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VII Seminário da Pós-graduação em Engenharia Mecânica

COMPORTAMENTO TRANSITÓRIO PARA EFICIÊNCIA TÉRMICA DE UM

AQUECEDOR DE COMBUSTÃO SUJEITO A INCRUSTAÇÃO DE FULIGEM

Ricardo Cecilio M. das Neves

Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica – Unesp – Bauru

Prof. Dr. Alcides Padilha

Orientador – Depto de Engenharia Mecânica – Unesp – Bauru

RESUMO Demandas constantes para a redução do desperdício de energia e aumento da

eficiência térmica, reduzindo os custos operacionais, tem sido um parâmetro importante nos

processos que fazem uso de máquinas térmicas, como caldeiras. Dentro do projeto construtivo

das caldeiras, os pré-aquecedores de ar desempenham um papel fundamental na determinação

da eficiência de recuperação de calor de baixo nível, tal como os gases de combustão antes de

enviá-los para a atmosfera. Em geral, para uma caldeira comum, a cada 22°C recuperado dos

gases de combustão por um pré-aquecedor de ar, a eficiência total do equipamento pode

aumentar em cerca de 1%. O trabalho proposto tem como objetivo mostrar experimentalmente

a perda de eficiência térmica de um pré-aquecedor de ar de uma caldeira de vapor

superaquecido durante sua operação. Esta análise abrange a relação da perda de troca de calor

por incrustações e entupimentos do banco de tubos do permutador de calor durante o seu

processo de operação. Para analisar as perdas térmicas foram realizadas medições de

velocidades máximas e velocidades médias através de tubos de Pitot e tubo de Venturi em

conjunto com a equação de Bernoulli, calculando-se a taxa de fluxo de massa da corrente de

entrada de gás e as de ar de combustão primário e secundário, ligando-os com a temperatura

de entrada e de saída para cada fluxo.

PALAVRAS-CHAVE: Caldeira, Pré-aquecedor de ar, Tubo de Pitot, Tubo de Venturi.

1 INTRODUÇÃO

O vapor como uma fonte de energia tem sido amplamente utilizado pelo homem há

anos. O primeiro registro de uma máquina movida a vapor, mesmo não sendo

necessariamente caracterizado na época, foi Eulípila, inventada por Heron de Alexandria em

200 D.C. A Eulípila nada mais era que uma esfera que continha duas saídas opostas, e quando

inserido água em seu interior e posta sobre o fogo, o vapor gerado fazia a mesma girar. Esta

invenção de Heron, daria anos mais tarde a base para o desenvolvimento de máquinas

rotativas movidas à vapor (BABCOCK E WILCOX, 2005).

Atualmente, as plantas a vapor são complexas e altamente sofisticadas, uma

verdadeira combinação de elementos de engenharia. O calor que produz o vapor pode ser

obtido tanto em combustíveis fósseis primários como o carvão, óleo ou gás natural, ou por

combustíveis nucleares na forma de urânio. Outras fontes de calor para a geração de energia

incluem gases de exaustão, bagaço ou biomassa, como ainda resíduos sólidos urbanos, fontes

geotérmicas, e fontes renováveis como a energia solar.


No campo da busca constante por eficiência energética, os esforços realizados para

aperfeiçoamento dos sistemas de aquecimento tem se resumido basicamente em: (LIAO ET

AL., 2004)

Aperfeiçoamento dos sistemas de isolamento térmico.

Aperfeiçoamento das caldeiras, convertendo as caldeiras de não condensação para

condensação.

Utilizando energia solar e outras fontes renováveis.

Controle de radiadores e sistemas de distribuição.

O grande enfoque dado atualmente para o desenvolvimento cada vez maior de

tecnologias renováveis está intimamente relacionado com a preocupação em substituir de

forma gradativa as fontes poluidoras e consequentemente melhorar o ambiente do planeta. O

grande volume de equipamentos tradicionais, assim como a disponibilidade e variedade de

combustíveis torna-se ainda, em termos econômicos, os processos convencionais mais

atrativos para as empresas. Na grande maioria, o parque industrial no mundo está defasado e

poucas empresas se preocupam em buscar o máximo da produção sustentável.

