Livrovapor, Notas de aula de Engenharia de Processos. Universidade Estadual de Campinas (Unicamp)
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wmxcx4422 de Novembro de 2015

Livrovapor, Notas de aula de Engenharia de Processos. Universidade Estadual de Campinas (Unicamp)

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Instalaão de vapor
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EFICIÊNCIA ENERGÉTICA NO USO DE VAPOR

ELETROBRÁS Centrais Elétricas Brasileiras

Praia do Flamengo, 66 – Bloco A – 14º andar - Flamengo

CEP 22210-030 – Rio de Janeiro – RJ

Tel.: (21) 2514-5151 – Fax: (21) 2507-2474

PROCEL Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica

Av. Rio Branco, 53 – 20º andar - Centro

CEP 20090-004 – Rio de Janeiro – RJ

Tel.: (21) 2514-5197 – Fax: (21) 2514-5155

F I C H A C A T A L O G R Á F I C A

CENTRAIS ELÉTRICAS BRASILEIRAS, FUPAI/EFFICIENTIA

Eficiência Energética no Uso de Vapor. Rio de Janeiro: Eletrobrás, 2005.

196p. ilust. (Contém CD)

1.Conservação de Energia Elétrica.2.Vapor.3.Geração de Vapor.4.Distribuição de Vapor.5.Utilização

de Vapor.I.Título.II.Nogueira, Luiz Augusto Horta.III.Nogueira, Fábio José Horta.IV.Rocha, Carlos

Roberto.

CDU: 621.3.004

621.6.02

621.1

621.6.02.004.14

Trabalho elaborado no âmbito do contrato realizado entre a ELETROBRÁS/PROCEL e o consórcio

EFFICIENTIA/FUPAI

MME - MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA Esplanada dos Ministérios Bloco "U" - CEP. 70.065-900 – Brasília – DF www.mme.gov.br

Ministra Dilma Rousseff

E L E T R O B R Á S / P R O C E L Av. Rio Branco, 53 - 20º andar - Centro - CEP 20090- 004 - Rio de Janeiro – RJ www.eletrobras.com/procel - procel@eletrobras.com

Presidente Silas Rondeau Cavalcante Silva

Diretor de Projetos Especiais e Desenvolvimento Tecnológico e Industrial e Secretário Executivo do PROCEL Aloísio Marcos Vasconcelos Novais

Chefe de Departamento de Planejamento e Estudos de Conservação de Energia e Coordenador Geral do Projeto de Disseminação de Informações de Eficiência Energética Renato Pereira Mahler

Chefe da Divisão de Suporte Técnico de Conservação de Energia e Coordenador Técnico do Projeto de Disseminação de Informações de Eficiência Energética Luiz Eduardo Menandro Vasconcellos

Chefe da Divisão de Planejamento e Conservação de Energia Marcos de Queiroz Lima

Chefe de Departamento de Projetos Especiais George Alves Soares

Chefe da Divisão de Desenvolvimento de Projetos Setoriais de Eficiência Energética Fernando Pinto Dias Perrone

Chefe da Divisão de Desenvolvimento de Projetos Especiais Solange Nogueira Puente Santos

E Q U I P E T É C N I C A Coordenador Geral Marcos Luiz Rodrigues Cordeiro

Apoio Técnico Humberto Luiz de Oliveira

C O N S Ó R C I O E F F I C I E N T I A / F U P A I EFFICIENTIA Av. Afonso Pena, 1964 – 7º andar – Funcionários – CEP 30130-005 – Belo Horizonte – MG www.efficientia.com.br - efficientia@efficientia.com.br

Diretor Presidente da Efficientia Elmar de Oliveira Santana

Coordenador Geral do Projeto Jaime A. Burgoa/Tulio Marcus Machado Alves

Coordenador Operacional do Projeto Ricardo Cerqueira Moura

Coordenador do Núcleo Gestor dos Guias Técnicos Marco Aurélio Guimarães Monteiro

Coordenador do Núcleo Gestor Administrativo- Financeiro Cid dos Santos Scala

FUPAI – Fundação de Pesquisa e Assessoramento à Indústria Rua Xavier Lisboa, 27 – Centro – CEP 37501-042 – Itajubá – MG www.fupai.com.br – fupai@fupai.com.br

Presidente da FUPAI Djalma Brighenti

Coordenador Operacional do Projeto Jamil Haddad* Luiz Augusto Horta Nogueira*

Coordenadora do Núcleo Gestor Administrativo- Financeiro Heloisa Sonja Nogueira

E Q U I P E T É C N I C A Apoio Técnico Adriano Jack Machado Miranda Maria Aparecida Morangon de Figueiredo Micael Duarte França

Fotografia Eugênio Paccelli

Autor: Luiz Augusto Horta Nogueira* Co-autores: Carlos R. Rocha, Fábio José H. Nogueira*

