Steam Boiler Calculations

8/2/2019 Steam Boiler Calculations

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Nucleo de Excelncia emGerao Termeltrica e Distribuda

St eam Boi le rCalcu la t ionsSBC

Prof . Electo Eduardo Silva [email protected]

UNI VERSI DADE FEDERAL DE I TAJUB
mailto:[email protected]:[email protected]


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St eam Boi le r Ca lc u la t ionsSBC

Elaborado conjuntamente con el Prof. Dr.Alexander Pavlovich Paramonov de laUniversidad Politcnica de San Petersburgo

(Russia) durante dos visitas de intercambioacadmico por periodos de 4 meses a la

Universidad Federal de Itajub en 2003 y 2005.


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TRABAJOS DE INVESTIGACIN DEL NESTEN EL SECTOR AZUCARERO

Anlisis termodinamico y exergo-economico desistemas de cogeneracin.

Optimizacin de programas de diversificacin.

Elaboracin de programas para clculos deproyecto en calderas.

Elaboracin de programas para la seleccin de

tecnologias de control de la contaminacinatmosfrica.

Modelacin de la produccin de biogas porbiodigestion anaerobica de las vinzas y uso

energtico de este combustible. Anlisis del ciclo de vida de diferentes

productos (electricidad excedente, vinazas).

Oportunidades de las nuevas tecnologias(obtencin de etanol por hidrlisis del bagazo,BIG/GT, clulas a combustible).


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DESCRIPCIN DEL PROGRAMASTEAM BOILER CALCULATIONSSBC.El programa Steam Boiler Calculations

(SBC) permite la realizacin de los clculostrmico y aerodinmico de calderas decirculao natural com capacidad entre 20y 900 ton/h que utilizan cualquer tipo decombustble.


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APLI CACI ONES DEL SBC.

- Diseo de nuevas calderas- Definicin de la eficiencia necesria de la

caldera para diferentes aplicaciones.- Optimizacin del esquema trmico y

aerodinmico de la caldera- Investigacin de los regimenes de operacin de

la caldera a cargas parciales

- Seleccionar los ventiladores de tiro forzado y detiro inducido.

- Elaboracin de datos de pruebas de balancetrmico.


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Vantagens do SBC

- Este programa fue desarrollado como parte del proyectoOtimizacin de la utilizacin del potencial energtico de lacaa de azcar con la minimizacin de los impactosambientales (CT COPERSUCAR/UNIFEI 2000-2005) loque permitio que el grupo de energia del CT COPERSUCARrealizara la validacin del programa con datos de pruebas

de una caldera. La versin actual del programa incluye lassugerencias y recomendaciones realizadas en estaocasin.

- Los creadores del SBC poseen mas de 20 aos deexperiencia en el diseo y evaluacin de calderas para

bagazo y otros combustbles.


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Algo ms sobre el SBC

- Libros y articulos publicados.

- Cursos.

- Los interesados en mayores detalles sobre el SBC puedenhacer el download del help do programa en

www.nest.unifei.edu.br

- Consultas on-line.

- Desarrrollo posterior: Hidrodinamica, clculos deresistencia, modelacin aplicando CFD de los procesos decombustin y aerodinamica en el horno.


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ENTRADA DE DADOS

En esta ventana se monta el esquema de la caldera a partir de 24 elementosindependientes mostrados en el proximo slide


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Los elementos disponbles estan distribudos en 4 grupos:

A- Intercambiadores de calor

B- Elementos de los conductos de vapor y aguaC- Elementos de los conductos de aireD- Elementos de los conductos de gases

Los elementos en la ventana de entrada de datos se conectan con lineas


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Los elementos en la ventana de entrada de datos se conectan con lineas.Los dados sobre la composio del combustvel y otros dados de la calderason introducidos en tablas.

