Trabalho 2 - Simulador de Caldeira Final

TERMODINÂMICA APLICADA Simulação de Caldeira a Vapor

Didacta TS101D Simulador de uma caldeira caldeira de aquecimento aqui-tubular Professor João Monteiro Marques João Miguel – Nº: 26792 Paulo Pires – Nº: 35816 Marco Barros – Nº: 35881 Tiago Francisco – Nº: 35892

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INDICE Objectivo___________________________________________________________________3 Introdução__________________________________________________________________3 Equipamento da Central_______________________________________________________3 Simulação da Caldeira com reaquecedor__________________________________________5 Dados obtidos da simulação com reaquecedor_____________________________________6 Balanço térmico da potência nos diversos componentes______________________________7 Cálculos____________________________________________________________________7 - Quantidade de calor fornecido pelo combustível_____________________________7 - Potência térmica nos permutadores_______________________________________7 - Economizador________________________________________________________8 - Painéis de vaporização_________________________________________________8 - Sobreaquecedor ______________________________________________________8 - Reaquecedor _________________________________________________________8 - Fumos ______________________________________________________________9 Rendimento da caldeira pelo método das perdas___________________________________9 Rendimento da caldeira pelo método directo_______________________________________9 Análise comparativa de dados___________________________________________________9 Simulação caldeira sem reaquecedor____________________________________________10  ________________11 Potências obtidas pelo simulador sem Reaquecedor e conclusões ______ ________________11

Bibliografia_________________________________________________________________13

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Objectivo O objectivo do trabalho realizado é estudar o funcionamento de um gerador de vapor, e todas as trocas de calor e fluxos energéticos existentes em todos os seus componentes. Como ferramenta de auxilio para realização do trabalho foi utilizado programa informático de simulação da Didacta Itália.

Introdução Geradores de vapores são equipamentos destinados a mudar o estado da água do líquido para o vapor, que iremos designar por caldeira. Estes equipamentos podem funcionar com vários fluidos de trabalho, designados por fluidos térmicos, mas o principal é a água devido ao seu elevado calor especifico, á sua abundância, a sua estabilidade e por não apresentar qualquer tipo de toxicidade. A caldeira é constituída por 3 circuitos fundamentais onde as suas funções são indispensáveis e complementares umas das outras. O circuito água-vapor  tem como função transportar o fluido entre os vários componentes da central. Utiliza água desmineralizada (H2O) que circula num circuito fechado O circuito ar  –  fumos encarrega-se de fazer «respirar» a caldeira, tratando da injecção de ar na câmara de combustão e procedendo á remoção dos fumos provenientes da queima, fazendo a ligação aos permutadores de calor a jusante da caldeira. O último circuito das cinzas, pode ou não existir conforme o tipo de combustível usado na central em estudo. Nos casos das centrais a carvão, está situado abaixo da caldeira, e é constituído por depósitos em forma piramidal invertida (tremonha), destinados á recuperação do carvão não queimado, semi-queimado e as cinzas do carvão.

Equipamento da Central De seguida fazemos uma breve descrição de alguns al guns dos componentes da central em estudo: Caldeira: É aqui que se dá a combustão do ar com o combustível, libertando-se o calor necessário às alterações de estado do fluido de trabalho. A queima do combustível desejavelmente seria estequiométrica, processo em que há a quantidade ideal de ar para a quantidade ideal de combustível. Isto significa que todo o combustível é queimado e não sobra nenhum ar. No entanto na prática isso não acontece, sendo que se verificam ou uma mistura rica (excesso de combustível, em que parte dele não é queimado e que pode explodir de modo não controlado, levando a uma explosão da caldeira) ou pobre (excesso de ar, resultando na produção de emissões não desejadas e dando origem a corrosão das paredes da caldeira devido ao excesso de ar). Assim sendo procura-se obter uma mistura marginalmente pobre, mas não em demasia, pois isso causaria uma perda de rendimento na caldeira. No caso do simulador há valores limite que provocam o apagamento da chama de combustão. O ar fornecido pela conduta de alimentação muitas vezes não é o único ar na câmara de combustão, podendo entrar algum ar extra pelas janelas de visualização e juntas. Este ar é chamado «ar vagabundo». De modo a obter-se o valor óptimo de mistura ar/combustível, fazem-se medições aos fumos de exaustão. ISEL – Termodinâmica Aplicada – Simulação de caldeira de vapor - SV10/11 – LM41N

