UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO
CENTRO TECNOLÓGICO
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
PROJETO DE GRADUAÇÃO
ESTUDOS SOBRE O DESENVOLVIMENTO
DE PROJETO DE CHAMINÉ
HENRIQUE NEGRI BOTTI
VITÓRIA – ES
SETEMBRO/2004
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Dimensionamento de Chaminés, Manuais, Projetos, Pesquisas de Caldeiras e Soldagem
Dimensionamento e projeto de chaminés para geradores de Vapor
Tipologia: Manuais, Projetos, Pesquisas
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO
CENTRO TECNOLÓGICO
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
PROJETO DE GRADUAÇÃO
ESTUDOS SOBRE O DESENVOLVIMENTO
DE PROJETO DE CHAMINÉ
HENRIQUE NEGRI BOTTI
VITÓRIA – ES
SETEMBRO/
HENRIQUE NEGRI BOTTI
ESTUDOS SOBRE O DESENVOLVIMENTO
DE PROJETO DE CHAMINÉ
Projeto de graduação do aluno
Henrique Negri Botti, apresentado ao
departamento de engenharia
Mecânica do Centro Tecnológico da
Universidade Federal do Espírito
Santo, para obtenção do grau de
Engenheiro Mecânico.
VITÓRIA – ES
SETEMBRO/
i
- Figura 1 - Exemplo de Chaminé Industrial Metálica LISTA DE FIGURAS
- Figura 2 - Exemplo de Chaminé Industrial de Alvenaria................................
- Figura 3 - Queimador de Combustíveis Líquidos...........................................
- Figura 4 - Queimador de Combustíveis Gasosos
- Figura 5 - Queimador de Combustíveis Sólidos
- Figura 6 - Ventiladores:Radial e Axial
- Figura 7 - Ventiladores Instalados em Chaminés
- Figura 8 - Dispositivos de Controle de Tiragem
- Figura 9 - Tipos Construtivos de Chaminé.....................................................
- Figura 10 - Modelo de Transferência de Calor
- Figura 11 - Circuito Térmico Equivalente
- Figura 12 - Escoamento Externo
- Figura 13 - Perfil de Escoamento Totalmente Turbulento
- Figura 14 - Perfil da Velocidade do Vento
- Figura 15 - Gráfico do Perfil do Terreno
- Figura 16 - Indicação de Alturas Próximas de uma Chaminé........................
- Figura 17 - Coeficiente de Arrasto para a Chaminé
- Figura 18 - Momento Aplicado na Chaminé pela Ação do Vento
- Figura 19 - Gráfico Altura versus Diâmetro simulação
- Figura 20 - Gráfico Altura versus Temperatura simulação
- Figura 21 - Gráfico Altura versus Diâmetro simulação
- Figura 22 - Gráfico Altura versus Temperatura simulação
- Figura 23 - Gráfico Altura versus Diâmetro simulação
- Figura 24 - Gráfico Altura versus Temperatura simulação
- Figura 25 - Gráfico Altura versus Diâmetro simulação
- Figura 26 - Gráfico Altura versus Temperatura simulação
- Figura 27 - Gráfico Altura versus Diâmetro simulação
- Figura 28 - Gráfico Altura versus Temperatura simulação ii
- Figura 29 - Gráfico Altura versus Diâmetro simulação
- Figura 30 - Gráfico Altura versus Temperatura simulação
- Figura 31 - Tela Principal
- Figura 32 - Tela de Resposta do Programa
- Tabela 1 - Valores de K (Equação de Perda de Carga) LISTA DE TABELA
- Tabela 2 - Entalpia de Formação dos Combustíveis
- Tabela 3 - Entalpia de Formação dos Produtos
- Tabela 4 - Entalpia dos Produtos para Diversas Temperaturas
- Tabela 5 - Propriedades Termofísicas do Ar
- Tabela 6 - Temperatura e Pressão de Saturação da Água
- Tabela 7 - Características dos Materiais........................................................
- Tabela 8 - Condições do Terreno
- Tabela 9 - Valores de Cd
- Tabela 10 - Resultados da simulação
- Tabela 11 - Resultados da simulação
- Tabela 12 - Resultados da simulação
- Tabela 13 - Resultados da simulação
- Tabela 14 - Resultados da simulação
- Tabela 15 - Resultados da simulação
- Tabela 16 - Resultados da simulação alternativa
- Tabela 17 - Resultados da simulação alternativa
- Tabela 18 - Resultados da simulação alternativa
- Tabela 19 - Resultados da simulação alternativa
- Tabela 20 - Resultados da simulação alternativa
- Tabela 21 - Resultados da simulação alternativa
- INTRODUÇÃO Sumário
- CONSIDERAÇÕES TERMODINÂMICAS
- 2.1) PERDAS DE RENDIMENTO EM CÂMARAS DE COMBUSTÃO
- 2.1.1) DETERMINAÇÃO DO RENDIMENTO DA CÂMARA DE COMBUSTÃO.............................