Cabe ressaltar, entretanto, que mesmo com o setor industrial estar

predominantemente equipado por equipamentos geradores de vapor com fontes poluidoras, os

órgãos ambientais está a cada dia aumentando e desenvolvendo métodos de controle das

emissões de carbono para a atmosfera. Aliado a isto, a mentalidade das empresas passam

também a sofrer mudanças positivas de forma gradativa, ou seja, muitas delas estão

percebendo que mesmo com processos de combustão onde a poluição é uma consequência, é

possível atingir altos índices de eficiência e produtividade dos equipamentos e processos

como forma de reduzir custos operacionais para buscarem maior competitividade ante o

mercado nacional e internacional. O resultado deste trabalho sem dúvida alguma reduz a

emissão de carbono na atmosfera, melhora a qualidade de vida das famílias que dependem

diretamente da cadeia produtiva, assim como das pessoas que os cercam. Tudo isto ocorre ao

mesmo tempo em que novas tecnologias são desenvolvidas por pesquisadores.

A ativa busca por economia de baixo carbono é uma tendência da sociedade atual. As

caldeiras são um tipo comum de equipamentos com alto consumo de energia. Atualmente, a

eficiência de uma caldeira não é alta, e uma grande quantidade de energia tem sido

desperdiçada na China. O teste de eficácia de uma caldeira é um modo efetivo de identificar

problemas e aperfeiçoar sua eficiência. Até 2008, o número total de caldeiras industriais em

utilização ultrapassava 578.200 unidades. (LV ET AL., 2012)

1.1 Principal contribuição

Há tempos que se comenta em ganhos de produtividade e eficiência em processos

industriais. A busca incessante por redução de custos nas empresas e redução do desperdício

de bens materiais tem se tornado constante nas empresas como uma forma de garantir

competitividade frente à concorrência, seja ela nacional quanto internacional.

Para atender esta demanda é necessário não somente tecnologia e mão-de-obra

capacitada para operar o processo térmico de geração de vapor. É necessário que se entenda

perfeitamente os detalhes de cada componente de um equipamento, de uma etapa de

transformação e aproveitamento térmico, ou seja, do todo. Contudo, o foco não deve ser dado

somente para o volume de produção, como a quantidade de vapor, por exemplo, e sim para a

qualidade da transformação da matéria-prima utilizada na combustão.


Neste contexto inserem-se os pré-aquecedores de ar de combustão. Estes

equipamentos recuperativos de calor são os maiores responsáveis pela determinação de

aumento ou redução da eficiência nos processos de combustão de caldeiras convencionais.

Frente ao panorama apresentado, o presente trabalho busca complementar de forma

experimental as pesquisas realizadas para ganhos de eficiência em caldeiras que utilizam pré-

aquecedores de ar na concepção de seu projeto. O pré-aquecedor analisado é parte

componente de uma caldeira de alta pressão cuja pressão, temperatura e vazão são

respectivamente 67kgf/cm², 520°C, e 150 toneladas de vapor gerado por hora.

O estudo irá analisar o comportamento transiente da operação de um pré-aquecedor

de ar de combustão, e seus efeitos nas diferentes situações de operação, incrustação, assim

como seu desempenho frente às mudanças climáticas. Será possível ainda, analisar a perda de

eficiência do sistema durante cada variação do desempenho do pré-aquecedor, como também

encontrar o custo do desperdício gerado durante operação.

2 DESENVOLVIMENTO

A alta eficiência é a característica chave para qualquer equipamento que converte

energia, e isto inclui caldeiras por exemplo. Entretanto é importante recuperar o máximo de

energia possível disponível em um combustível. Isto vem de encontro com o que os pré-

aquecedores de ar tem provado, ou seja, o de possuir uma importante influência sobre a

eficiência global de uma caldeira. A tarefa de um pré-aquecedor de ar é justamente a de

retornar um grande volume de calor que seria desperdiçado, o qual é carregado pelos gases de

combustão, e, através deste equipamento, retornar novamente para o processo de combustão.

(DROBNIC ET AL., 2006)

De maneira geral, o calor utilizado para o aquecimento do ar de combustão é

proveniente dos gases da queima do ou dos combustíveis utilizados pela caldeira. Embora

exista uma infinidade de formas construtivas e tamanhos de pré-aquecedores de ar, o mais

utilizado é o pré-aquecedor estacionário de superfície sólida e lisa, com geometria tubular.

