMESTRE VERO 2012-2013

TERMODINMICA APLICADA

TRABALHO 2SIMULADOR DE CALDEIRA

Docente: Eng. Claudia Casaca

Grupo 6 da turma LM42D: 36949 Manuel Incio

36977 Pedro Martins37501 Joo Dimas38347 Bruno Correia


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Objectivos

Este trabalho tem como objetivo o estudo do funcionamento de um gerador de vapor e todas as trocas e transformaesenergticas que se do nos seus constituintes.Para realizao da simulao utilizou-se uma ferramenta informtica de simulao de caldeira a vapor disponibilizada

para esta unidade curricular.

Introduo

Um gerador de vapor uma mquina que serve para produzir vapor atravs da converso de energia qumica em trmica.Atravs da transformao de energia qumica em energia trmica iremos converter um fluido de trabalho de estadolquido a estado gasoso. A este fluido, d se o nome de fluido trmico e normalmente, usado gua, visto ser um recursonatural e sem nocividade para o ambiente, devido tambm ao seu elevado calor especfico e estabilidade s condiessubmetidas.

Um gerador constitudo por 3 circuitos:

Circuito agua-vapor: circuito fechado, com o objectivo de transportar o fluido de trabalho aos vrioscomponentes centrais, o fluido de trabalho passa de estado liquido a gasoso, gerando trabalho, podendo serdividido em circulao forada e natural;

Circuito ar-fumos: tem como funo o fornecimento de energia ao fluido de trabalho atravs da combusto docombustvel com o ar formando gases de combusto;

Circuito das cinzas: este circuito nem sempre existe no circuito. Serve para recuperar os desperdcios malqueimados do combustvel em questo, conforme o combustvel usado ser necessrio ou no, tal como nascentrais de carvo.

Constituio do circuito gua-vapor (circulao forada)

1. Economizador: 1 equipamento do circuito gua-vapor. Tem como objectivo pr-aquecer fluido de trabalhoatravs das trocas de calor com os gases resultantes da queima do combustvel para aumentar a eficinciatrmica deste;

2. Painis de vaporizao: neste equipamento d-se a transformao da fase do fluido de trabalho. Este passa deestado lquido para estado gasoso, atravs da passagem deste, por uma seco de conveco de transferncia decalor, ou seja, por tubagens que passam junto caldeira;

3. Barrilete: equipamento com o objectivo de separar a fase lquida da gasosa, do fluido de trabalho. Recebe ofluido do economizador e envia o estado lquido para os painis de vaporizao. Parte deste que se encontra emestado gasoso prossegue que para o sobreaquecedor;

4. Sobreaquecedor: equipamento com o objectivo transformar o vapor saturado em vapor sobreaquecido temperatura de trabalho. O calor fornecido pelos gases resultantes da queima do combustvel, trocados atravsda conveco das paredes da tubagem;

5. Reaquecedor: este equipamento recebe o vapor proveniente de um primeiro andar da turbina e manda-o paraum segundo andar, a menor presso. O objectivo aumentar a temperatura do vapor de modo a que este saia daturbina com um valor de ttulo aceitvel (superior a 0,85);

6. Bombas: tm como objectivo criar presso de vcuo no condensador de modo a sugar o fluido de trabalho emestado lquido e elevar a presso de trabalho at caldeira, evitando que o fluido de trabalho volte a vaporizarainda a uma temperatura elevada;

7. Condensador: este equipamento tem como funo passar o produto proveniente da turbina para estado lquidoatravs da troca de calor com um fluido refrigerador exterior ao circuito;

8. Turbina: equipamento com objectivo de produo de trabalho atravs da expanso do fluido. O fluido emestado gasoso ir percorrer a conicidade da turbina, perdendo presso ao longo das ps, da estas terem esteformato para se aproveitar o melhor possvel esta expanso.


