VII Seminário da Pós-graduação em Engenharia Mecânica

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.
VII Seminário da Pós-graduação em Engenharia Mecânica
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.
VII Seminário da Pós-graduação em Engenharia Mecânica
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 préaquecedores 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 préaquecedores 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.
VII Seminário da Pós-graduação em Engenharia Mecânica
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
Recuperativo
Regenerativo
Vantagens
Baixo vazamento
Sem movimento de peças
Compacto
Fácil reposição de superfície
Desvantagens
Grande e pesado
Dificuldade de substituição de superfície
Vazamento
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
63,5
2,25
3.472
Comprimento
(mm)
11.730
Material
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.
VII Seminário da Pós-graduação em Engenharia Mecânica
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.
T1 (°C) - In
Pitot Tube
Location
Hot Gas Inlet
Venturi Tube
Location
T3 (°C) - In
SECONDARY AIR
PRE-HEATER
Secondary FanAtmospheric Air
Hot
Gas
T1 (°C) - Out
Atmospheric Air
Hot
Primary Air
PRIMARY AIR
PRE-HEATER
Primary Fan
T2 (°C) - In
Hot
Secondary Air
Pitot Tube
Location
T3 (°C) - Out
Cold Gas
Outlet
T2 (°C) - Out
Figura 02. Diagrama de processo e instrumentação
VII Seminário da Pós-graduação em Engenharia Mecânica
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.
VII Seminário da Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Curva de Fluxo
0.3500
Vazão (m³/seg)
0.3000
0.2500
0.2000
0.1500
Potência ()
0.1000
0.0500
0.0000
0.0000 20.0000 40.0000 60.0000 80.0000 100.0000
Pressão dinâmica (mmH2O)
Figura 04. Curva de vazão do tubo de Venturi
Vazão  0.0324  pressão _ dinâmica 0.5
(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
VII Seminário da Pós-graduação em Engenharia Mecânica
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, tomaramse 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
VII Seminário da Pós-graduação em Engenharia Mecânica
pressão _ dinâmica  3.66 E  13  x 5  1.32 E  09  x 4  1.8E  06  x 3
 1.17 E  03  x 2  0.339  x  37,27
(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
Y  3.67 E  16  x 6  1.61E  12  x 5  2.77 E  09  x 4
 2.41E  06  x 3  0.0011  x 2  0.26  x  23.63
(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.


Q  m C p  T
(04)

Eficiência 

Q primary_ air  Q sec ondary_ air

Q gas
(05)
VII Seminário da Pós-graduação em Engenharia Mecânica


C
Tem-se que Q é o fluxo de calor e m o fluxo de massa, com p 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).
Vmax 
v med 
2 * ( p0  p)
 air
2
 V max
3
(06)
(07)
O valor de p0 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, vmed 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%.
VII Seminário da Pós-graduação em Engenharia Mecânica
80.00%
70.00%
Eficiência
60.00%
50.00%
40.00%
30.00%
20.00%
10.00%
0.00%
744
794
844
894
944
994
1044
1094
1144
1194
Horas de Operação
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
VII Seminário da Pós-graduação em Engenharia Mecânica
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
VII Seminário da Pós-graduação em Engenharia Mecânica
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.
VII Seminário da Pós-graduação em Engenharia Mecânica
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.