Análise da deposição, crescimento e transferência de calor em depósitos de cinzas em tubos cilíndricos

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduaçao em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2010A crescente demanda por combustíveis alternativos vem aumentando em grande parte devido às exigências de uma tecnologia de geração de energia limpa com menores emissões de gases de efeito estufa, como no caso do CO2. Porém o aumento da eficiência de equipamentos que utilizem combustíveis fósseis minimiza a emissão de gases de efeito estufa ao mesmo tempo em que aumenta a disponibilidade de energia. Dentre estes equipamentos a caldeira de carvão pulverizado é o equipamento mais comum na geração termelétrica. A queima de carvão pulverizado em caldeiras apresenta diversos desafios, dentre eles a deposição de cinzas, que isola os tubos de troca de calor diminuindo a eficiência do equipamento, aumentando o consumo de carvão e conseqüentemente a emissão de CO2. Visando avaliar a influência do depósito de cinza na eficiência da caldeira, este trabalho apresenta um estudo dos mecanismos envolvidos na deposição de partículas de cinza, crescimento e transferência de calor no depósito de cinza. O objetivo do presente trabalho é apresentar os mecanismos de deposição de cinzas em um tubo do superaquecedor e, em seguida, desenvolver um modelo de crescimento do depósito e avaliar a transferência de calor na estrutura gerada pelo modelo de deposição. Isto será feito via técnica de mecânica dos fluidos computacional (CFD - Computer Fluid Dynamics), utilizando simulações de grandes escalas. Os mecanismos macros, como o transporte de partículas, via abordagem Lagrangeana, são resolvidos para um tubo representativo dos superaquecedores, visando avaliar a distribuição de partículas ao redor do mesmo. Além disso, um modelo foi desenvolvido baseado no conceito de crescimento de superfície e os resultados gerados por estes modelos foram comparados com um típico depósito da caldeira de Jorge Lacerda, Capivari de Baixo, SC, via microscópio eletrônico de varredura. O modelo proposto apresentou bons resultados quando comparados com as características macros tais como porosidade e dimensões fractais, mas deve ser melhorado quando analisada a distribuição de tamanho de poro. A estrutura gerada pelo modelo proposto foi avaliada via código TEACH C modificado, visando avaliar os efeitos de rarefação. Dessa forma, uma nova correlação é proposta entre porosidade e condutividade térmica efetiva baseada na estrutura gerada pelo modelo de crescimento apresentando bons resultados.The growing demand for renewable fuel is mostly due to the strict requirements for a clean technology with low greenhouse gas emission effect, as with CO2. Besides raising the efficiency of equipment that uses fossil fuel also helps reduce the harmful greenhouse effect of gas emissions while offering more energy. Among several alternatives, the pulverized coal boiler is the most commonly used equipment for energy conversion of solid fuels in thermal generation. The burning of pulverized coal presents several challenges, including the ash deposition that isolates the heat transfer tubes, thus lowering the equipment efficiency, raising the coal consumption and consequently the CO2 emission. Aiming at evaluating the influence of the ash deposit on equipment efficiency, this work presents a study of the mechanisms involved in the ash particles deposition, growing and heat transfer on ash deposits. The objective of the present work is to present the mechanisms involved in particle deposition, to develop a growing model of the ash deposit and evaluate the heat transfer on the porous structure generated by the model developed. The computer fluid dynamics technique (CFD) was used in conjunction with Large Eddy Simulation, and the macro mechanisms, as the ash particles transportation via Lagrangean approach, are solved for a representative tube of the superheaters in order to evaluate the particle distribution around one tube of the tube bundle. A model has also been developed based on the concepts of surface growing. The results generated by this model are compared with a typical ash deposit from the Jorge Lacerda thermal power plant, Capivari de Baixo, SC, via scanning electron microscopy. The model proposed here shows good results when compared to the macro quantities such as porosity and fractal dimension. However, when the pore size distribution is analyzed it indicates a need for improvement.The structure generated by the ash deposition model was evaluated via the modified TEACH C code in order to evaluate the rarefaction effects. A new relation between porosity and effective thermal conductivity is proposed, based on the structures generated by the model developed here with good results