Estudo da transferência de calor em um superaquecedor de caldeira a carvão mineral

Abstract

Um modelo fenomenológico foi utilizado para analisar a transferência de calor e quantidade de movimento no superaquecedor de vapor em uma caldeira a carvão mineral pulverizado. A caldeira faz parte da usina Jorge Lacerda, que está localizado em Capivari de Baixo ? SC. A eficiência térmica foi analisada considerando-se o efeito que o depósito de cinzas causa na troca de calor. O modelo inclui os três mecanismos de transferência de calor: condução, convecção e radiação. Como estratégia de simplificação, a geometria do trocador de calor é seccionada segundo dois cortes bidimensionais a fim de contornar a complexidade advinda de um sistema tridimensional longo. Adota-se assim um plano de corte transversal a um feixe de tubos para descrever o escoamento dos gases com as trocas térmicas externas até a parede interna dos tubos e outro plano longitudinal ao mesmo feixe de tubos para descrever o circuito do vapor superaquecido no interior dos tubos. Valores médios dos registros operacionais da usina foram considerados para a simulação, do período de partida até a ruptura de um dos tubos do superaquecedor devido ao acúmulo de cinzas. Constatou-se pelos registros de operação uma elevação na temperatura dos gases devido ao reposicionamento do sistema como resultado do acúmulo de cinzas nos tubos. A simulação revela pontos de estagnação no campo de velocidade e temperatura nos três primeiros tubos do feixe, indicando uma região mais propensa ao depósito de cinzas e eventual ruptura. As propriedades do ar foram modificadas para melhor representar os gases de combustão que carregam as cinzas que originam as camadas de escória depositadas sobre os tubos. Sugeriu-se uma geometria alternativa dos trocadores de calor, passando-se de feixe de tubos para placas. Assim, pode-se estudar por intermédio de simulação uma alteração na geometria dos trocadores de calor: de feixe de tubos para placas. A transferência de calor nas placas não permitiu atingir a temperatura de projeto de superaquecimento do vapor. De outro lado, as regiões de estagnação foram removidas o que permite antever uma redução das paradas por furos na região de superaquecimento.

Abstract: A phenomenological model was used to analyze the heat transfer and amount of momentum in the steam superheater of a pulverized coal boiler. The boiler is part of the Jorge Lacerda plant, which is located in Capivari de Baixo - SC. Thermal efficiency was analyzed considering the effect that ash deposition has on heat exchange. The model includes the three heat transfer mechanisms: conduction, convection and radiation. As a simplification strategy, the heat exchanger geometry is sectioned in two two-dimensional sections to circumvent the complexity of a long three-dimensional system. A cross-sectional plane of a tube bundle is thus adopted to describe the flow of gases with the external heat exchanges to the inner wall of the tubes and another longitudinal plane to the same tube bundle to describe the overheated vapor circuit within the tubes. Average values of the plant's operating records were considered for the simulation, from start-up to rupture of one of the superheater pipes due to ash accumulation. The operating records showed an increase in gas temperature due to the repositioning of the system as a result of ash accumulation in the pipes. The simulation reveals stagnation points in the velocity and temperature field in the first three tubes of the bundle, indicating a region more prone to ash deposition and eventual rupture. The air properties have been modified to better represent the flue gases that carry the ashes that originate the slag layers deposited on the pipes. An alternative geometry of the heat exchangers was suggested, moving from pipe bundle to plates. Thus, a change in the geometry of the heat exchangers can be studied by simulation: from tube to plate bundles. The heat transfer on the plates did not allow to reach the steam overheat design temperature. On the other hand, the stagnation regions have been removed allowing a reduction of stoppages due to the emergence of holes in the overheating region.