Este tipo de equipamento é largamente instalado em pequenas, médias ou grandes caldeiras,

principalmente por se tratar de um equipamento de baixo custo, pouca manutenção e alto

benefício. Nestes dispositivos, a energia térmica é transferida ao ar de entrada de forma

indireta, onde os gases passam de forma descendente com fluxo laminar dentro do banco de

tubos, e externamente ao banco de tubos, o ar passa de forma ascendente com fluxo altamente

turbulento. Por condução e convecção o calor é transferido dos gases para o ar que será

utilizado para a combustão que ocorrerá na fornalha da caldeira.

Os pré-aquecedores são classificados conforme os princípios de operação como recuperativo

ou regenerativo (BABCOCK AND WILCOX, 2005):

Regenerativos: estes pré-aquecedores são os mais amplamente utilizados para

aquecimento de ar de combustão em plantas de geração de energia elétrica. A

característica operacional mais notável é o pequeno, mas significante volume de

vazamento de ar para os gases que ocorrem neste tipo de equipamento rotativo. Os

equipamentos mais comuns e conhecidos são o Ljungström, e o Rothemühle, o qual

possui um sistema de funcionamento muito similar ao primeiro citado.

Recuperativos: este tipo de pré-aquecedor de ar trabalha com uma pequena contaminação

cruzada ou vazamento entre os fluxos. As superfícies de transferência de calor mais

comum são a tubular e a placa. Para pré-aquecedores tubular, o contrafluxo e o fluxo

cruzado são os mais comumente utilizados, e, consiste nos gases percorrendo a parte

interna do banco de tubos, enquanto o ar percorre a área externa dos mesmos.


Os pré-aquecedores à placa com o tempo foram entrando em desuso principalmente

pelos problemas que os selos apresentavam em termos de vazamentos entre os fluxos. Da

mesma forma que o aquecedor tubular, este também transfere calor por contrafluxo.

Atualmente, este tipo de aquecedor é utilizado apenas em pequenas aplicações de utilidades,

principalmente pelo aperfeiçoamento ocorrido com os selos das placas.

Para os dois casos de pré-quecedores, tanto regenerativo como recuperativo existem as

vantagens e desvantagens que a Tabela 1 discrimina.

Tabela 1. Vantagens e desvantagens dos tipos de pré-aquecedores

Tipo Vantagens Desvantagens

Recuperativo Baixo vazamento Grande e pesado

Sem movimento de peças Dificuldade de substituição de superfície

Regenerativo

Compacto Vazamento

Fácil reposição de superfície Alta manutenção

Potencial de fogo

No Brasil, principalmente devido o grande desenvolvimento de equipamentos

voltados para o setor de açúcar e álcool, impulsionou a utilização de pré-aquecedores do tipo

recuperativo em formato tubular.

O trocador de calor em estudo possui escoamento cruzado, e os tubos não possuem

aletas. Por esta razão, a dimensão do equipamento se torna elevada. Para efeito de redução de

custo direto da implantação do projeto, o material utilizado para a troca térmica não é o mais

eficiente, embora se atinja o resultado de recuperação esperado dentro do processo de troca

térmica. A Tabela 02 descreve o dimensional e o material utilizado no banco de tubos do

trocador de calor utilizado para aquecimento do ar de combustão.

Tabela 02. Especificação técnica dos tubos do pré-aquecedor de ar

Diâmetro (mm) Espessura (mm) Quantidade Comprimento

(mm) Material

63,5 2,25 3.472 11.730 SAE 1008

3. METODOLOGIA

Para fundamentação do experimento, foi necessário estabelecer os fluxos de massa

de cada corrente de ar, assim como dos gases de combustão. A Figura 01 ilustra de forma

clara como ficou a configuração do sistema para início do experimento.