* Professores da Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI

Apresentação Considerações iniciais

1 Introdução 13

2 Conceitos e Fundamentos Básicos 18 2.1 Propriedades físicas de uma substância 18

2.2 Temperatura 19

2.3 Pressão 20

2.4 Calor e trabalho 23

2.5 Energia interna e entalpia 25

2.6 Elementos de termodinâmica 26

2.6.1 Conceitos fundamentais 26

2.6.2 Mudança de estado de um sistema termodinâmico 27

2.6.3 Princípio da conservação de massa 27

2.6.4 Princípio da conservação de energia 28

2.7 Ciclos térmicos de Potência 31

2.8 Transferência de calor 32

3 Água e Vapor 35 3.1 A substância pura 35

3.2 Equilíbrio de fases vapor-líquida-sólida da água 36

3.3 Propriedades independentes de uma substância pura 39

3.4 Tabelas de propriedades termodinâmicas 40

4 Combustíveis e Combustão 41 4.1 Definições 41

4.2 Reações de combustão 42

4.3 Excesso de ar 45

4.4 Poder calorífico dos combustíveis 48

4.5 Tecnologia de combustão 49

4.5.1 Fornalhas 49

4.5.2 Queimadores 50

4.6 Tiragem 55

5 Geradores de Vapor 58 5.1 Definições iniciais 58

5.2 Componentes clássicos 59

5.3 Classificação 62

5.4 Caldeiras flamotubulares 62

5.4.1 Caldeira flamotubular compacta 63

S U M Á R I O

5.4.2 Caldeiras verticais 65

5.5 Caldeiras aquotubulares 65

5.5.1 Circulação da água em caldeiras aquotubulares 67

5.6 Comparações entre caldeiras flamotubulares e aquotubulares 68

5.6.1 Grau de combustão e vaporização específica 68

5.6.2 Peso e volume 69

5.6.3 Pressão e grau de superaquecimento do vapor 69

5.6.4 Tempo necessário para atingir a pressão de operação 70

5.6.5 Qualidade da água de alimentação 71

5.6.6 Eficiência térmica 71

5.6.7 Condução e limpeza 71

5.6.8 Vida útil 72

5.7 Caldeiras de condensação 73

5.8 Equipamentos recuperadores de calor 74

5.8.1 Superaquecedores e reaquecedores 74

5.8.2 Economizadores 76

5.8.3 Pré-aquecedores 76

6 Alimentação e Tratamento de Água para Caldeiras 77 6.1 Sistemas de abastecimento de água 77

6.1.1 Injetores 78

6.1.2 Bombas centrífugas 79

6.2 Sistemas de tratamentos de água 80

6.2.1 Água de alimentação das caldeiras 80

6.2.2 Análise da água 80

6.2.3 Objetivos gerais do tratamento da água 82

6.2.4 Tratamentos externos 83

6.2.5 Tratamento interno 90

6.2.6 Formação de espuma e arraste 90

7 Medição e Controle 92 7.1 Fundamentos 92

7.1.1 Variáveis de processo 92

7.1.2 Sistema de medição 92

7.1.3 Controle automático 93

7.2 Sistemas de medição 93

7.2.1 Medição de nível 93

7.2.2 Medição de pressão 96

7.2.3 Medição de temperatura 98

7.2.4 Medição de vazão 99

7.3 Sistemas de Controle 100

7.3.1 Controle de nível de água do tubulão 101

7.3.2 Controle da combustão 103

7.3.3 Controle da tiragem 107

7.4 Dispositivos reguladores automáticos 107

7.4.1 Pressostatos 107

7.5 Modernos sistemas de automação e controle de caldeiras 108

7.5.1 Hardware 109

7.5.2 Software 109

8 Distribuição de Vapor 110 8.1 Elementos para dimensionamento de linhas de vapor 110

8.2 Distribuição em um sistema com várias caldeiras 111

8.3 Purgadores e separadores de vapor 113

8.3.1 Definições e utilidade 113

8.3.2 Casos típicos de emprego de purgadores 114

8.3.3 Principais tipos de purgadores de vapor 116

8.3.4 Seleção dos purgadores de vapor 119

8.4 Separadores de umidade para linha de vapor saturado 122

8.5 Isolamento térmico 123

8.5.1 Estruturas dos isolantes 123

8.5.2 Seleção dos materiais para isolamento térmico 125

8.5.3 Espessura para proteção de pessoal 125

8.5.4 Determinação da espessura econômica do isolamento térmico 127

9 Operação de Geradores de Vapor 129 9.1 Identificação de geradores de vapor 129

9.1.1 Placa de identificação da caldeira e registro de segurança 129

9.1.2 Princípios para operação segura de caldeiras 130

9.2 Procedimentos de partida 131

9.3 Procedimentos de parada 135

9.3.1 Parada normal 135

9.3.2 Parada em situação de emergência 136

9.4 Roteiro de vistoria diária 140

10 Eficiência e Medidas de Economia em Sistemas de Vapor 143 10.1 Eficiência térmica de geradores de vapor 143

10.2 Cálculo da eficiência pelo método direto 144

10.3 Cálculo da eficiência pelo método indireto 145

10.3.1 Perdas pela chaminé 146

10.3.2 Perdas por radiação e convecção 147

10.3.3 Perdas por purgas 147

10.3.4 Perdas associadas à temperatura das cinzas 148

10.3.5 Perdas associadas ao combustível não convertido

presente nas cinzas 148

10.3.6 Perdas totais 149

10.4 Medidas de economia em sistemas de vapor 149

10.4.1 Economia na geração de vapor 150

10.4.2 Economia na distribuição de vapor 153

10.4.3 Economia na utilização de vapor 154

11 Sistema de Vapor e Meio Ambiente 156 11.1 O conceito de poluição do ar 156

11.2 Produtos emitidos no processo de combustão 156

11.2.1 Concentração dos produtos emitidos 159

11.2.2 Determinação das concentrações dos gases 159

11.2.3 Determinação das concentrações dos particulados 160

11.3 Processos para redução de poluentes gasosos 164

11.4 Métodos para separação de particulados 166

11.4.1 Separação a seco 166

11.4.2 Separação a úmido 170

11.5 Sistema de tratamento de gases de combustão 172

12 Temas Econômicos 174 12.1 Premissas 174

12.2 Critérios de aprovação de alternativas de investimento 174

12.3 Matemática financeira 175

12.3.1 Juros simples 175

12.3.2 Juros compostos 175

12.3.3 Fluxo de caixa 176

12.3.4 Fator de recuperação de capital 177

12.3.5 Fator de valor presente 177

12.4 Análise de alternativas de investimentos 178

12.4.1 Método do valor presente ou do benefício líquido 178

12.4.2 Método do valor anual líquido 179

12.4.3 Método da taxa interna de retorno 180

12.4.4 Método do tempo de retorno de capital 182

12.5 Análise de alternativas de investimento sob condições específicas 183

12.5.1 Alternativas com vidas diferentes 183

12.5.2 Alternativas com restrições financeiras 183

12.5.3 Exemplo de aplicação 183

13 Bibliografia 186

14 Links Úteis 187

Anexo 188 Cogeração 188

Criado em 1985 pelo Governo Federal, o Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica (PROCEL) é coordenado pelo Ministério de Minas e Energia e implementado pela ELETROBRÁS. Seu objetivo principal é contribuir para a redução do consumo e da demanda de energia elétrica no país, por meio do combate ao desperdício desse valioso insumo.

Para tanto, a ELETROBRÁS/PROCEL mantém estreito relaciona- mento com diversas organizações nacionais e internacionais cujos propósitos estejam alinhados com o citado objetivo. Den- tre elas, cabe ressaltar o Banco Mundial (BIRD) e o Global Envi- ronment Facility (GEF), os quais têm se constituído em impor- tantes agentes financiadores de projetos na área da eficiência energética.

Neste contexto, o GEF, que concede suporte financeiro para ati- vidades relacionadas com a mitigação de impactos ambientais, como o uso racional e eficiente da energia, doou recursos à ELETROBRÁS/PROCEL, por intermédio do BIRD, para o desenvol- vimento de vários projetos. Dentre eles, destaca-se o “Dissemi- nação de Informações em Eficiência Energética”, concebido e coordenado pela ELETROBRÁS/PROCEL e realizado pelo Con- sórcio Efficientia/Fupai, com o apoio do Programa das Nações Unidas para o Desenvolvimento (PNUD), que objetiva divulgar informações sobre tecnologias de uso eficiente de energia para os profissionais de setores como o industrial, comercial, prédios públicos e saneamento, difundindo aspectos tecnológicos e operacionais que permitam reduzir o desperdício de energia elétrica. Esse projeto também engloba a elaboração de casos de sucesso e treinamentos específicos que retratem os conceitos do uso racional e eficiente da energia.

A P R E S E N T A Ç Ã O

C O N S I D E R A Ç Õ E S I N I C I A I S

Em 2001, o Brasil vivenciou uma crise de abastecimento no setor elétrico. Entre as conse- qüências positivas desta crise sobressaíram-se duas constatações: a forte participação da sociedade na busca da solução e o papel importante da eficiência no uso de energia. Em decorrência desse processo involuntário de aprendizagem, vem se formando uma cons- ciência de que a eficiência energética não pode estar vinculada apenas a questões con- junturais, mas deve fazer parte, de forma definitiva, da política energética nacional, por meio de ações que visem, por exemplo, agregar valor às ações já em andamento no País, desenvolver produtos e processos mais eficientes e intensificar programas que levem à mudança de hábitos de consumo.

A energia é um insumo fundamental para garantir o desenvolvimento econômico e social de um país. A racionalização do seu uso apresenta-se como alternativa de baixo custo e de curto prazo de implantação, sendo que, em alguns casos, significativas economias po- dem ser obtidas apenas com mudanças de procedimentos e de hábitos, capazes, tam- bém, de impactar positivamente o meio ambiente.

Dentre os aspectos econômicos envolvidos na atividade de racionalização do uso da energia, deve-se destacar a importância de que a mesma se reveste quando analisada sob a ótica estratégica e da imagem da empresa, haja vista que o mercado está cada vez mais orientado a dar preferência a produtos de empresas comprometidas com ações de proteção ao meio ambiente.

Uma empresa que deseja alcançar uma estrutura de custos racionalizada e tornar-se mais competitiva não pode admitir o desperdício ou usar a energia de forma ineficiente e ir- responsável. É necessário, pois, um esforço de todos os empregados da empresa, visando obter, como resultado, o mesmo produto ou serviço com menor consumo de energia, eli- minando desperdícios e assegurando a redução dos custos.