- 2.1.1.1) A CÂMARA DE COMBUSTÃO
- 2.1.1.2)QUEIMADORES
- 2.1.1.2.1)QUEIMADORES DE COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS
- 2.1.1.2.2)QUEIMADORES DE GASES COMBUSTÍVEIS
- 2.1.1.2.3)QUEIMADORES DE COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS PULVERIZADOS
- 2.1.1.3)COMBUSTÃO
- 2.2)GASES
- 2.3)TIRAGEM
- 2.3.1)PERDAS DE CARGA NA CHAMINÉ.......................................................................
- 2.3.2)TIRAGEM NATURAL
- 2.3.3)TIRAGEM MECÂNICA
- 2.3.3.1) VENTILADORES
- 2.3.4) CONTROLE DA TIRAGEM
- 2.3.4.1) DISPOSITIVOS PARA O CONTROLE DA TIRAGEM
- 2.4)CONSTRUÇÃO DE CHAMINÉS
- 2.5) CONSIDERAÇÕES DO MODELO COMPUTACIONAL..................................................
- 3)MÉTODO FÍSICO-QUÍMICO
- 3.1)COMBUSTÃO
- 3.1.1)COMBUSTÍVEL
- 3.1.2)ANÁLISE DO PROCESSO DE COMBUSTÃO
- 3.1.2.1)PRODUTOS
- 3.1.3)PROCESSO ITERATIVO
- 4)TRANSFERÊNCIA DE CALOR
- 4.1) TRANSFERÊNCIA POR CONVECÇÃO NO LADO INTERNO
- 4.1.1) FATOR DE ATRITO..........................................................................................
- 4.2) TRANSFERÊNCIA POR CONVECÇÃO NO LADO EXTERNO
- 4.3) DETERMINAÇÃO DA ALTURA DA CHAMINÉ
- ESCOAMENTO
- 5.1) ESCOAMENTO EXTERNO
- 5.2) ESCOAMENTO INTERNO
- DIMENSIONAMENTO DA ESPESSURA DA CHAMINÉ
- 6.1) MÉTODO DA TENSÃO ADMISSÍVEL.......................................................................
- 6.1.1) CÁLCULO DO MOMENTO
- ANÁLISE AMBIENTAL........................................................................................
- 7.1) A DISPERSÃO DA FUMAÇA DA CHAMINÉ E A CONTAMINAÇÃO ATMOSFÉRICA
- MÉTODO ALTERNATIVO
- RESULTADOS
- 9.1)SIMULAÇÃO
- 9.2) SIMULAÇÃO
- 9.3) SIMULAÇÃO
- 9.4) SIMULAÇÃO
- 9.5) SIMULAÇÃO
- 9.6) SIMULAÇÃO
- CONCLUSÕES
- SUGESTÕES
- REFERÊNCIAS
- APÊNDICE A – PROGRAMA COMPUTACIONAL
2) Considerações Termodinâmicas 2.1) Perdas de Rendimento em Câmaras de combustão [5] Nas aplicações tecnológicas qualquer transformação energética conduz a perdas de disponibilidade da fonte primária. Mesmo projetos aperfeiçoados registram uma perda inevitável; outras, entretanto, se adicionam a esta como resultantes de deficiência de projeto, de operação mal conduzida ou de manutenção inadequada. Por outro lado, o aproveitamento do calor dos combustíveis já atingiu níveis difíceis de serem ultrapassados com o atual conceito de instalações de câmara de combustão. Basicamente, o aumento da eficiência está relacionado à queda da temperatura da saída dos gases. Temperaturas baixas se aproximam do ponto de orvalho, extremamente crítico pela possibilidade de formação de produtos altamente corrosivos. Os aços aplicados na construção da chaminé apresentariam curta duração. A diminuição do teor de água dos combustíveis com o aproveitamento do calor sensível dos gases de combustão que se desprendem da chaminé representam uma possibilidade atrativa para o aumento da eficiência do sistema. A fuligem é produto indesejável pela sua própria natureza. Proporciona, mais do que qualquer outro resíduo, uma poluição ambiental dificilmente aceita pela sociedade e, portanto, deve ser eliminada através dos múltiplos recursos de que dispõe a tecnologia. A primeira providência a ser adotada para atenuar seu efeito é evitar ao máximo a sua formação. A quantidade de fuligem é dependente do tipo do combustível, da sua umidade, da sua granulometria (combustíveis sólidos), do tipo de suporte de combustível na câmara de combustão, da temperatura do ar e da combustão, da pressão interna na câmara de combustão, da forma como se procede a mistura ar- combustível e o excesso de ar aplicado na queima. Há processos que coletam estas fuligens e as retornam à câmara para promover a queima de eventuais restos carbonosos, sendo esta prática, segundo Hildo Pêra [5], contestada por alguns autores.