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O ar fornecido á caldeira é efectuado através de injecção forçada via ventiladores, assim como a extracção dos fumos muitas vezes é feita de modo análogo. A pressão interna da caldeira é de ligeiro vácuo, obtido através da conjugação dos ventiladores de admissão e exaustão. É no entanto necessário ter bastante cuidado em manter o nível de pressão adequado de modo a evitar uma implosão da caldeira. O ar de combustão pode ser pré-aquecido de modo a aumentar o rendimento da queima, trocando calor com os gases de combustão por radiação entre tubagens. Aproveitando o calor produzido na caldeira temos os seguintes equipamentos: Painéis de vaporização: É aqui que se dá a passagem da fase líquida para a gasosa. Este fenómeno ocorre quando a água, ao circular por tubagens tangentes á caldeira, recebem calor desta. O vapor segue então para o sobreaquecedor através do barrilete. Sobreaquecedor: É mais um permutador da caldeira, e aqui a temperatura do vapor de água vai ser elevada em relação á temperatura de saturação para o valor de trabalho. O fluido recebe calor proveniente dos gases da queima da caldeira, sendo este trocado através das paredes das tubagens. Reaquecedor: Recebe o vapor proveniente da turbina de AP e reencaminha-o para a turbina de BP. A sua função é aumentar a temperatura do vapor, de modo a que este ao sair da turbina de BP saia num valor de título aceitável (superior a 0,85). O aquecimento é feito com os gases provenientes da queima do combustível.

Economizador: O economizador recebe a água sob pressão da bomba, sendo sua função elevar a temperatura da água a um nível de pré-saturação antes de seguir para o barrilete. Aumenta a temperatura através da troca de calor com os gases da queima do combustível. As permutas de calor, tendo em conta o percurso dos fumos de exaustão, efectuam-se segundo a ordem indicada, sendo os fumos depois expelidos pela chaminé já a uma temperatura muito inferior á inicial. Depois temos ainda os seguintes equipamentos: Deaerator / «Desarejador»: É o equipamento responsável por retirar mecanicamente ar que eventualmente tenha entrado no circuito do fluido de trabalho. No entanto por vezes só a acção do desarejador desarejador não é suficiente, sendo necessário necessário retirar que ainda esteja presente em excesso através de processos pr ocessos químicos, pela adição de agentes químicos. O ar está presente no circuito na altura de arranque, quando este está vazio, e pode infiltrar-se em funcionamento, através de zonas que funcionam abaixo da pressão atmosférica, como o condensador e a bomba de extracção. É desejável remover este ar das condutas uma vez que ele pode promover a corrosão das mesmas, reduzindo o tempo de vida útil das instalações. Barrilete: Este é responsável por receber a água do economizador e encaminhá-lo para os painéis de vaporização. Aqui verifica-se a separação da água do vapor retornado dos painéis de vaporização, sendo que se formam correntes de convecção da água, que estando quente fica mais leve e sobe em relação á agua mais fria. O vapor saindo do barrilete vai passar por outro permutador, o superaquecedor.

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Turbina: Equipamento de produção de trabalho através da expansão do fluido. À medida que vai percorrendo cada um dos estágios da turbina, o vapor vai-se expandido. Assim, Assim, o tamanho das pás desta tem de aumentar de modo a poder aproveitar de modo útil a pressão decrescente. É devido a isso a forma afunilada da turbina, sendo o diâmetro menor na zona de maior pressão. Condensador: É sua função passar a mistura proveniente da turbina de baixa pressão para a fase líquida, através da troca do calor em excesso com um fluido refrigerador exterior ao circuito. Bombas: Existem duas em série. Uma tem o propósito de criar uma pressão de vácuo no condensador, de modo a facilitar a passagem do fluido de trabalho á fase líquida, e a seguinte tem por função elevar a pressão de trabalho até à da caldeira, evitando que o fluido ainda a uma temperatura elevada volte a vaporizar.