Espera-se que as informações contidas neste Livro sejam úteis para os técnicos das em- presas brasileiras, capacitando-os a implementar melhorias que resultem no uso respon- sável dos recursos naturais e energéticos e na melhoria da competitividade dos setores produtivos e de serviços do País.

A Eletrobrás / Procel e o Consórcio Efficientia / Fupai agradecem os esforços de todos aqueles que participaram dos vários estágios da elaboração deste documento, incluindo as fases de concepção inicial e de revisão final do texto. Registramos as contribuições, notadamente, de Carlos Henrique Moya, Marcos Luiz Rodrigues Cordeiro e Rose Pires Ri- beiro (Consultores).

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1Introdução 1.1 Justificativa e objetivo do Livro

A utilização de calor a temperaturas relativamente baixas em diversos setores industri- ais é essencial nos principais processos de fabricação, como secagem, desidratação, con- centração, cozimento, produção de reações químicas e esterilização microbiológica. Este é o caso de indústrias de alimentos e bebidas, papel e celulose, têxtil, química, farmacêutica e de quase todas as agroindústrias. De fato, sem o calor, sem o aporte de energia térmica em quantidades generosas e com alta qualidade não existiria a sociedade moderna, com seu padrão de vida e seus altos níveis de consumo de bens e serviços. De um modo qua- se absoluto, estes fluxos de calor são conseguidos a partir de sistemas de vapor.

O uso de vapor de água como vetor de transporte de energia térmica traz grandes vantagens, que explicam sua grande disseminação, pois a água é uma substância facil- mente disponível, pouco agressiva quimicamente e com grande capacidade de transpor- tar energia. Em média, cerca de 15 kg de vapor contêm a energia de 1 kg de óleo com- bustível ou 3 kg de lenha. Na geração e na utilização do vapor ocorrem mudanças de fase, tanto na vaporização quanto na condensação, que causam grandes variações de volume, resultando em elevado coeficiente de transferência térmica, que, somado à alta densida- de energética (calor latente) do vapor, produz elevadas taxas de transferência de calor por unidade de área. Portanto, o vapor conjuga de forma muito interessante baixo preço (dependendo do combustível, de 20 a 80 R$/t), alta densidade energética (> 2700 kJ/kg) e elevada taxa de transferência de energia (>10.000 W/m2.k).

Nessas condições, podendo optar entre produzir calor a partir da queima de combus- tíveis junto ao ponto de consumo, com todas as dificuldades associadas de transporte, controle e exaustão dos gases, ou gerar este mesmo calor em local mais afastado e trans- portá-lo utilizando vapor, uma substância limpa e sem problemas maiores de poluição ambiental, essa última rota mostrou-se a mais favorável e adequada. Sob tais condições, gerando o calor em um local apropriado, produzindo vapor de água, transportando esse vapor a outro ponto, e aí então empregando grande parte do calor transportado, operam milhares de sistemas de vapor no Brasil e no mundo, que respondem pelo consumo da maior parte de combustível demandado pelo setor industrial.

E F I C I Ê N C I A E N E R G É T I C A N O U S O D E V A P O R14

O Balanço Energético Nacional, com dados de 2002, estimou, preliminarmente, que 54% da demanda total de energia na indústria, correspondendo a aproximadamente 20% da demanda total de energia do país, cerca de 35 milhões de toneladas equivalen- tes de petróleo, estão associados ao vapor. Em centenas de auditorias energéticas, con- duzidas em indústrias e outros consumidores de energia térmica, as possibilidades de melhorar o desempenho da geração, distribuição e utilização de vapor eram constantes, sinalizando, em muitos casos, um significativo potencial para adoção, de medidas mitiga- doras de perdas com viabilidade econômica e permanente e amplo benefício.

A definição de eficiência em equipamentos térmicos é muito importante para as em- presas avaliarem o desempenho dos equipamentos instalados e, mesmo, para a seleção de novos. Porém, faltam normas nacionais, e na ausência dela todos usam as normas DIN (alemã) ou ASME (americana), que adotam parâmetros diferentes. Um mesmo equipa- mento poderia alcançar eficiência de 93% pelo sistema DIN e apenas 84% no ASME.

Os geradores de vapor de concepção atualizada possuem elevada eficiência térmica. Por exemplo, a empresa líder de mercado brasileiro de caldeiras lançou uma linha de cal- deiras flamotubulares que geram de 2 a 34 t/h de vapor, com pressão de até 21 bar, pos- suindo design compacto, traseira úmida e reduzido número de tubos, cuja eficiência é de 91% (segundo a norma DIN). Porém, com a instalação de um economizador, a eficiência pode chegar a 95%. O economizador é um trocador de calor que pré-aquece a água, dis- ponível apenas para equipamentos a gás.

A eficiência de uma caldeira está relacionada diretamente com a temperatura de saí- da dos gases de escape. Quanto menor a temperatura, maior a eficiência. Porém, o alto teor de enxofre, presente nos óleos combustíveis, exige saída de gases com temperatura sempre superior a 180ºC, de modo a evitar problemas com corrosão. Na queima de gás natural, a saída dos fumos pode ser ajustada para algo como 220ºC, reduzida a menos de 180ºC no pré-aquecedor. Nem a redução do teor de enxofre nos óleos combustíveis de 4% para 1%, no máximo, permitiria o uso do economizador, pois a limitação em 1% é sig- nificativa do ponto de vista ambiental, mas não elimina o problema da corrosão.

Algumas empresas nacionais se mantêm fieis aos padrões norte-americanos, de taxa de evaporação da ordem de 29 kg/m2, produzindo caldeiras de quatro passes de 3 a 35 t/h de vapor, sendo que a temperatura de saída dos gases dessa caldeira de quatro pas- ses é por volta de 180ºC, o que não acarreta problemas significativos de corrosão, mesmo com óleos combustíveis. Existem diferenças de conceitos entre os fabricantes dos EUA e os europeus para projeto de caldeiras. Na Europa, a prioridade é concedia para a produ-

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ção de equipamentos compactos, capazes de produzir vapor com menor área de troca. Por isso, a opção é por taxas de evaporação acima de 50 kg/m2. Já os americanos buscam mais eficiência e durabilidade, aproveitando ao máximo a temperatura dos gases.

Uma boa alternativa para melhorar a eficiência é a modernização das caldeiras a lenha, dotando-as de inversores de freqüência nos motores dos ventiladores, com mais precisão nos movimentos e economia de energia elétrica, além de controle de pressão na forna- lha, além de prepará-las para que as operações de carga sejam feitas com carrinhos, com rapidez, evitando a perda elevada de calor.

Outra medida consiste em substituir as grandes caldeiras aquotubulares instaladas durante a década de 1970, que já se encontram no final de vida útil. São equipamentos de boa qualidade, muito duráveis, mas que já deveriam estar sendo trocados, pois apre- sentam razoável nível de perdas e desperdícios de energia, resultando em maior consu- mo de combustível e menor eficiência com relação às caldeiras mais modernas. Somen- te com a reforma destes equipamentos não se obtém uma boa melhoria significativa da eficiência. Também é preciso considerar que leva-se pelo menos onze meses para fabri- car cada caldeira dessas.

A adoção de programa de medidas gerenciais e operacionais para a melhoria da efici- ência na distribuição e na utilização do vapor pode reduzir as perdas e desperdícios de energia, como demonstra a experiência brasileira e a internacional. Deve-se observar que freqüentemente estas medidas podem ser adotadas em curto prazo e sob custos reduzi- dos, já que pressupõem, fundamentalmente, mudanças de padrões e hábitos de consu- mo, sem exigir grandes investimentos.