2.1.1) Determinação do rendimento da câmara de combustão [5] Há dois métodos para a determinação do rendimento de uma câmara de combustão: o primeiro, chamado método direto, através do qual se obtém o rendimento se forem conhecidas duas quantidades: a descarga de gases e o consumo de combustível na mesma unidade de tempo, porquanto as entalpias se obtêm direto das tabelas em função da pressão e temperatura. O segundo método é o método indireto no qual se avalia o rendimento pelo conhecimento das perdas. As perdas acontecem principalmente pelas paredes da câmara que devem possuir baixa condutividade térmica, para que o calor produzido na queima seja melhor aproveitado e não desperdiçado para o ambiente em sua volta. 2.1.1.1) A câmara de Combustão [5] Compreende o aparelho de combustão, um conjunto de componentes que oferecem as condições necessárias para a queima de combustível. A câmara de combustão é representada por um volume adequadamente dimensionado onde se desenvolve a chama e se completa a combustão. Uma parte não dispensa a outra, pelo contrário, se complementam de forma muito importante devido aos complexos fenômenos surgidos durante a queima dos mais diferentes combustíveis. São requisitos básicos para se alcançar uma boa combustão: Adotar método adequado na alimentação do combustível Possibilitar satisfatório ingresso e distribuição do ar de combustão Assegurar a estabilidade da queima e a continuidade operacional de forma a cobrir toda a faixa de geração de calor Propiciar o controle da forma geométrica da chama Permitir satisfatória remoção dos gases Assegurar a queima completa do combustível mediante correto volume da câmara de combustão Manter a tiragem de forma a possibilitar o escoamento contínuo dos produtos resultantes da combustão
De conformidade com o tipo de combustível, estes aparelhos se dividem em: Queimadores de combustíveis líquidos; Queimadores de gases combustíveis; Queimadores de combustíveis sólidos pulverizados. 2.1.1.2.1)Queimadores de combustíveis líquidos [5] Os combustíveis líquidos são queimados nas câmaras de combustão sempre em suspensão, sob duas diferentes técnicas: mediante a projeção da fase líquida no interior da câmara na forma pulverizada de minúsculas gotículas,e pela injeção direta de combustíveis previamente vaporizados. O primeiro processo é utilizado na queima de combustíveis líquidos de alta viscosidade, enquanto que o segundo é preferencialmente adaptado à combustão de combustíveis leves, cuja aplicação é limitada à instalações de pequeno porte. Figura 3 – Queimador de Combustíveis líquidos
2.1.1.2.2)Queimadores de gases combustíveis [5] Graças ao estado gasoso, o gás é o combustível mais fácil de ser queimado. A mistura com o comburente se processa de forma muito mais fácil do que com qualquer outro combustível. Uma característica muito importante dos combustíveis gasosos é a velocidade de ignição, consideravelmente aumentada mediante suprimento do comburente pré- aquecido. A combustão se verifica numa fase única sem problemas ligados à atomização ou pulverização. Tendo por base o procedimento aplicado na mistura dos dois fluidos, os queimadores de gás são divididos em duas classes: Queimadores de mistura completa; Queimadores de difusão. Os primeiros promovem a mistura do ar com o gás antes de injetá-los na câmara de combustão. Alguns tipos desta classe utilizam o ar total necessário à combustão para formar a mistura dos fluidos. Outros recorrem apenas a uma parte do ar, sendo conhecidos como queimadores de pré mistura parcial. Os queimadores de difusão têm por princípio injetar ambos os fluidos, separadamente, proporcionando a mistura de ambos já no interior da câmara de combustão. O ar é introduzido separadamente com velocidade adequada para produzir a mistura. Figura 4 – Queimador de combustíveis Gasosos
acima do tecnicamente admissível pode causar resultados inferiores ao desejável para o processo. Ar em demasia além de acrescer desnecessariamente o volume de oxigênio que não participa das reações, aumenta proporcionalmente o volume de nitrogênio.[5] Ambos os gases, inúteis ao processo, só apresentam como resultado o transporte de calor originado no meio para fora do sistema, representando uma queda no rendimento da instalação. 2.2)Gases Sem domínio das propriedades físicas e termodinâmicas dos fluidos gasosos que intervêm nos processos de combustão e de intercâmbio de calor ao longo do trajeto de uma chaminé, torna-se impossível elaborar o projeto. Dentre as características físicas e termodinâmicas enumeram-se as principais, a saber: densidade, calor específico, entalpia, viscosidade e coeficiente de condutividade térmica. [5] 2.3)Tiragem 2.3.1)Perdas de carga na chaminé As perdas de carga existentes ao longo do percurso dos fluidos gasosos são de duas origens. A primeira procede do atrito provocado pelo escoamento dos gases contra as paredes metálicas, que são chamadas de perdas distribuídas. A segunda, qualificada como perdas localizadas, resultam das mudanças de direção, restrições ou aumentos abruptos de seções de passagens, que não se encontram neste projeto. As perdas distribuídas são influenciadas pela velocidade, características físicas do fluido como ainda pelo estado de acabamento das paredes e das dimensões do tubo da chaminé. Para o cálculo da perda de carga ligada às características geométricas dos caminhos de circulação dos gases, a perda é determinada com o auxílio das conhecidas fórmulas da dinâmica dos fluidos.