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Dados obtidos

Dados Unidades Simulador Unidades SIPresso na Caldeira 90.6 bar 9060 kPaPresso sada Sobreaquecedor 89.4 bar 8940 kPaPresso entrada reaquecedor 15.3 bar 1530 kPaPresso sada reaquecedor 14.2 bar 1420 kPa

Temperatura de gua dealimentao (Entradaeconomizador)

198 oC 198 oC

Temperatura de gua sada doEconomizador

251 oC 251 oC

Temperatura sada doSobreaquecedor

516 oC 516 oC

Temperatura entrada doreaquecedor

297 oC 297 oC

Temperatura sada doreaquecedor

430 oC 430 oC

Temperatura do ar 21 oC 21 oCTemperatura dos fumos 171 oC 171 oCCaudal ar 26548.1967 m /h 7.3745 m /sCaudal do combustvel 2242.5829 kg/h 0.62321 kg/sCaudal agua alimentao 34 m3/h 0.0094 m3/sCaudal Vapor 30 t/h 8.33 kg/sTabela 1Dados obtidos pelo simulador

Turbina

Condensador

Caldeira + componentes

Bomba

Imagem 1Esquema bsico do

funcionamento do ciclo de vapor


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Ponto Temp (oC) Presso (kPa)Entalpia(kJ/kg)

Entropia(kJ/kg.K)

Estado

1 - - - - -

2 198 9060 843.45 2.3120Liq.

Comprimido

3251 9060 1090.26 2.8019

Liq.

Comprimido4 303.86 9060 2741.06 5.6734

VaporSaturado

5 516 8940* 3426.76 6.7116 Vapor Sobr.6 297 1530 3029.87 6.8960* Vapor Sobr.7 430 1420* 3322.19 7.3862 Vapor Sobr.8 - - - - -

Tabela 2dados obtidos atravs do auxlio do programa STEAM

Grfico 1 - Neste diagrama (T-s) so apresentados os processos como sendo isobricos e isotrmicos, no entanto, e

devido a perdas de carga no circuito, os valores de entropia e de presso tm ligeiras oscilaes, como apresentado na

tabela acima.


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Balano trmico de potncias

Grfico 2Grfico obtido atravs do simulador de caldeira para um funcionamento com reaquecedor;

Grfico 3Grfico obtido atravs do simulador de caldeira para um funcionamento sem reaquecedor


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Clculos

Para o clculo dos rendimentos tivemos de ter em conta alguns dados fornecidos pelo programa:

kJ/kg.K

kJ/kg.K

Quantidade de calor fornecida pelo combustvel

em que

logo,

Potncia trmica no economizador

em que , = Entalpia a sada do economizador e = Entalpia a entrada do economizador

logo,

Potncia trmica nos painis de vaporizao

em que = entalpia a sada dos painis de vaporizao e = entalpia a entrada dos painis de vaporizao

logo,


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Potncia trmica no sobreaquecedor

em que = entalpia a sada do sobreaquecedor e = entalpia a entrada do sobreaquecedor

logo,

Potncia trmica no reaquecedor

em que = entalpia a sada do reaquecedor e = entalpia a entrada do reaquecedor

logo,

Potencia perdida nos fumos

em que = 7.3745 m3/s , = 171C e =21C

logo,

Clculo do rendimento da caldeira pelo mtodo das perdas


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Clculo do rendimento da caldeira pelo mtodo directo

Comparao dos resultados analticos com os do simulador

Simulador AnaliticoDiferenapercentual

26 726.1111 kJ/s 26 218.4447 kJ/s 1.90 % 1 850 kJ/s 2 055.9273 kJ/s 11.13 %

14 058.3333 kJ/s 13 751.1640 kJ/s 2.18 % 5 675 kJ/s 5 711.881 kJ/s 0.65 %

2 466.6667 kJ/s 2 435.0256 kJ/s 1.28 % 1 560.2778 kJ/s 1 477.5167 kJ/s 5.30 %

1 115.8333 kJ/s 786.9301 kJ/s 29.48 % 90 % 91.36 % 1.51 %

Tabela 3comparao dos resultados analticos com os do simulador e respectiva diferena percentual

Da anlise da tabela, que expressa de um modo comparativo os valores obtidos no simulador e os valores obtidos pelosnossos clculos analticos, podemos afirmar, que os valores no so muito divergentes excepo das perdas porradiao, e que as diferenas de resultados se podero justificar no s pela utilizao de frmulas de clculo diferentesdas usadas pelo programa mas tambm pelo motivo de os dados recolhidos para realizao dos nossos clculosdificilmente serem os mesmos que o software utilizou, pois verificamos que o programa efectua uma simulao continuae os nossos clculos foram efectuados com valores pontuais.