Deste modo, cada vez mais se torna evidente que usar bem energia e reduzir desper- dícios, além de ser possível, é uma postura inteligente, racional, com vantagens econômi- cas, sociais e ambientais em vários níveis. Entretanto, uma das carências mais relevantes para concretizar ações nesta direção tem sido a falta de informações para os usuários e responsáveis pelos sistemas energéticos. Cumpre auxiliar o entendimento do funciona- mento desses sistemas a vapor, habilitando sua concepção, operação e manutenção cada vez mais eficientes.

É exatamente esse o objetivo do presente Livro: oferecer um conjunto de informações acessíveis, consistentes e de aplicação imediata para os usuários de sistemas a vapor interessados em ganhar com a redução de suas perdas e com o incremento de sua eficiência.

E F I C I Ê N C I A E N E R G É T I C A N O U S O D E V A P O R16

Apresentação do Livro

Este Livro se compõe de um conjunto de capítulos de informações teóricas e aplicadas, divididos em três partes: I - Fundamentos; II - Equipamentos e Instalações e III; - Eficiência, Meio Ambiente e Economia, alguns anexos informativos e um pacote de aplicativos com- putacionais para informar como operam os sistemas energéticos a vapor, como ocorrem os processos energéticos envolvidos e como podem ser detectadas e reduzidas as per- das de energia.

Parte I - Fundamentos

O primeiro capítulo trata dos conceitos e fundamentos relacionados à termodinâmica e a fenômenos de transporte, importantes ferramentas para a devida compreensão do que acontece na geração, transporte e utilização de vapor. O segundo capítulo segue nestes passos básicos e apresenta as propriedades físicas da água e do vapor, fundamen- tais para o cálculo das energias envolvidas nos sistemas a vapor. O terceiro capítulo dedi- ca-se aos fundamentos sobre os combustíveis e processo de combustão, fonte quase que única de energia na produção de vapor.

No quarto capítulo são introduzidas as caldeiras, ou geradores de vapor, em seus com- ponentes, tipos e principais características. De fato, é nas caldeiras que se localizam boa parte das oportunidades de redução dos desperdícios de energia em sistemas de vapor.

Parte II - Equipamentos e Instalações

O quinto capítulo se dedica à apresentação das tecnologias e das implicações associ- adas ao tratamento de água, pois a qualidade da água usada para produção de vapor é uma das causas de freqüentes perdas de energia, que, quando inadequada, promove a formação de depósitos que reduzem a transferência de calor, além de impor purgas pe- riódicas de água da caldeira, com perdas adicionais de energia.

Os capítulos sexto, sétimo e oitavo exploram, respectivamente, os sistemas de instru- mentação e controle, a distribuição de vapor e a operação de geradores de vapor, e te- mas tecnológicos de grande relevância para o uso eficiente de energia em sistemas a va- por. Significativas economias de energia e de recursos têm sido conseguidas com o mo- nitoramento de linhas de distribuição de vapor, programas de acompanhamento de va- zamentos de purgadores e rotinas adequadas de operação, bem assim com a incorpora- ção a estes sistemas da evolução dos sistemas de automação e controle, que, sobretudo

E F I C I Ê N C I A E N E R G É T I C A N O U S O D E V A P O R 17

nos casos com demandas variáveis, podem atenuar as quase que inevitáveis perdas asso- ciadas aos processos transientes, seja na geração ou na utilização de vapor.

Parte III - Eficiência, Meio Ambiente e Economia

O nono capítulo, utilizando a análise dos processos de combustão para determinar a eficiência mediante métodos diretos e indiretos, trata da análise da eficiência das caldei- ras. É o tema em que se busca apresentar métodos de utilização imediata para medir e avaliar a eficiência de caldeiras e, também, de medidas que possibilitem o aumento da economia de combustível com a melhoria da eficiência.

No décimo capítulo,abordam-se os temas ambientais relativos aos sistemas a vapor,em particular relacionados às emissões, quanto a sua importância e maneiras de atenuação. O último capítulo apresenta elementos de análise econômica, úteis para o estudo de viabili- dade da redução de perdas em caldeiras e demais componentes de sistemas a vapor.

Anexos

Ao final do Livro, apresentam-se as referências utilizadas e uma relação de links com fabricantes de caldeiras no Brasil. Incluem-se, também, uma breve revisão de sistemas de cogeração e um conjunto de tabelas e gráficos de propriedades termodinâmicas do va- por d’água. Acompanha este Livro um CD-ROM contendo um pacote de aplicativos com- putacionais relacionados a sistemas à vapor e a Norma NR-13, legislação brasileira refe- rente a sistemas a vapor.

E F I C I Ê N C I A E N E R G É T I C A N O U S O D E V A P O R18

2 Conceitos e Fundamentos Básicos Conceitos importantes sobre as propriedades físicas de uma substância e noções fun-

damentais de termodinâmica e transferência de calor, úteis para a compreensão dos fe- nômenos que acontecem na geração de vapor, são apresentados neste capítulo. Compre- ender como funcionam os processos físicos que ocorrem nas caldeiras constitui o primei- ro passo para uma operação eficiente e segura.

2.1 Propriedades físicas de uma substância

As propriedades físicas - densidade, volume específico, peso específico e densidade re- lativa - são conceitos úteis para relacionar volumes e massas de substâncias, especial- mente água, vapor e gases, no caso de caldeiras.

Densidade () - Quantidade de massa que ocupa uma unidade de volume.

(2.1)

Volume específico (v) - Volume ocupado pela unidade de massa. Pode ser dado pelo inverso da massa específica.

(2.2)

Peso específico () - Relação entre o peso e o volume de uma substância. Pode ser dado pelo produto da densidade e pela aceleração da gravidade (g).

(2.3)

Densidade relativa (d) - Relação entre o peso da substância e o peso de um igual volu- me de água nas condições normais. Pode também ser expressa como a relação entre a massa específica ou o peso específico desta substância e a massa específica ou peso es- pecífico de uma substância de referência em condições padrão, respectivamente.

(2.4)

E F I C I Ê N C I A E N E R G É T I C A N O U S O D E V A P O R 19

A Tabela 2.1 apresenta a densidade relativa de alguns fluídos comuns.

T A B E L A 2 . 1 - D E N S I D A D E D E A L G U N S F L U I D O S C O M U N S

FLUÍDO DENSIDADE RELATIVA

Álcool 0,790

Petróleo 0,810

Glicerina 1,260

Água 1,000

Água marinha 1,030

Gasolina 0,670

2.2 Temperatura

A noção de temperatura é primitiva e nasce das sensações, de quente e frio, apresen- tadas pelos corpos em diferentes estados térmicos. Normalmente, se através do contato com nossa pele dois corpos apresentam a mesma sensação térmicas, dizemos que suas temperaturas são iguais ou que eles estão em equilíbrio térmico. No entanto, afirmar que a temperatura de dois corpos é igual ou diferente baseando-se apenas em nossas sensa- ções é muito subjetivo. Para contornar esse fato, a temperatura de um corpo é determi- nada em função de algumas propriedades físicas que se alteram com as mudanças de temperatura. Por exemplo, alguns metais variam sua condutividade elétrica com variação da temperatura, outros materiais apresentam coeficientes de dilatação volumétrica bem relacionados com a variação da temperatura. A temperatura de uma substância está inti- mamente ligada ao estado de vibração de suas moléculas. Estado chamado de agitação térmica e que tem uma relação diretamente proporcional com a temperatura do corpo.