Figura 01. Determinação do volume de controle

A condição de contorno utilizada neste trocador de calor, principalmente pela grande

dificuldade em monitorar simultaneamente todas as vazões, foi a considerar que as vazões de

entrada são iguais às vazões de saída. Isto para ar primário, ar secundário e gases de

combustão. Em resumo, os instrumentos de medição, que definiram os dados para o balanço

se estabeleceu conforme Tabela 03:

Tabela 03. Balanço de instrumentos do experimento

O diagrama de instalação dos instrumentos para monitorar este processo pode ser

visualizado através da Figura 02. É muito importante ressaltar que todos os dutos de entrada

como saída, isto para quaisquer vazões, é retangular.

SECONDARY AIR

PRE-HEATER

PRIMARY AIR

PRE-HEATERPrimary Fan

Secondary FanAtmospheric Air

Hot

Primary Air

Hot

Gas

Atmospheric Air

Pitot Tube

Location

Pitot Tube

LocationVenturi Tube

LocationT1 (°C) - In

Hot

Secondary Air

T1 (°C) - Out

T2 (°C) - In

T2 (°C) - Out

Hot Gas Inlet

T3 (°C) - In

T3 (°C) - Out

Cold Gas

Outlet

Figura 02. Diagrama de processo e instrumentação


3.1 Desenvolvimento tubo de Venturi

Por se tratar de um grande equipamento, assim como o alto grau de impurezas

contidas nos gases de combustão, para se estabelecer tal balanço de massa, foi necessário

desenvolver um sistema de medição da vazão volumétrica e consequentemente da vazão

mássica. Este equipamento necessitava ter alta resistência a temperaturas altas, assim como

abrasão e dificuldade em apresentar entupimento dos tubos de pressão. Neste caso foi

desenvolvido um tubo de Venturi especialmente para esta aplicação conforme a Figura 3.

Esse equipamento foi desenvolvido manualmente respeitando a norma ISO 5167 para um

Venturi Clássico.

Figura 03. Tubo de Venturi utilizado para medição volumétrica dos gases

A calibração do Venturi foi realizada através de túnel de vento com inversor de

frequência, anemômetro, colunas manométricas, e termômetro. A curva de fluxo para a faixa

de atuação do tubo de Venturi está descriminada abaixo através da Figura 04, assim como a

equação que rege curva através da Equação 01.


Figura 04. Curva de vazão do tubo de Venturi

5.0_0324.0 dinâmicapressãoVazão

(01)

A Equação 02, expressa a curva de vazão volumétrica do Venturi aplicado no

experimento. O valor da pressão dinâmica é adquirido através de transmissor de pressão

diferencial.

A Figura 05 demonstra o tubo de Venturi já instalado dentro do duto de saída de

gases antes do pré-aquecedor de ar.

Figura 05. Detalhe do tubo de Venturi instalado

3.2 Desenvolvimento tubo de Pitot

Para realizar o monitoramento das vazões de ar, tanto secundário quanto primário,

optou-se pelo desenvolvimento e instalação de tubos de pitot. A escolha se deu pela facilidade

em desenvolver o instrumento, assim como por sua peculiar utilização. A grande vantagem

neste processo foi o realizar a medição para obtenção das vazões de ar, que por sua vez

apresentam temperaturas ambientes, e estão livres de impurezas, como já é o caso dos gases

0.0000

0.0500

0.1000

0.1500

0.2000

0.2500

0.3000

0.3500

0.0000 20.0000 40.0000 60.0000 80.0000 100.0000

Vaz

ão (

m³/

seg)

Pressão dinâmica (mmH2O)

Curva de Fluxo

Potência ()


de combustão medidos através do tubo de Venturi. Para ambos os fluxos de ar medidos

(corrente de ar primário e corrente de ar secundário), os dutos são retangulares.

A grande dificuldade em realizar o monitoramento das pressões dos tubos de Pitot

simultaneamente com o restante das variáveis de processo foi justamente não possuir outros

dois transmissores de pressão diferencial. Desta forma optou-se por deixar o transmissor

monitorando as diferenças de pressão do tubo de Venturi em tempo integral. Entretanto, para

não se perder a referência de vazão simultaneamente às demais variáveis de processo, uma

curva de vazão para cada ventilador (primário e secundário) foi desenvolvida. Esta curva se

baseou um relacionar a rotação dos motores dos ventiladores (uma vez que os mesmos são

variáveis com a utilização de inversores de frequência). Tais rotações por sua vez passaram a

ser historiadas em intervalos de 10 segundos, juntamente com as outras variáveis de processo,

incluindo o tubo de Venturi. Para atingir o resultado com uma uniformidade maior, tomaram-

se alguns cuidados em definir as condições de contorno neste processo de geração de curva.