Haciendo clic encima de un elemento dado aparece una ventana con una tabla de


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Haciendo clic encima de un elemento dado aparece una ventana con una tabla deentrada de datos e un esquema que escalarece el sentido de cada dado


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Despues de la entrada de dados y aprertando el botn calculo, el usuario dispone delos resultados de los clculos directamente sobre el esquema de la caldera. Aqui porexemplo se muestran las temperaturas de los gases despues de cada superfcie. Esposible disponer de esta manera de los resultados de 40 variables.


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Los resultados pueden ser presentados tambiem en forma detabla exportada para el ambiente EXCEL.


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Ejem plo de ut i l izac in del

SBC Determinacin de la temperatura

optima de los gases de escape decalderas para aplicaciones decogeneracin


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Determinacin de la t emperatura opt ima de losgases de escape

para aplicaciones de cogeneracin

Caldera modificadaCaldera original

* Esquemas originais cedidos pela CALDEMA


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Ef ic ienc ia en c a lderas

para bagazo 82-83%

Potencial de aumento de eficiencia porreduccin de la temperatura de los gases deescape, actualmente ~ 220 C.

Otra forma de mejorar la eficiencia es el uso desistemas de combustin ms eficientes.

Aumento de la eficiencia en 1-2% comoconsecuencia de la disminucin de losinquemados slidos.


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Aborda jes de l problem a

Considerado el costo incremental anual de

operacin de la caldera (abordaje I)

Comercializacin del excedente de electricidad

(abordaje II).

Estos resultados dan respuesta a la pregunta

sobre cual seria la meta de eficiencia para lascalderas a bagazo acopladas a sistemas de lacogeneracin modernos, lo que constituye elobjetivo principal de este trabajo.


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Vist a la t era l de la c a ldera APU-50ut i l izada c om o re ferenc ia en los c lcu los


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Esquem a de la c a ldera APU 50 im plem ent adoen la pant a l la del SBC


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Drum

Furnace

Primary air heater IIIEconomizer

Superheater

Secondary air heater I

Primary air heater II

Primary air heater I

Forced draft fan

Forced draft fan

Induced draft fan

Forced draft fan

Secondary air heater II

Main bank


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El porque no es posib le d im e nsionar

super f ic ies c onvec t ivas por separado En el esquema trmico de la caldera el economizador est

generalmente localizado despues del calentador de aire y por

lo tanto no se espera que tenga ninguna influencia sobre latemperatura del aire.

La disminucin de la superfcie economizadora provoca el

aumento de la temperatura de los gases de escape, lareduccin de la eficiencia de la caldera y un aumento en elconsumo de combustible. Esto lleva a su vez al aumento delflujo y de la temperatura de los gases y en consecuencia al

aumento de la temperatura del aire a la salida del calentador. .

Estos resultados demuestran que no es correcto realizar elclculo trmico de las superfcies convectivas separadamentedel resto de las superficies de la caldera. Es por esta razon queel SBC no considera esta posibilidad.

Relacin entre el consumo de


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Relacin entre el consumo decombustible y la superficie

economizadora para la caldera APU-50


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Relacin entre la temperatura de salida de los

gases del horno y la superfcie economizadorapara la caldera APU-50

Esquem a de d ispos ic in de las


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super fi c ies de c a len t am ien t o

Esquem a t rm ic o de la p lant a de cogenerac in


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Esquem a t rm ic o de la p lan t a de cogenerac inc on los resu lt ados obt en idos

ut i l i zando e l sof t w are Gat e-Cyc le.