Escalas de temperaturas

A escala termométrica mais utilizada é a escala Celsius, introduzida pelo astrônomo sueco Anders Celsius (1701 - 1744). Nessa escala, atribui-se o valor 0 (zero) à temperatura do gelo em fusão sob pressão normal (ponto de gelo). Para a temperatura de ebulição da água sob pressão normal (ponto de vapor) é dado o número 100 (cem). O intervalo entre essas temperaturas é dividido em 100 partes iguais. Estendendo-se essa escala para pon-

E F I C I Ê N C I A E N E R G É T I C A N O U S O D E V A P O R20

tos abaixo de 0 e acima de 100 as temperaturas fora do intervalo de 0 a 100 podem ser determinadas. Existe outra escala, a Fahrenheit, usada principalmente nos países de lín- gua inglesa. No entanto essas escalas dependem da substância termométrica. O físico in- glês Lord Kelvin (1824 - 1907) estabeleceu a escala absoluta com base na teoria dos ga- ses. Na escala absoluta não existem valores negativos. Pode-se mostrar que as escalas de temperatura se relacionam entre si da seguinte maneira:

(2.5)

A Figura 2.1 representa essas escalas.

Figura 2.1 - Relação entre as escalas de temperatura

2.3 Pressão

A pressão de um líquido sobre uma superfície é a força normal que este líquido exer- ce por unidade de área dessa superfície:

(2.6)

E F I C I Ê N C I A E N E R G É T I C A N O U S O D E V A P O R 21

A pressão é usualmente apresentada de duas formas: absoluta e relativa. Na forma de pressão absoluta (P), é referida a pressão zero absoluto. A denominada pressão relativa, ou manométrica, referida à pressão atmosférica no local da medição (Patm), exercida pela coluna de ar existente na atmosfera, depende basicamente da altitude do local. Ao nível do mar, a pressão atmosférica média é cerca de 1,0 kgf/cm2. A pressão manométrica, me- dida pelos manômetros, pode ser positiva (acima da pressão atmosférica) ou negativa (abaixo da pressão atmosférica).

De acordo com a condição física em que a pressão é determinada, pode-se classificá- la como se segue.

Pressão estática (Pe) - pressão radial exercida pelo fluido, podendo este estar em repou- so ou em movimento. Os manômetros geralmente registram a pressão estática.

Pressão dinâmica (Pd) - pressão atribuída à velocidade do fluido em movimento, sendo diretamente proporcional ao quadrado da velocidade:

(2.7)

A Figura 2.2 mostra as relações entre pressão absoluta (medida com relação ao vácuo ou zero absoluto) e pressão manométrica (medida com relação a pressão atmosférica).

Figura 2.2 - Escalas de referência para medidas de pressão

E F I C I Ê N C I A E N E R G É T I C A N O U S O D E V A P O R22

A Tabela 2.2 contém os fatores de conversão de unidades para pressão úteis nas con- versões para vários sistemas de unidade.

TA B E L A 2 . 2 - FAT O R E S D E C O N V E R S Ã O D E U N I D A D E S D E P R E S S Ã O

FATOR [kN/m2] [bar] [kgf/cm2] [atm] [lbf/pol2] [Torr] [kgf/m2]

[kPa] [psi] [mmHg] [mmH2O]

1 [kN/m2] 1 0,01 0,0102 9,87 x 10-3 0,14504 7,501 102

[kPa]

1 [bar] 100 1 1,02 0,987 14,504 750,1 1,021x104

1 [kgf/cm2] 98,0665 0,980665 1 0,9678 14,223 735,56 1,00x104

1 [atm] 101,3 1,01325 1,0332 1 14,696 760 1,033x104

1 [lbf/pol2] 6,8948 0,06895 0,70307 0,068046 1 51,7 704,28

[psi]

1 [Torr] 0,13332 1,3332x10-3 1,3595x10-3 1,3158x10-3 1,9337 x 10-2 1 13,62

[mmHg]

1 [kgf/ m2] 9,79 x10-3 0,9794x10-4 1,00x10-4 0,965x10-4 1,4199 x 0,07344 1

[mmH2O] 10 -3

Obs: Multiplicar o valor na unidade da linha para obter a unidade da coluna.

A pressão é uma das variáveis de processo mais importantes na geração e na utilização de vapor. Também é usada para classificar as caldeiras do ponto de vista de segurança. A legislação brasileira, a partir da Norma Regulamentadora nº 13 do Ministério do Trabalho, conhecida como NR-13, classifica as caldeiras geradoras de vapor em três categorias:

■ caldeiras da categoria A são aquelas cuja pressão de operação é igual ou superior a 1960 kPa (19,98 kgf/cm2);

■ caldeiras da categoria C são aquelas cuja pressão de operação é igual ou inferior a 588 kPa (5,99 kgf/cm2) e o volume interno é igual ou inferior a 100 (cem) litros; e

■ caldeiras da categoria B são todas as caldeiras que não se enquadram nas catego- rias anteriores.

E F I C I Ê N C I A E N E R G É T I C A N O U S O D E V A P O R 23

2.4 Calor e trabalho

O calor pode ser definido como a energia térmica que flui devido apenas à diferença de temperatura. O trabalho corresponde a qualquer variação de energia mecânica que possa ser associada à elevação de um peso.

Trabalho e calor são formas de fluxos energéticos. São medidos pelas mesmas unida- des. A energia é expressa no Sistema Internacional (SI) pelo Joule (J) em que 1 J = 1 N.m. Particularmente para casos de calor, outra unidade muito usada é a caloria [cal], definida como a quantidade de calor necessária para elevar de 1ºC a temperatura de 1 g de água no estado líquido, sob pressão de 1 atmosfera (no intervalo de 14,5ºC a 15,5ºC). No siste- ma inglês, em progressivo desuso, em decorrência da normalização das unidades propos- tas pelo SI, a energia é medida pelo BTU (“British Thermal Unit”). Um Btu é a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de uma libra de água de 63ºF a 64ºF. A Ta- bela 2.3 mostra a relação entre as unidades de energia mais utilizadas.

T A B E L A 2 . 3 - R E L A Ç Ã O E N T R E U N I D A D E S D E E N E R G I A

UNIDADE DE ENERGIA [Kcal] [kJ] [Btu] [kWh]

[kcal] 1 4,187 3,968 1,163 x 10-3

[kJ] 0,2388 1 0,9478 2,778 x 10-4

[BTU] 0,252 1,055 1 3412,14

[kWh] 860 3600 2,9307 x 10-4 1

Obs.: Multiplicar o valor na unidade da linha para obter a unidade da coluna.

Quando um corpo ganha ou perde calor, em geral, muda o estado de agitação térmi- ca de suas moléculas; conseqüentemente, a temperatura do mesmo varia. Á quantidade de calor recebida ou cedida por um corpo quando sofre variação de temperatura duran- te a troca de calor dá-se o nome de calor sensível, a qual, depende de sua massa, da vari- ação de temperatura e da natureza do material que o constitui:

(2.8)

E F I C I Ê N C I A E N E R G É T I C A N O U S O D E V A P O R24

em que:

c - calor específico kJ/kg.K;

Q - calor sensível recebido ou cedido kJ;

m - massa do corpo kg; e

T = T2 – T1 - variação de temperatura do corpo [ºC, K ].

O calor específico (c) é uma característica dos materiais.Varia de acordo com as condi- ções do processo de aquecimento. Por exemplo, para uma dada variação de temperatu- ra, aquecer um corpo a pressão constante requer mais calor do que em um processo a vo- lume constante. A Tabela 2.4 apresenta os calores específicos de algumas substâncias só- lidas, líquidas e gasosas.