A pressão interna da fornalha foi definida em regime permanente;

O ar foi definido como um fluido incompressível, devido o número Mach <0,3

(FOX ET. AL. 2011);

O atrito dentro dos tubos de pitot foi desprezado;

O fluxo de ar primário e secundário foi estabelecido em regime de escoamento

laminar;

Com os instrumentos posicionados em cada duto, com a utilização de um transmissor

de pressão diferencial para coletar as pressões, iniciou-se a coleta dos dados a cada 10

segundos, juntamente com o valor de rotação do motor para cada ventilador. Foi necessário

gerar uma relação de pressão diferencial versus rotação do motor do ventilador, uma vez que

para o experimento somente um transmissor estava disponível. As coletas de dados para

realização desta curva de relação teve duração exata de 1 (uma) semana para cada ventilador.

Isto gerou exatamente 60.480 pontos de medição para cada uma das variáveis, sendo pressão

diferencial em mmca para o tubo de Pitot, e rotação do motor do inversor em RPM (rotações

por minuto). Conforme já mencionado nas condições de contorno, a pressão interna da

fornalha foi tomada como regime permanente, uma vez que não foi possível encontrar relação

direta com a entrada de ar. O ventilador primário gerou a curva demonstrada na Figura 06,

seguida da Equação 02, e na Figura 07 pode ser visualizada a curva para o ventilador de ar

secundário, seguida da Equação 03.

Figura 06. Curva de relação diferencial de pressão x RPM ventilador primário


27,37339.00317.1

068.10932.11366.3_

2

345

xxE

xExExEdinâmicapressão

(02)

Onde o valor de x representa a rotação do motor do ventilador.

Figura 07. Curva de relação diferencial de pressão x RPM ventilador secundário

63.2326.00011.00641.2

0977.21261.11667.3

23

456

xxxE

xExExEY

(03)

Onde o valor de x representa a rotação do motor do ventilador.

4. RESULTADOS

Uma prévia dos dados coletados logo após a instalação dos instrumentos da caldeira

deu-se em um intervalo de 1.194 horas de operação da caldeira. No primeiro momento de

coletas, todos os dados de rampa de início e término do equipamento (caldeira) foram

eliminados a fim de entender o seu comportamento à plena carga. A análise de eficiência do

pré-aquecedor de ar deu-se através de balanço de massa e energia.

O fluxo de calor foi calculado para cada corrente independente, e seu cálculo se deu

conforme a Equação 04. No fluxo do processo que pode ser visualizado na Figura 01 do

Capítulo 3 é possível verificar que os gases de combustão tanto aquecem o ar secundário (cujo

aquecimento ocorre primeiro) quanto o ar primário. Por se tratarem de correntes onde existe

contato indireto entre elas, a forma mais interessante de se obter a eficiência global do

equipamento é com o balanço dos fluxos conforme Equação 05.

TCmQ p

(04)

gas

airondaryairprimary

Q

QQEficiência

_sec_

(05)


Tem-se que

Q é o fluxo de calor e

m o fluxo de massa, com pC como coeficiente de calor e

T como diferencial de temperatura de entrada e saída no trocador de calor. Os valores

utilizados para o coeficiente de calor do ar foi retirado de tabela termodinâmica (ÇENGEL

ET. AL, 2006). Para o coeficiente de calor utilizado para os cálculos de fluxo de calor dos

gases de combustão, foi necessário utilizar software de combustão VULCANO versão 1.1 de

08/05/2006.

Para a obtenção dos fluxos de massa para o ar secundário e ar primário através das

medições com os tubos de Pitot, se utilizou o valor da densidade para ar (ρ) de 1,1245 kg/m³.