Comparao de valores de simulao com e sem reaquecedor

Simulao semReaquecedor

Simulao comReaquecedor

Presso na Caldeira 9120 kPa 9060 kPaPresso saida Sobreaquecedor 9010 kPa 8940 kPaPresso entrada do Reaquecedor 770 kPa 1530 kPa

Presso saida do Reaquecedor 770 kPa 1420 kPaTemperatura de agua de alimentao ( Entrada do Economizador) 175 oC 198 oCTemperatura de gua saida do economizador 240 oC 251 oCTemperatura saida do Sobreaquecedor 517 oC 516 oCTemperatura entrada do Reaquecedor 174 oC 297 oCTemperatura de saida do Reaquecedor 175 oC 430 oCTemperatura do Ar 21 oC 21 oCTemperatura de Exausto de Fumos 171 oC 171 oCCaudal de Ar 6,8679 m3/s 7.3745 m3/sCaudal de Combustvel 0.5805 kg/s 0.62321 kg/sCaudal de gua de alimentao 0.00694 m3/s 0.0094 m3/sCaudal de Vapor 8.33 kg/s 8.33 kg/s

Tabela 4apresentao dos resultados da simulao com e sem reaquecedor


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Valores simulador semReaquecdor

Valores simuladorcom Reaquecedor

Diferencial(S/Reaq.-C/Reaq)

Potncia(kJ/s)

% Potncia(kJ/s)

% Potncia(kJ/s) %

Economizador 2266,667 9,096179 1850 6,92207 416,6667 18,38235294Painis de Vaporizao 14458,33 58,02158 14058,33 52,60149 400 2,766570605Sobreaquecedor 5683,333 22,80733 5675 21,23392 8,333333 0,146627566Reaquecedor 0 0 2466,667 9,229426 -2466,67 -Fumos de Escape 1454,722 5,837829 1560,278 5,838028 -105,556 -7,25606263Perdas de Radiao 1055,833 4,23708 1115,833 4,175068 -60 -5,68271507Combustvel 24918,89 100 26726,11 100 -1807,22 -7,25241896

Eficincia/Rendimento 0,899 % 0.900% -0,001Tabela 5comparao dos resultados da simulao com e sem reaquecedor e respectivo diferencial

Perante a visualizao dos valores entre os dois casos apresentados, com reaquecedor e sem reaquecedor, conclumosque a presena deste elemento no influencia o rendimento, segundo a simulao. Tais resultados so incompatveis coma informao obtida sobre o tal caso, a qual a presena de reaquecimento no ciclo de rankine pode permitir um aumentode rendimento entre a ordem dos 4% a 5%, e o aumento dos rendimentos permitido por sucessivos reaquecimentos,aumenta a razo de metade do obtido pelo reaquecimento anterior, no justificando sucessivas repeties.

Aprofundando a anlise dos dados, verificamos que os caudais de combustvel e ar apresentam menor valor com apresena de um reaquecedor desligado, no entanto existe aumento no calor fornecido ao economizador, devido ao facto

de a gua vir da bomba a uma temperatura inferior. Esta sai do economizador ainda a uma temperatura inferior ao docaso com reaquecedor ligado. O que faz com que o calor absorvido pelos painis de vaporizao seja igualmente maior.No entanto, como existe menor consumo de combustvel, haver assim menos perdas nos fumos, por radiao e porcombustvel no queimado.

Este passo adicional tem como principal vantagem a reduo do desgaste por eroso da turbina, o qual conseguido peloelevar do ttulo da mistura sada desta. Conclumos ainda que mesmo sendo possvel a utilizao de materiais capazesde trabalhar com temperaturas superiores, logo com valores de ttulo superiores, no s aumentando assim o valor dotrabalho obtido como tambm permitiria o descarte da utilizao de reaquecimento.

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