TA B E L A 2 . 4 - C A LO R E S E S P E C Í F I C O S M É D I O S A P R E S S Ã O C O N S TA N T E

FLUÍDO CALOR ESPECÍFICO MÉDIO (0 A 100 [ OC])

(kcal/kg.oC) (kJ/kg.K)

Água 1,00 4,186

Óleo mineral a 20oC 0,45 1,884

Ar seco 0,240 1,005

Porcelana, 0/1000oC 0,91/0,31 3,81/1,30

Tijolo, tijolo refratário 0,20 0,837

Rocha/Vidro 0,20 0,837

O calor latente (L) de mudança de estado de uma substância é a quantidade de calor (Q) que a substância recebe ou cede, por unidade de massa (m), durante a transformação sem variar a temperatura.Verifica-se experimentalmente que a quantidade de calor rece- bida ou cedida por uma substância pura para que esta mude de estado físico (mantendo constante sua temperatura) é diretamente proporcional à sua massa:

(2.9)

A constante de proporcionalidade, denominada calor latente, depende da substância e da mudança de estado que esta sofre. A Tabela 2.5 apresenta valores do calor latente de fusão e vaporização de alguns materiais sólidos, além da densidade e calor específico.

E F I C I Ê N C I A E N E R G É T I C A N O U S O D E V A P O R 25

T A B E L A 2 . 5 - P R O P R I E D A D E S D E A L G U N S M A T E R I A I S S Ó L I D O S

MATERIAIS DENSIDADE CALOR ESPECÍFICO PONTO CALOR DE PONTO DE CALOR DE

103x[kg/m3] MÉDIO DE FUSÃO FUSÃO EBULIÇÃO EBULIÇÃO

(0 a 100oC), [oC] [kcal/kg] [oC] [kcal/kg]

[kcal/kg.oC]

Água 1 1 0 80 100 500-650

Alumínio 2,7 0,22 660 85 2270 2800

Chumbo 11,34 0,031 327 5,7 1730 220

Ferro 7,86 0,111 1530 65 2500 1520

Cobre 8,96 0,092 1083 50 2330 1110

2.5 Energia interna e entalpia

Sabe-se que um corpo ou sistema possui energia em virtude dos movimentos de suas moléculas, além da energia decorrente das forças internas atrativas e repulsivas entre partículas. A energia deste tipo é denominada energia interna do corpo ou sistema, desig- nada pela letra U, sendo sua unidade dada em [kJ]. A energia interna por unidade de mas- sa é denominada energia interna específica, e designada pelo símbolo u, cuja unidade é [kJ/kg]. Portanto, a energia interna absoluta U é igual ao produto da energia interna espe- cífica u pela massa do corpo ou sistema, m:

U = m.u [kJ] (2.10)

Nos processos com escoamento de fluídos, como ocorrem em caldeiras e bombas, aparece, com muita freqüência, a soma da energia interna U com o produto P.V (conheci- do como energia de expansão). Por conveniência, define-se uma nova propriedade exten- siva chamada entalpia:

H = U + P.V [kJ] (2.11)

Ou por unidade de massa (entalpia específica):

h = u + P.v [kJ] (2.12)

E F I C I Ê N C I A E N E R G É T I C A N O U S O D E V A P O R26

A entalpia também é uma propriedade termodinâmica de fluídos, pois resulta da com- binação de três propriedades U, P e V. Assim, depende apenas do estado do sistema, e não do processo pelo qual o sistema chegou ao estado considerado. A entalpia é uma propri- edade muito importante, sendo usada com freqüência para determinar balanços de energia, pois a energia que um fluído “transporta” ao entrar ou sair de um sistema é de- terminado exatamente por sua entalpia, geralmente expressa em [kJ/kg] ou [kcal/kg].

O calor específico pode ser definido como a relação entre a energia transferida duran- te um determinado processo, por unidade de fluido envolvido, dividida pela correspon- dente mudança de temperatura que ocorre no fluido durante este processo. Para os pro- cessos de maior interesse, a pressão constante e volume constante, definem-se calores específicos particulares. Para qualquer processo a pressão constante (com ou sem escoa- mento) o calor específico é definido como:

(2.13)

Para o processo a volume constante (que só pode ser um processo sem escoamento):

(2.14)

em que os subscritos p e v indicam processos a pressão e a volume constante, respec- tivamente.

2.6 Elementos de termodinâmica

Apresentadas as definições e propriedades básicas, é interessante rever as leis físicas que governam as transformações energéticas nas caldeiras e nos sistemas de utilização de vapor.

2.6.1 Conceitos fundamentais

Sistema termodinâmico - Consiste em uma quantidade de matéria ou região para a qual nossa atenção está voltada, definido em função do que se pretende analisar. Tudo que se situa fora do sistema termodinâmico é chamado meio ou vizinhança. O sistema termodinâmico é demarcado por uma fronteira ou superfície de controle, que pode ser móvel ou fixa, bem como real ou imaginária. Os sistemas termodinâmicos podem ser:

E F I C I Ê N C I A E N E R G É T I C A N O U S O D E V A P O R 27

■ Sistema fechado - Não há fluxo de massa nas fronteiras que o definem.

■ Volume de controle - Há fluxo de massa na superfície de controle que define o sistema.

A água de uma caldeira fechada, em aquecimento, sem entrada de água nem saída de vapor é um sistema termodinâmico fechado, pois não há fluxo de massa nas fronteiras do sistema, embora haja fluxo de calor para a água. Já uma fornalha de caldeira ou uma vál- vula aberta em que circula vapor corresponde a volumes de controle, porque existe mas- sa (ar, combustível, produtos de combustão, vapor) circulando nas fronteiras do sistema ou sua superfície de controle.

2.6.2 Mudança de estado de um sistema termodinâmico

Quando qualquer propriedade do sistema é alterada - por exemplo, pressão, tempera- tura, massa e volume -, afirma-se que houve uma mudança de estado no sistema termodi- nâmico. O caminho definido por uma sucessão de estados pelos quais o sistema passa é chamado processo. A seguir apresentam-se os principais tipos de processos de interesse:

■ Processo isobárico (pressão constante)

■ Processo isotérmico (temperatura constante)

■ Processo isocórico (isométrico) (volume constante)

■ Processo isoentálpico (entalpia constante)

■ Processo adiabático (sem transferência de calor)

Quando um sistema (substância), em um dado estado inicial, passa por certo número de mudança de estados ou processos e finalmente retorna ao estado inicial, ele executa um ciclo termodinâmico. Com esses conceitos, apresentam-se, a seguir, as leis físicas bá- sicas de maior interesse para a compreensão do que ocorre em uma caldeira ou sistema térmico a vapor: os princípios de conservação de massa e energia.

2.6.3 Princípio da conservação de massa

O princípio de conservação de massa para um volume de controle assegura que a di- ferença entre as massas que entram e saem deste volume devem corresponder exata- mente à variação de massa no interior do volume de controle, porque massa não se cria nem se destrói. Naturalmente que quando não há variação na quantidade de massa no

E F I C I Ê N C I A E N E R G É T I C A N O U S O D E V A P O R28

volume de controle as massas que entram deve ser igual às massas que saem deste vo- lume.

A expressão 2.15 é uma contabilidade dos fluxos de massa. Indica que a variação de massa dentro do volume de controle durante o intervalo de tempo t é igual à quanti- dade de massa que entra menos a quantidade de massa que sai do volume de controle.

(2.15)

Nesta expressão, correspondem às vazões mássicas na entrada e saída, res- pectivamente, e mVC corresponde à variação da quantidade de massa no volume de controle.