Variac in en e l consum o de com bust ib le en lald l i id l


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c a ldera y en la pot enc ia c onsum ida por losvent i ladores de t i ro induc ido y forzado en re lac in

c on la t em perat ura de los gases de esc ape

Relac in ent re la ef ic ienc ia de la c a ldera


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Relac in ent re la e f ic ienc ia de la c a lderay la t em perat ura de los gases de esc ape

Dependenc ia de l c ost o anual deoperac in de la c a ldera c on la


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operac in de la c a ldera c on lat empera t ura de los gases de esc ape de

la c a ldera para un prec io de lc om bust ib le de 30 R$/t

RESULTADOSABORDAJ E I

Dependenc ia ent re la t em perat ura


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opt im a de los gases de esc ape

de la c a ldera y e l prec io do bagazo

Relac in ent re e l VPN yla t empera t ura de los gases de esc apeRESULTADOS


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la t empera t ura de los gases de esc apepara c uat ro opc iones de mod i f icac inc onst ruc t iva y un prec io de c omerc ia l izac inde la e lec t r ic idad ex c edente de 120 R$/MWh

RESULTADOSABORDAJ E II

Relac in ent re e l VPN y la t em perat ura de los


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Relac in ent re e l VPN y la t em perat ura de losgases de esc ape para d i ferentes prec ios de

c om erc ia l izac in de la e lec t r ic idad ex c edent e


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FUNDAMENTOS TERICOSDEL CLCULO TRMICODE CALDERAS


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No dimensionamento de uma nova caldeira,

ou no reclculo de uma caldeira j existentepara a sua converso a um tipo diferente decombustvel ou reforma, o clculo datransferncia de calor em fornalhas a partemais importante e complexa.

A transferncia de calor na fornalha ocorrefundamentalmente por radiao, com exceodas fornalhas ciclnicas ou de outros tipos ondeos gases circulam com alta velocidade tornando

importante a componente convectiva.

Mtodos de clculos de la


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Mtodos de clculos de la

transferencia de calor en hornos Empricos - caracterizam-se pela determinao da

relao existente entre as variveis com base em dados

experimentais. A sua principal desvantagem aimpossibilidade de utilizar os resultados obtidos paracondies diferentes aquelas dos testes. Na prticaestes mtodos so pouco utilizados.

Analticos - baseados nas solues das equaesdiferenciais que descrevem a aerodinmica e acombusto. As principais firmas fabricantes de caldeirasj desenvolveram softwarespara o projeto trmico das

mesmas. CFX. Combinados: baseados nas tcnicas de anlise

dimensional. Os nmeros adimensionais so derivadosa partir das equaes analticas e com base nos dados

empricos se determinam a relao entre estes.

teto


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hq

lf

lt

hf

Sistema de ecuaciones para el clculo de la


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ptemperatura terminal de los gases en hornos

(Mtodo analtico)

)T-T(VC=)h-Q(=Qtfa

tff

f

b

)T

-T

(C

H=Q 4

c.e

4

ch

Rfof

r

)T-T(

)1

+(C

H=Q s.tc.e

2

Rfc

Mtodo combinado


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Mtodo combinadoCritrio adimensional determinante durante a anlise dosprocessos de transferncia de calor em fornalhas.Caracteriza a relao entre o calor absorvido na fornalhacom um resfriamento relativo dos gases (Ta - Tft) / Ta e a

quantidade de calor liberada nesta durante a combusto temperatura adiabtica (Ta).

TF

VCC

=B 3apfo

o

Ecuacin de Gurvich


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Ecuacin de Gurvich

Expresin para el clculo de la temperatura terminalde los gases obtenida a partir del anlisis de datosexperimentales utilizando el critrio de Boltzman

1+)

B

(M

1=

T

T=

0,6

o

fa

tft

f

Emisividad (grado de negrura) del


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Emisividad (grado de negrura) del

horno

fchch

chf.)-(1+

=

)F/A-(1)-(1)-(1-1F/A)-(1+=

pfch

pchchf

Fornalhas de queima em suspenso:

Fornalhas de queima em camada:

e-1=

-kps

ch

.X=

F

F.=p

pi

if


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Sistema de ecuaciones para elclc lo de s perficies de calentamiento


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clculo de superficies de calentamiento

)h+h-h(=Qsg

egg

C

)h-h(m

=Q=Q

ei

sii

Ti i

&

C

HTK=Q iiiTi

)T

T(2,3

T-T=T

2

1

21

log


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Documents

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