Seleção ótima do evaporador para um sistema de cogeração a biomassa

Abstract

A realização deste trabalho encontra-se enquadrada num projeto que tem como objetivo a produção combinada de energia térmica e de energia elétrica para utilização agropecuária, através da queima de biomassa numa caldeira convencional. Especificamente, pretende-se avaliar a viabilidade e as vantagens técnicoeconómicas associadas à utilização de um permutador de carcaça e tubos, como evaporador do circuito de potência, baseado num ciclo orgânico de Rankine, do sistema de cogeração. em vez do pré-selecionado permutador de placas. Para se poderem avaliar as vantagens/desvantagens comparativas deste tipo de equipamento face ao permutador de placas, procedeu-se ao seu dimensionamento, que envolveu a determinação da área de transferência de calor, as dimensões exteriores e o número de tubos, de diferentes configurações deste tipo de permutadores e utilizando diferentes correlações de cálculo. Durante o processo de análise teve-se em atenção o facto de o respetivo permutador ser de evaporação, pelo que o modelo físico de funcionamento do mesmo contemplou três zonas diferentes, correspondentes aos três estados físicos existentes do fluido de trabalho no processo de evaporação do líquido condensado – líquido, bifásico, vapor. Os diversos resultados obtidos foram posteriormente analisados e comparados, tendo-se concluído que a não colocação de defletores, ou seja, ao considerar-se escoamento axial na carcaça, conduziria a dimensões do permutador incompatíveis com as dimensões aceitáveis para o projeto. Por outro lado, com a existência de escoamento cruzado, concluiu-se que, apesar de poderem ser implementadas melhorias, os resultados alcançados são aceitáveis. Para um permutador de 180 kW de potência, obtiveram-se dimensões, aproximadas, de 2 metros de comprimento por 175 mm de diâmetro de carcaça, isto com a colocação de 150 tubos, permitindo assim considerar o permutador de carcaça e tubos como opção.

The accomplishment of this work is inserted in a project that the objective is the combined production of thermal energy and electrical energy, for an agro-livestock application, by burning biomass in a conventional boiler. Specifically, its intended to evaluated the viability and the technical-economic advantages associated with the use of a shell and tube heat transfer, as a power circuit evaporator, based on the Rankine organic cycle of the cogeneration system, instead of the pre-selected plate heat exchanger To evaluated the comparative advantages/disadvantages of this type of equipment relative to the plate heat exchanger, its dimensioning was performed, that involve the determination of the heat transfer area, the external dimensions and the number of tubes, based on different settings of this type of heat exchanger, and using different calculation correlations. In the process, it was also taken in account that the respective heat exchanger was an evaporator, so that its physical model of operation was contemplated three different zones, corresponding to the three existing physical states on the working fluid in the process of evaporation of the condensed liquid - liquid, biphasic, vapor. The various results obtained were subsequently analyzed and compared, leading to the conclusion that due to the absence of baffles, that is, considering axial flow in the shell, the dimensions of the exchanger were incompatible with the dimensions acceptable to the design. On the other hand, with cross flow, it was concluded that, beside the improvements that can be implemented, the results achieved are within acceptable limits. For a heat exchanger of 180 kW, were obtained dimensions, approximate, of 2 meters of length by 175 mm of shell diameter, with the placing of 150 tubes, thereby allowing the shell and tube heat exchanger to be considered as an option.