Para volumes de controle em regime permanente, isto é, quando existe escoamento, mas sem qualquer variação no tempo, não ocorrem variações de massa no interior do vo- lume de controle. Portanto, vale a equação 2.16. Nestas condições, a soma das massas que entram é igual à soma das massas que saem.

(2.16)

Esta última expressão é útil, por exemplo, para estimar a vazão de vapor em uma cal- deira, baseando-se na medição da vazão de água de alimentação, sempre quando não houver variação em seu nível; isto é, sempre quando a caldeira não estiver variando sua quantidade de massa interna. De fato, sobretudo em instalações de menor capacidade, é usualmente mais simples e direto medir a vazão de água que entra na caldeira com um hidrômetro ou a variação de nível no tanque de água de alimentação do que medir a va- zão de vapor.

2.6.4 Princípio da conservação de energia

A primeira lei da termodinâmica, ou princípio da conservação da energia, estabelece que energia não pode ser criada nem destruída, mas simplesmente transformada de uma forma em outra. A primeira lei é usualmente aplicada de duas formas: em sistemas fecha- dos sem escoamento e em sistemas abertos com escoamento em regime permanente. Como visto no item 1.6.1, a água contida em uma caldeira durante o processo de aquecimento é exemplo do primeiro caso, enquanto uma caldeira em regime normal de funcionamen- to é um exemplo da segunda situação, quando não existem variações de propriedades com o tempo.

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Para um volume de controle em regime permanente, caso de maior interesse, as con- dições da massa dentro do volume de controle não variam com o tempo. A vazão em massa e a taxa de transferência de energia na forma de calor e de trabalho (potência) também são constantes com o tempo. Como não há acumulação de massa dentro do vo- lume de controle, o princípio da conservação de energia pode ser representado pela ex- pressão 1.17, que é a equação geral da primeira lei da termodinâmica para regime per- manente.

(2.17)

(taxa de energia de entrada) = (taxa de energia de saída)

em que:

- Taxa de calor e trabalho através do volume de controle, [kW];

- Vazão em massa de entrada e saída do Volume de Controle, respectivamen- te, [kg/s];

h - Entalpia específica, [kJ/kg];

v - Velocidade do fluxo, [m/s];

g - Aceleração da gravidade local  9,8 m/s2; e

Z - Altura a partir de um ponto de referência, [m].

Muitas aplicações importantes envolvem apenas uma entrada e uma saída em regime permanente do volume de controle. Assim, o balanço de energia neste caso especial se reduz à equação a seguir.

(2.18)

Com base nesta última equação, pode-se analisar o processo de geração de vapor em uma caldeira funcionando normalmente, após a fase de aquecimento, como esquemati- zado na Figura 2.3.

E F I C I Ê N C I A E N E R G É T I C A N O U S O D E V A P O R30

Figura 2.3 - Esquema de uma caldeira

Balanço de massa (expressão 2.16):

Balanço de energia (expressão 2.18):

Para uma caldeira, pode-se considerar desprezível a diferença de energia cinética e po- tencial. Também, não há geração nem consumo de trabalho. Assim:

Ou seja, o calor fornecido corresponde ao ganho de entalpia da água. Da mesma for- ma, em um trocador de calor aquecido por vapor o calor cedido por [kg] de vapor é igual à variação de entalpia do vapor entre a entrada e a saída já que não existe trabalho en- volvido e os efeitos de energia cinética e potencial podem ser desprezados. A expressão anterior é do maior interesse na determinação da eficiência de caldeiras e será utilizada adiante com este fim.

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2.7 Ciclos térmicos de potência

Os ciclos térmicos de potência são uma seqüência de processos termodinâmicos (mu- danças de estados). Em particular, os ciclos de potência são utilizados para converter energia térmica em trabalho, empregando usualmente como fluídos gases e água, sendo que no último caso os ciclos são denominados ciclos a vapor, ou ciclo Rankine. Este tipo de sistema de potência permite converter a energia de combustíveis de baixo custo em eletricidade. Grande parte da energia elétrica produzida em todo mundo utiliza essa tec- nologia. Embora analisar estes ciclos esteja fora dos objetivos deste trabalho, considera- se importante apresentar alguns conceitos a respeito, inclusive porque essa tecnologia tende a se expandir nos próximos anos no Brasil.

Os principais equipamentos que compõem os ciclos Rankine são: caldeira de vapor, turbina a vapor, condensador, aquecedores de água de alimentação e bombas necessári- as para a circulação da água. De forma geral, o rendimento desses ciclos, ou seja, a parce- la do calor que é convertida em eletricidade, depende diretamente da condição do vapor produzido na caldeira e entregue à turbina: quanto mais elevadas sua pressão e tempe- ratura, mais eficiente é o ciclo. Nas configurações de melhor desempenho, trabalha-se com pressão acima de 180 atm e temperatura de 550ºC.

Os sistemas de cogeração, uma interessante variante dos ciclos Rankine, emprega o ca- lor residual presente nos gases de escape de turbinas a gás como fonte de calor para a geração de vapor. Neste caso, nos denominados ciclos combinados a caldeira de recupe- ração aproveita este calor que seria perdido e permite obter eficiências bastante eleva- das para ciclos térmicos, ao redor de 50%. Para melhor aproveitar a energia dos gases, pode-se utilizar mais que um nível de pressão na caldeira de recuperação.

Ainda relacionados aos ciclos de potência, há os ciclos de cogeração a vapor, em que a produção de potência se dá simultaneamente à utilização do calor rejeitado pelo ciclo, na forma de vapor de baixa pressão rejeitado pela turbina a vapor e que pode atender com bons resultados às necessidades de calor típicas de uma ampla gama de indústrias, como de alimentos e bebidas, têxtil e química. Nos sistemas de cogeração a vapor, a efi- ciência global, que relaciona o calor utilizado com o calor entregue aos ciclos, pode ser superior a 80%. Nos anexos deste Livro, agregam-se mais informações sobre sistemas de cogeração.

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2.8 Transferência de calor

É da maior relevância para os profissionais interessados em sistema a vapor o conhe- cimento dos mecanismos de transferência de calor. De fato, seja nas situações em que se desejam altas taxas térmicas ou naquelas em que se pretende reduzir ao máximo os flu- xos de calor, é naturalmente necessário entender como a energia flui apenas por uma di- ferença de temperatura. Como o tratamento desenvolvido neste Livro é naturalmente in- trodutório, mais detalhes podem ser obtidos em obras de referência de transferência de calor.

Os modos básicos de transferência de calor são três: condução, convecção e radiação. Nos sistemas reais, estes modos acorrem de forma combinada e acoplada. Um problema típico ocorre quando se deseja determinar exatamente a taxa de transferência de calor, para uma determinada configuração do sistema, com um campo de temperatura conhe- cido e envolvendo materiais com propriedades também conhecidas.

A condução é o modo de transferência de calor em que a troca de energia acontece em um meio sólido ou um fluído em repouso, pela troca de energia cinética ao nível dos elétrons e moléculas. Uma expressão básica para a taxa de condução de calor em uma su- perfície plana (qcond), em [W/m

2], é dada a seguir, em que (k) corresponde à condutivida- de térmica; (A), à área de troca térmica; e (x), à distância entre as superfícies quente e fria, respectivamente a (T1) e (T2).

(2.19)

A condutividade térmica é uma propriedade física dos materiais. Varia bastante: é na- turalmente reduzida para os isolantes (ao redor de 0,1 W/m.K para o amianto e 1,0 W/m.K para os tijolos refratários) e apresenta valores elevados para os metais bons condutores de calor (entre 100 e 500 W/m.K para cobre, alumínio, metais nobres). É exatamente por causa da alta resistência à troca de calor por condução, empregando-se calhas de mate- riais isolantes, que se consegue reduzir as perdas de calor em uma tubulação de vapor.