Simulação da caldeira com reaquecedo reaquecedorr O software utilizado exige que o início de processo se faça de forma manual, até se atingir um patamar de pressão na caldeira que permita o seu funcionamento em modo automático, o que acontece para valores superiores a 9MPa. É no entanto necessário ter em conta que a pressão máxima suportada pela caldeira e que portanto leva a que o queimador se desligue de imediato é de 10,5MPa. Este facto é vantajoso na medida em que permite perceber a forma como as variáveis em jogo se relacionam. Desde logo percebemos que se a alimentação de água não for feita de forma a manter o nível desta acima do valor mínimo, o queimador vai-se desligar de forma automática por razões óbvias de segurança. Este facto sucedeu na nossa simulação e deu origem ao alarme por baixo nível de água no circuito –  Low Level Alarm - e para o corrigir foi necessário aumentar o caudal da bomba de alimentação. O outro lapso cometido foi desde logo tentar ligar o queimador sem antes ligar a respectiva bomba de combustível  – Wrong action. Start the pump the  pump. No resto, tentámos manter o nível da mistura no nível  pobre, isto é, com uma quantidade de ar que evite o desperdício de combustível não queimado maximizando a eficiência da queima, o que se consegue no terceiro nível mais escuro do indicador Exhaust Ind . Fomos também cautelosos na forma como limitámos a pressão da caldeira em cerca de 10MPa e notámos que, a partir do valor de produção de vapor sobreaquecido seleccionado, os caudais ajustam-se automaticamente, sem alteração dos valores de temperatura e pressão dos vários componentes da caldeira, pois estes referem-se a aspectos da produção de vapor saturado que não dependem da quantidade produzida.

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Dados obtidos na Simulação da Caldeira com reaquecimento Pressão na Caldeira Pressão á saída Sobreaquecedor Pressão á entrada do Reaquecedor Pressão á saída do Reaquecedor Temperatura de Água de alimentação (Entrada economizador) Temperatura de Água á saída do Economizador Temperatura á saída do Sobreaquecedor Temperatura á entrada do Reaquecedor Temperatura á saída do Reaquecedor Temperatura do Ar Temperatura de Exaustão de Fumos Caudal de Ar Caudal de combustível Caudal de água de alimentação Caudal de vapor

9970 kPa 9850 kPa 1720 kPa 1590 kPa 206 °C 258 °C 533 °C 304 °C 457 °C 28 °C 178 °C 9,94 m³/s 0,84 kg/s 0,0097 m³/s 11,11 kg/s

Em seguida representámos as temperaturas num diagrama T-s. O ponto 3 foi encontrado através do STEAM, e os outros foram tirados directamente da tabela acima indicada Diagrama T-s 1 – Entrada na bomba elevadora de pressão 2 – Entrada do economizador 3 – Entrada nos painéis de vaporização 4 – Entrada no sobreaquecedor 5 – Entrada turbina AP 6 – Entrada reaquecedor 7 – Entrada turbina BP 8 – Entrada condensador

Apesar de considerarmos as transformações realizada nos diferentes permutadores da caldeira como sendo teoricamente Isobáricas, podemos verificar por análise dos dados obtidos na simulação de que existem pequenas diferenças de pressões em diferentes pontos da caldeira. Tal situação é justificada pela perda de carga nas tubagens dos permutadores e válvulas existentes nos circuitos.

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Balanço térmico de potências dos diversos componentes

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

                                      

De notar que todos os valores de entalpia foram obtidos através do programa STEAM. Para calcularmos os valores de calor fornecidos pelos permutadores ao fluido bastou calcular a diferença de entalpias á entrada e saída dos equipamentos. Quantidade de calor fornecida pelo Combustível Dos dados retirados do ensaio temos que:

                                 Cálculo de potências térmicas nos permutadores Para o cálculo dos caudais iremos usar o valor de 40 toneladas por hora, que foi o valor de produção de vapor escolhido. Como o sistema é fechado e não há variação de massa depois de estar a funcionar de modo estável, vamos assumir que é esse o valor médio que passa em cada ponto do circuito, apesar de o programa ter fornecido dois valores distintos nas duas medições m edições que efectuámos. Apesar de o caudal mássico ser constante o mesmo não se passa com o caudal volúmico, bastando para isso verificarmos que á saída do economizador o fluido tem um volume específico de 0,00127 m3/kg (água no estado líquido), e á entrada da turbina tem um volume específico de 0,035216 m3/kg (vapor sobreaquecido).

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Economizador

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Painéis de vaporização Para o cálculo das entalpias do fluido á entrada e saída dos painéis de vaporização tomámos como valor de entrada o fluido a 258 °C e 9,97 MPa de pressão e o valor de saída como sendo o valor sobre a linha de vapor saturado á mesma pressão. Assim obtivemos:

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Sobreaquecedor Para o cálculo das entalpias do sobreaquecedor tomámos como valor de entrada o valor de saída da alínea anterior, e o valor de saída como sendo vapor sobreaquecido a 533°C e 9,85 MPa de pressão.