Este valor foi retirado com base na altura da cidade de Lins-SP, onde a termoelétrica está

instalada, e cujo valor é de 436m. A equação de cálculo da velocidade máxima que percorre o

tubo é dada através da equação de Bernoulli (Equação 06). Como já mencionado

anteriormente, os tubos de Pitot foram instalados de forma a atingir o valor de velocidade

máxima da parábola de escoamento laminar. Para obter o valor de velocidade média para

cálculo da vazão volumétrica, a Equação 07, similar a Hagen-Poiseuille para escoamento

laminar entre placas planas foi utilizada (BIRD ET. AL, 1960).

air

ppV

)(*2 0max

(06)

Vvmed max3

2 (07)

O valor de 0p

é a pressão de estagnação, e p

é a pressão estática retirada da parede do duto,

sendo

a densidade do ar. Para a Equação 07, medv representa o valor calculado da

velocidade média, e V max é a velocidade máxima obtida através da Equação 06.

O resultado desta primeira análise pode ser vista na Figura 08. Tal resultado gráfico

demonstrou uma anomalia no sistema de medição, ou sistema físico do equipamento. Pelo

balanço teórico, o valor teria que ser próximo a 100%. Como na prática existem perdas para o

ambiente este valor necessariamente se apresentaria pouco menor, porém não na ordem de

60%.


Figura 08. Comportamento transitório da eficiência térmica

Foram analisados todos os pontos de medição para encontrar possíveis desvios,

assim como análise física da caldeira. Os pontos de medição se apresentaram normais. O

desvio de valores se deu através da análise física da caldeira. Alguns pontos encontrados

foram de encontro com os baixos valores de eficiência térmica, o qual se pode citar

diretamente o balanço de massa. Neste experimento, considerou-se para cada fluxo de massa

como sendo iguais entradas e saídas. Pela análise das temperaturas, os valores apresentados

no experimento condizem os valores de processo. Os resultados levaram a análise diretamente

à checagem visual para possíveis vazamentos entre os fluxos. A Figura 09 demonstra o

ocorrido dentro do sistema, o qual justifica os baixos valores de eficiência. Em resumo, houve

a necessidade de substituição dos tubos danificados. Neste caso a empresa optou por substituir

100% dos tubos do pré-ar da caldeira.

Figura 08. Banco de tubos danificados

0.00%

10.00%

20.00%

30.00%

40.00%

50.00%

60.00%

70.00%

80.00%

744 794 844 894 944 994 1044 1094 1144 1194

Efic

iên

cia

Horas de Operação


4.1 Análise pós-substituição do banco de tubos

Após o retorno do processo, já com o sistema do pré-aquecedor de ar reformado com

a substituição de 100% dos tubos, iniciou-se novamente a coleta de dados para realização da

segunda análise de eficiência térmica. Para a segunda análise, um comparativo entre a norma

ASME PTC 4.1 (ASME, 1968) para testes de performances para pré-aquecedores de ar de

caldeira, e o balanço convencional de energia foram feitos. As equações para o cálculo

convencional de balanço térmico já descrito no item 4 foram os mesmos utilizados nesta

segunda análise. Não somente as equações, mas também os valores de densidade do ar,

coeficiente de calor para o ar e gases de combustão foram os mesmos.

O objetivo desta segunda análise foi comparar e ilustrar os resultados alcançados

entre os dois diferentes métodos de análise de performance. Para esta segunda análise, o

tempo total de dados coletados foi de aproximadamente 800 horas. Da mesma forma como a

primeira análise, os valores de rampa de partida e parada foram desconsiderados, ou seja,

somente o tempo durante produção foi considerado.

Para o método ASME PTC 4.1, a Equação 08 descreve o conceito. A Figura 09 apresenta o

resultado comparativo dos dois métodos.

(08)

Onde é a temperatura de entrada do gás, é a temperatura de saída do gás, é

a porcentagem de vazamento de ar, é o coeficiente de calor do ar, é o coeficiente de

calor do gás, é a temperatura de entrada de ar (temperatura ambiente). Vale novamente

ressaltar que os coeficientes de calor foram os mesmos utilizados para o item 4. Para esta

comparação, a porcentagem de vazamento de ar foi considerada nula, uma vez que os tubos

foram 100% substituídos.

