Metodologia proposta para solução integrada da transferência de calor em superaquecedores de vapor

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2007Superaquecedores de vapor são geralmente submetidos a elevados gradientes térmicos que exigem atenção especial no intuito de minimizar problemas associados à fluência do material e, por conseqüência, indisponibilidade da planta termoelétrica. Trabalhos já concluídos têm contribuído significativamente para a redução de temperaturas de parede e, portanto, na freqüência de paradas forçadas da planta. Este trabalho apresenta uma metodologia para solução numérica integrada do problema de transferência de calor entre gases e vapor, bem como resultados preliminares para o domínio do superaquecedor final de um gerador de vapor. Diferentes códigos computacionais existentes no mercado representam hoje ferramentas de valor fundamental para a análise e aperfeiçoamento de projetos de unidades geradoras de vapor, bem como propiciar um melhor entendimento de problemas responsáveis pelo mal funcionamento dos equipamentos a eles associados. No caso específico das unidades geradoras de vapor do complexo Jorge Lacerda de Capivari de Baixo-SC, a maioria das paradas forçadas ocorre, principalmente, devido a falhas por fluência nos tubos do superaquecedor final e reaquecedor. Este trabalho tem como objetivo mapear o campo de temperaturas nas paredes dos tubos e na região dos gases ao longo do superaquecedor final, utilizando-se como ferramenta computacional um código comercial CFD. A metodologia adotada consiste na divisão do domínio total em subdomínios menores, levando-se em conta os mecanismos de transferência de calor envolvidos, considerando-se inclusive a radiação em meios participantes, tendo-se em vista a presença significativa de gases CO2 e vapor d`agua, bem como a radiação proveniente da fornalha e que atinge parte da superfície de alguns tubos do superaquecedor final. Os resultados encontrados atendem à expectativa inicial, apresentando diferenças aceitáveis quando comparadas com os valores medidos. Estas diferenças são em parte justificadas pelas hipóteses consideradas nas condições de contorno de fluxo prescrito nos tubos do superaquecedor final. Para se conseguir resultados consistentes, os subdomínios próximos às paredes recebem tratamento especial, tendo-se em vista a ocorrência de fortes gradientes de velocidade e de temperatura nesta região.Superheaters are usually submitted to high thermal gradients which ask special attention in order to reduce operational problems due to the failure tubes. These failures are usually associated to the material fluence and they may cause the forced stop of thermoelectric plants. Researches have contributed significantly to reduce the wall temperatures and the increase availability of power plants. This work describes a methodology for a numerical solution of the heat transfer problem between steam and combustion gases, and preliminary results for a superheater temperature distribution of a steam generator. The CFD commercial softwares have been a powerful tool to analyze and improve the steam generator designs. In the specific case of Jorge Lacerda thermoelectric plant in Capivari de Baixo - Santa Catarina, most of the forced stops to maintenance occur due the fluency mechanism in the final superheater and reheater tubes. The goal of this work is identify the temperature field in the final superheater tubes by a CFD commercial software. The adopted methodology divides the superheater total domain at sub-domains, taking in account the different heat transfer mechanisms, like the flames and participating media radiation Numerical results show an acceptable difference with the experimental ones. These differences are associated with the prescribed flux adopted as simplification in the boundary conditions tube. To get consistent results, the sub-domains near of the walls have a special treatment due to the high velocity and temperature gradients in this region