                                       

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Reaquecedor As entalpias usadas para o reaquecedor foram:

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Fumos Para o cálculo da potência térmica dissipada pelos fumos usámos a fórmula presente no manual e os valores do ensaio, sendo que obtivemos o seguinte valor:

                                Rendimento da Caldeira pelo método das perdas Para o cálculo do rendimento do gerador de vapor pelo método das perdas usamos a seguinte fórmula:

                             

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Sendo que calculamos a potência térmica perdida em radiação e combustível não queimado do seguinte modo:

                                         

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     Deste modo temos então que

         Rendimento da Caldeira pelo método directo Com este processo apenas temos em conta o calor que foi utilizado de forma útil

                               

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Analise comparativa de dados obtidos no simulador e calculos efectuados

Economizador Painéis de Vaporização Sobreaquecedor Reaquecedor Fumos de Escape Perdas por radiação Combustível Eficiência / Rendimento

Valores Simulador Potência (kJ/s) % 2466,66 7 18255,56 51 8033,33 22 3677,78 10 2104,17 6 1505 4 36042,5 100 89,99%

Cálculos Potência (kJ/s) 2688,40 17821,71 8119,52 3729,944 2000,9 973,244 35333,72 91,58%

% 8 50 23 10 6 3 100

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Diferencial entre Valores simulador e Cálculos Potência (kJ/s) % -221,74 -8,99% 433,85 2,38% -86,19 -1,07% -52,164 -1,42% 103,27 4,91% 531,756 35,33% -1,77%

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Da análise da tabela, que expressa de um modo comparativo os valores obtidos no simulador e os valores obtidos pelos nossos cálculos, podemos afirmar, que os valores não são muito divergentes á excepção das perdas por radiação, e que as diferenças de resultados se poderão justificar não só pela utilização de fórmulas de cálculo diferentes das usadas pelo programa mas também pelo motivo de os dados recolhidos para realização dos nossos cálculos dificilmente serem os mesmos que o software utilizou, pois verificamos que o programa efectua uma simulação continua e os nossos cálculos foram efectuados com valores pontuais.

Simulação da Caldeira a vapor sem Reaquecedor Nas mesmas condições da simulação inicial, efectuamos agora uma nova simulação, onde o nosso objectivo foi estudar o comportamento da mesma caldeira agora sem o sistema de recuperação, comparando com os dados obtidos na simulação com reaquecedor .

Dados da simulação sem Reaquecedor

Pressão na Caldeira Pressão á saída Sobreaquecedor Pressão á entrada do Reaquecedor Pressão á saída do Reaquecedor Temperatura de Água de alimentação (Entrada economizador) Temperatura de Água á saida do Economizador Temperatura á saída do Sobreaquecedor Temperatura á entrada do Reaquecedor Temperatura á saída do Reaquecedor Temperatura do Ar Temperatura de Exaustão de Fumos Caudal de Ar Caudal de combustível Caudal de água de alimentação Caudal de vapor

Economizador Painéis de Vaporização Sobreaquecedor Reaquecedor Fumos de Escape Perdas por radiação Combustível Eficiência / Rendimento

Simulação sem Reaquecedor 10050 kPa 9930 kPa 920 kPa 920 kPa 181 °C 246 °C 534 °C 180 °C 181 °C 28 °C 178 °C 9,17 m³/s 0,78 kg/s 0,0097 m³/s 11,11 Kg/s

Simulação com Reaquecedor 9970 kPa 9850 kPa 1720 kPa 1590 kpa 206 °C 258 °C 533 °C 304 °C 457 °C 28 °C 178 °C 9,94 m³/s 0,84 kg/s 0,0097 m³/s 11,11 Kg/s

Diferencial Valores Simulador sem Valores Simulador com (Sem Reaquecedor-Com Reaquecedor Reaquecedor Reaquecedor) Potência (kJ/s) % Potência (kJ/s) % Potência (kJ/s) % 3055,56 9 2466,66 7 588,9 19,27 18822,22 57 18255,56 51 566,66 3,01 8044,44 24 8033,33 22 11,11 0,14 0 0 3677,78 10 -3677,78 1942,5 6 2104,17 6 -161,67 -8,32 1410 4 1505 4 -95 -6,74 33274,72 100 36042,5 100 -2767,78 -8,32 89,92% 89,99% -0,07