S g k I P v p gas
- 2 *
* * *^2 *
em [mm C.A.] ( 1 ) [5] Onde: I = comprimento do duto em metros P = Perímetro do canal em metros v = velocidade do fluido em m/s
gas = peso específico dos gases de combustão em kg/m³
k = fator de acabamento da parede do duto S = Seção da chaminé g = Aceleração da gravidade local Sendo os valores de (^) k mostrados na tabela1[5]. Tabela 1 – Valores de K K Condição 0,007 Paredes metálicas 0,014 Paredes de alvenaria 0,007 a 0, Paredes de concreto, em função do acabamento O conhecimento da perda de carga do duto da chaminé é importante, pois determina a capacidade que os gases deverão ter para vencerem esta resistência em seu escoamento. 2.3.2)Tiragem Natural [5] A própria chaminé propicia o escoamento dos gases de combustão graças à diferença de pressão (referente à diferença de peso das colunas de ar e de gases) e, também, à diferença de temperatura existente entre a base e o topo.
O aumento da capacidade visa compensar eventuais depósitos fuliginosos que reduzem seções de escoamento ou se prendem nas pás dos rotores. Do ponto de vista construtivo, os ventiladores se apresentam com dois tipos básicos: o centrífugo e o axial. No ventilador centrífugo,o fluido é succionado axialmente , porém, prossegue impulsionado por pás radiais rotativas contra o envoltório externo de onde sai tangencialmente. Na máquina axial, o fluido segue trajeto paralelo ao eixo de giro do rotor. Figura 6 – Ventiladores (E) Radial e (D) Axial Figura 7 – Ventiladores instalados em chaminés
2.3.4) Controle da tiragem [5] Pouca atenção é dirigida ao controle da tiragem por desconhecimento da sua importante função. A ausência deste controle, contudo, tem reflexos expressivos nos resultados da eficiência da câmara de combustão. A falta de qualquer controle deste parâmetro provoca insuficiente ou excessiva tiragem. A tiragem insuficiente é mais facilmente percebida pelo operador da câmara de combustão porque a fornalha fica abafada. A pressão interna da câmara se torna positiva e termina por provocar a formação de misturas dos reagentes favoráveis a detonações que se projetam pela própria boca de alimentação de combustível (se existir). É comum ocorrer o retrocesso de chama com sérios riscos para o operador e para o equipamento. A tendência é que a operação da fornalha tenha sempre uma tiragem excessiva, porém , tal procedimento traz algumas conseqüências como: Aumento das perdas da chaminé, devido ao ingresso excessivo dos gases da combustão. Diminuição da temperatura de combustão com conseqüente redução da eficiência de queima. Aumento do consumo de energia elétrica do motor do exaustor (tiragem mecânica). O exaustor sobrecarregado pelo maior volume de gases com temperaturas inferiores passa a consumir mais potência. Aumento apreciável de elutriação^1 de particulados representando combustível arrastado para a chaminé. Em conseqüência se constatam queda de rendimento térmico da unidade, riscos de re-ignição de misturas explosivas e aumento da poluição atmosférica, paralelamente acrescem os problemas de limpeza de depósitos internos. Alterações do processo de combustão, com modificações na conformação da chama, impedindo a completa queima do combustível. A própria chama passa a sofrer um processo de descontinuidade, podendo até atingir o fenômeno de destaque, que causa o seu afastamento da região favorável à perfeita (^1) Processo por meio do qual se separa uma mistura de partículas de diferentes tamanhos em frações mais ou menos homogêneas mediante a sedimentação numa corrente de fluido.