Figura 09. Comparativo entre balanços de eficiência


5. CONCLUSÕES

Os resultados acima demonstraram valores de eficiência baixos para o trocador de

calor. Na primeira análise, este número se acentuou de forma ampla, onde através de inspeção

mais detalhada sobre o equipamento utilizado no estudo foi possível verificar uma grande

anomalia que resultou em substituição por completo do banco de tubos do equipamento.

Como uma das condições de contorno foi justamente a de considerar entradas iguais às saídas,

o balanço de massa se distanciou do valor ideal. O que ocorreu na prática para acontecer esta

grande diferença no balanço é que por se tratar de “insuflamento” de ar, a pressão do fluxo de

ar secundário está positiva, sendo o oposto do lado dos gases de combustão, que por sua vez

estão sobre vácuo. Desta forma, parte do ar secundário passa para os gases de combustão, que

por sua vez, além de se perder a referência de saída das massas, “esfriou” parte dos gases de

combustão, que consequentemente afetou a saída de temperatura para a corrente de ar

primário. Para este estudo em questão e decisão de substituição dos materiais danificados

foram de grande valia, uma vez que foram de encontro com a ideia de se definir a condição de

contorno para as massas de entrada iguais as de saída.

O resultado da segunda análise já com os tubos em condição ideal demonstrou

melhores resultados dos números quando comparado à primeira análise. Embora durante o

período de análise coletado o fator incrustação de maneira macro não efetuou grande

diferença nos resultados apresentados. A comparação entre o método de balanços utilizando

as massas medidas, denominado aqui como Convencional, com o método registrado na

ASME, cujo leva em consideração as temperaturas do sistema foi de grande valia. Mesmo que

os métodos apresentem certa diferença de valores, o comportamento é similar, o que mostra

que as medições de massa para os fluxos de ar primário, secundário e gases de combustão

foram realizados com sucesso, e a condição de contorno possui validade nos resultados.

Embora os dados apresentados na Figura 09 através do método utilizado neste

trabalho (linha convencional) variem a todo o tempo, é possível analisar uma ligeira queda de

eficiência. O início desta queda está relacionado com a incrustação de fuligem. Para o período

em estudo, o consumo de bagaço foi de 35 toneladas por hora (sendo com a operação cheia 66

toneladas por hora). Através das medições de cinza retirada da caldeira, é possível chegar em

5% sobre o bagaço consumido, isto é o mesmo que dizer que cerca de 1,75 toneladas por hora

de cinzas percorreu as paredes internas do pré-aquecedor de ar.

Entretanto, mesmo não estando o trabalho concluído, é possível verificar que é

possível realizar um acompanhamento a fundo das variáveis de processo, e atingir um grau de

confiabilidade grande a fim de estipular momentos de parada e manutenção para verificação,

e recomposição do fator incrustante que prejudicam o rendimento do pré-aquecedor de ar.


REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ASME, 1968. Performance Test Code 4.1 Air Heaters

BABCOCK AND WILCOX COMPANY, 2005. Steam Its Generation and Use. Edition 41.

I-1; 20-1 20-17 p.

Y. A. Çengel and M. A. Boles, Thermodynamics: An Engineering Approach, 5th ed,

McGraw-Hill, 2006. 959 p.

Drobnic, Bostjan, Janez Oman, e Matija Tuma. 2006. “A numerical model for the analyses of

heat transfer and leakages in a rotary air preheater”. International Journal of Heat and Mass

Transfer 49 (25-26) (dezembro): 5001–5009. doi:16/j.ijheatmasstransfer.2006.05.027.

Liao, Z., e A.L. Dexter. 2004. “The potential for energy saving in heating systems through

improving boiler controls”. Energy and Buildings 36 (3) (março): 261–271.

doi:10.1016/j.enbuild.2003.12.006.

Lv, Tai, Linghao Yu, e Jinmin Song. 2012. “A Research of Simplified Method in Boiler

Efficiency Test”. Energy Procedia 17, Part B: 1007–1013. doi:10.1016/j.egypro.2012.02.200.

R. Byron Bird, Warren E. Stewart, Edwin N. Lightfoot., 1960. Transport Phenomena.

Second Edition. John Wiley & Sons, Inc. 96 p.

Robert W. Fox, Philip J. Pritchard, Alan T. McDonald., 2011. Introdução à Mecânica dos

Fluidos. Sétima edição. 54 p.

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