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Potências obtidas pelo simulador sem Reaquecedor e conclusões Da nossa análise, e comparativamente aos resultados obtidos na primeira simulação da caldeira com reaquecedor, concluímos que este elemento não tem influência sobre o rendimento, divergindo um pouco com a informação recolhida na bibliografia consultada, segundo a qual através da introdução do reaquecimento no ciclo de Rankine podemos conseguir um aumento do rendimento da ordem dos 4% a 5%. Ainda de acordo esta bibliografia, os aumentos do rendimento obtidos por reaquecimentos sucessivos aumenta à razão de metade do ganho verificado com o reaquecimento anterior, o que leva a que não se justifique sucessivos patamares de reaquecimento. Analisando os dados com atenção, verificamos que os caudais de combustível e de ar diminuem quando o reaquecedor está desligado. No entanto o calor fornecido ao economizador sobe, devido ao facto de a água vir a uma temperatura inferior da bomba. Esta sai do economizador ainda a uma temperatura inferior do que sairia com o reaquecedor ligado, o que vai levar a que o calor fornecido aos painéis de vaporização também seja maior. No entanto por queimar menos combustível haverão menos perdas nos fumos, por radiação e por combustível não queimado. A maior vantagem deste passo adicional é elevar o título da mistura ao sair da turbina, de modo a evitar desgaste por erosão da mesma. Verificou-se ainda que se fosse possível usar-se materiais capazes de trabalhar a temperaturas mais elevadas, á saída da turbina teríamos a mistura com uma entropia mais elevada, logo com um título mais elevado, o que iria não só aumentar o valor do trabalho obtido como iria tornar desnecessária a utilização do reaquecimento. Partindo do pressuposto que à saída da turbina haveria mistura no fluido, passámos ao cálculo do mesmo. Com reaquecedor: Tendo em conta que a entropia no ponto 1 seria igual á do ponto 2, usámos θ2=206C e P2=9970 kPa.

Obtivémos o valor de 2,385512 kJ/kg K que é o valor do líquido saturado. Depois calculámos a do vapor saturado á mesma temperatura usando x=1. Obtivémos uma entropia de 6,383531 kJ/kg K. Como a entropia á entrada da turbina é igual á de saída, calculámos o seu valor e obtivemos s=7,414614 kJ/kg K. Concluímos então que o fluido sai da turbina na fase de vapor sobreaquecido, uma vez que a sua entropia é superior á de vapor saturado. Sem reaquecedor: Usando os mesmos passos indicados acima, co m θ2=181C e P2=10050 kPa, obtivemos que a entropia do ponto

sobre o líquido saturado é de 2,147647 kJ/kg K, e sobre a linha de vapor saturado é 6,5737 kJ/kg K. A entropia á saída da turbina é 6,710301 kJ/kg K. Novamente concluímos que o fluido sai da turbina na fase de vapor saturado. Estes valores são estranhos pois demonstram que houve uma parte de vapor que podia ter sido utilizado para produzir trabalho e não o foi. Tanto mais que, nesta abordagem consideramos a expansão na turbina como

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sendo isentrópica sabendo nós que na realidade, devido ás irreversibilidades geradas (atrito viscoso), a entropia á saída da turbina seria mais elevada. Este resultado diz-nos também que não era necessário usar o reaquecimento, uma vez que a sua maior vantagem, o facto de aumentar o título da mistura quando esta sai da turbina, não é usado. Foi também verificado que o rendimento ficou praticamente inalterado, o que nos leva a concluir que para um rendimento igual nos dois ciclos, mas com valores de combustível queimado superiores com uso do reaquecedor, o trabalho produzido também será superior. Ou seja, para produzir o mesmo trabalho não seria necessário queimar tanto combustível, o que iria permitir a concepção de uma caldeira de dimensões inferiores. Neste caso em concreto, a central até poderia funcionar sem reaquecedor de modo a não gastar tanto combustível, apenas fazendo uso dele para fazer face a picos de produção de electricidade .

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BIBLIOGRAFIA - Termodinâmica – Yunus A. Çengel, Michael A. Boles - Fundamentos da Termodinâmica  – Van Wylen, Sonntag e Borgnakke, Editora Edgard Blucher Ltda - Power plant control and instrumentation – The control of boilers and HRSG - Manual Didacta TS101D Simulador Simulador de uma caldeira de aquecimento aquecimento aqui-tubular

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