Estudo termodinâmico para aproveitamento do calor dos gases de exaustão em fornos de fusão de material vítreo

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2018.Materiais metálicos e cerâmicos possuem altas temperaturas de fusão, resultando em grande consumo energético nos respectivos fornos de fusão. O processo de fusão ocorre de forma contínua com temperaturas superiores a 1400 °C. O fluxo de energia carregado pelos gases de exaustão nos fornos analisados neste trabalho variou de 50 % a 60 % da energia inserida com a queima do gás natural, apresentando ainda um grande potencial energético. Portanto, o objetivo principal é estudar a viabilidade energética e exergética para a geração de potência elétrica ou capacidade frigorífica utilizando a energia disponível nos gases de exaustão. Para isso desenvolveram-se modelos matemáticos no software Engineering Equation Solver (EES) para resolver os balanços energético e exergético em dois fornos de produção de fritas cerâmicas e em um de produção de silicato de sódio; além do acoplamento de um ciclo Rankine e do emprego de Chillers de absorção. Os primeiros usam oxigênio e o segundo usa ar como comburente. Foram utilizados dados experimentais obtidos em trabalhos anteriores efetuados em campo, levando em consideração novas hipóteses. Com a análise do ciclo Rankine conectado aos fornos pode-se gerar vapor superaquecido com 20 bar e 450 °C e assim gerar potência elétrica entre 78 e 152 kW. Foi averiguado a diluição dos gases de exaustão com ar ambiente, prática comum nessas indústrias, para identificar o impacto que teria na geração de energia elétrica. Para uma diluição de até 30 % de ar presente na mistura houve uma redução de 26,1 % nas eficiências e nas taxas de transferência de calor do ciclo. Adotando-se modelos de Chillers de absorção existentes no mercado foram modelados cenários com Chillers operando com a passagem direta dos gases de exaustão e com vapor saturado produzido em uma caldeira de recuperação para alimentar o gerador do Chiller de absorção com vapor saturado. Foram produzidos de 12,5 a 20,1 TR de capacidade frigorífica para a atividade com o primeiro arranjo e 159,4 a 267,9 TR para o segundo. Ambos os modelos operam com cargas parciais.Abstract : Metallic and ceramic materials have high melting temperatures, resulting in high energy consumption in the respective melting furnaces. The melting process occurs continuously at temperatures above 1400 °C. The energy flow carried by the exhaust gases in furnaces analyzed in this work ranges from 50 % to 60 % of the energy inserted with the burning of the natural gas, still presenting great potential of energy. Therefore, the main objective is to study the energetic and exergetic viability for the generation of electric or refrigerating capacity power using the available energy in the exhaust gases. For this purpose, a mathematical model was developed in the Engineering Equation Solver (EES) software to solve the energy and exergy balance of two ceramic frit melting furnaces and a sodium silicate melting furnace, besides the linkage with a Rankine cycle and with absorption Chillers. The firsts furnaces use oxygen and the latter uses air as oxidizer. Experimental data obtained from previous studies on field were used, considering new hypotheses. With the analysis of the Rankine cycle connected to the furnaces it is possible to generate superheated steam with 20 bar and 450 °C and thus generate electric power between 78 and 152 kW. Dilution of exhaust gases with ambient air, common practice in these industries, was investigated to identify the impact it would have on the generation of electric energy. For a dilution up to 30 % of the air present in the blend there was a reduction of 26.1 % in the efficiencies and heat transfer rates of the cycle. Adopting Chillers models of absorption in the market were modeled scenarios with Chillers operating with the direct passage of the exhaust gases and with saturated steam produced in a HRSG to feed the generator of the absorption Chiller with saturated steam. It was produced from 12.5 to 20.1 TR of refrigeration capacity for the activity with the first arrangement and 159.4 to 267.9 TR for the second. Both models operate with partial loads