A convecção é o modo de transferência de calor que ocorre quando um fluído escoa sobre uma superfície, com ambos a temperaturas diferentes. Evidentemente que a geo- metria e a velocidade do fluído são variáveis importantes, pois no regime turbulento a troca de calor é muito mais efetiva que sob regime laminar. Também é possível identifi- car sistemas convectivos, em que a velocidade do fluído é determinada por causas exter-

E F I C I Ê N C I A E N E R G É T I C A N O U S O D E V A P O R 33

nas (um ventilador ou uma bomba), na denominada convecção forçada, ou por diferen- ças de densidade provocadas pela transferência de calor, no caso da denominada convec- ção natural.

A expressão a seguir mostra como se relacionam as variáveis: temperatura do fluído (Tf ), temperatura da superfície (Ts) e o coeficiente de transferência de calor (h) para deter- minar a taxa de troca térmica por convecção, qconv. Para geometrias complexas, como nas caldeiras e nos trocadores de calor, esta expressão deve ser adaptada para tomar em conta as diversas situações envolvidas.

(2.20)

O coeficiente h pode ser determinado analiticamente ou experimentalmente.Quase sem- pre é apresentado em correlações em função da geometria,do tipo de regime de escoamen- to e dos fluídos envolvidos.A Tabela 2.6 apresenta alguns exemplos como referência,eviden- ciando a grande variação observada, em especial quando ocorrem mudanças de fase.

T A B E L A 2 . 6 - V A L O R E S T Í P I C O S P A R A O C O E F I C I E N T E D E T R A N S F E R Ê N C I A D E C A L O R C O N V E C T I V O

TIPO DE FLUXO H

[W/m2.k]

Convecção natural (escoamentos externos)

Ar, T= 25ºC, placa vertical de 0,25 m 5

Água, T= 25ºC, placa vertical de 0,25 m 440

Ar, T= 25ºC, cilindro horizontal f 0,02 m 8

Água, T= 25ºC, cilindro horizontal f 0,02 m 741

CONVECÇÃO FORÇADA (ESCOAMENTOS EXTERNOS E INTERNOS)

Ar a 25ºC, c/ veloc. 10 m/s, sobre placa lisa de 0,1 m 39

Ar a 25ºC, c/ veloc. 10 m/s, sobre placa lisa de 0,5 m 17

Ar, 5 m/s, externo a um duto de f 0,01 m 85

Óleo, 5 m/s, externo a um duto de f 0,01 m 1.800

Água, 1 kg/s, dentro de um duto de f 0,025 m 10.500

Água fervendo em uma panela 3.000

Água fervendo (fluxo máximo de calor) 35.000

Água condensando em superfícies verticais até 11.000

E F I C I Ê N C I A E N E R G É T I C A N O U S O D E V A P O R34

A radiação térmica é o modo de transferência de calor determinado apenas pelo nível de temperatura do corpo e condições de sua superfície, realizado por meio de ondas ele- tromagnéticas, podendo ser sintetizado pela expressão a seguir, em que o calor trocado (qrad) é dado em função de um fator F1, que leva em conta a forma do corpo e as caracte- rísticas radiativas (emissividade) de sua superfície, de sua área A1, de uma constante físi- ca (, Constante de Stefan-Boltzmann, igual a 5,6697 x 10-8), das temperaturas do corpo (T1) e do ambiente em torno desse corpo (T2).

(2.21)

Como este tipo de troca térmica depende de uma constante física de reduzido valor, apenas quando alguma das temperaturas envolvidas é elevada, geralmente acima de 1.000ºC, é que a radiação passa a ser importante, como no caso das fornalhas das caldei- ras.

E F I C I Ê N C I A E N E R G É T I C A N O U S O D E V A P O R 35

3 Água e Vapor As caldeiras, condensadores, evaporadores e vários outros equipamentos operam com

fluidos em constante mudança de estado. Podem ocorrer processos de aquecimento, va- porização, condensação, etc. Por esse motivo, a perfeita compreensão desses fenômenos é importante para o estudo desses equipamentos. Este capítulo trata deste assunto, abor- dando principalmente a água como fluido utilizado. Para facilitar o entendimento, são da- das as seguintes definições:

Fase de uma substância: quantidade de matéria totalmente homogênea, que pode as- sumir a fase sólida, líquida ou gasosa.

Estado de uma substância: identificado por certas propriedades, como pressão, tempe- ratura, volume específico e densidade.

Propriedade: quantidade que depende do estado do sistema e independe do caminho pelo qual o sistema chegou ao estado considerado, como pressão, temperatura, volu- me específico, entalpia, densidade e energia interna.

Propriedade intensiva: independe da massa, como: pressão, temperatura, densidade, entalpia específica e energia interna específica.

Propriedade extensiva: depende da massa, como: volume e massa total do sistema, energia interna e entalpia.

3.1 A substância pura

A substância pura tem composição química invariável e homogênea. Pode existir em mais de uma fase, no entanto a composição química é a mesma em todas as fases. Por exemplo, água líquida e vapor d’água ou uma mistura de água mais gelo são todas subs- tâncias puras, pois cada fase tem a mesma composição. Algumas vezes, uma mistura de gases, como o ar, pode ser considerada como uma substância pura, desde que não haja mudança de fase.

As substâncias puras mais importantes para o estudo da termodinâmica são as cha- madas substâncias simples compressíveis, para as quais os efeitos de superfície, magnéti- cos e elétricos não são significativos.

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3.2 Equilíbrio de fases vapor-líquida-sólida da água

Suponha-se um sistema formado por um cilindro, um êmbolo e uma certa massa de água no estado líquido. A pressão é mantida constante, por meio de pesos, em 1,0 kgf/cm2 e a temperatura inicial é de 25°C, for transferindo calor para esse sistema, a tem- peratura da água aumenta sensivelmente e o volume específico varia muito pouco. No instante que a temperatura atingir 100°C inicia-se a mudança de fase. Durante essa mu- dança, a temperatura e a pressão permanecem constantes. No momento que a última porção de líquido houver se vaporizado, a temperatura volta a se elevar.

A temperatura na qual se dá a vaporização, para uma determinada pressão, é chama- da de temperatura de saturação. Do mesmo modo, a pressão relacionada com uma certa temperatura de saturação é denominada de pressão de saturação. Para as substâncias pu- ras existe uma relação muito bem definida entre a pressão e a temperatura de saturação. Por exemplo, para a água a temperatura de saturação na pressão de 1,0 kgf/cm2 é de 100,0°C e a pressão de saturação para a temperatura de 100,0°C é igual a 1,0 kgf/cm2. Essa relação assume a forma típica mostrada no Gráfico 3.1.

Gráfico 3.1 - Curva de pressão de vapor para uma substância pura

Quando a substância existe na fase líquida à temperatura e pressão de saturação, ela é chamada líquido saturado. Caso a temperatura seja mais baixa que a temperatura cor- respondente à saturação, a substância é denominada líquido comprimido.

Se uma substância existir na fase líquida e vapor, na temperatura e pressão de satura- ção, pode-se definir o título, uma propriedade intensiva dada pela relação entre a massa de vapor e a massa total. O título é normalmente simbolizado pela letra x e só tem senti- do quando a substância está na condição de saturação.

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Uma substância é denominada de vapor saturado seco se está presente somente como vapor na condição de saturação e o seu título é de 100%. Caso esse vapor esteja em uma temperatura acima da saturação, recebe o nome de vapor superaquecido. Para os va- pores superaquecidos não há uma relação entre a pressão e a temperatura, e as duas va- riáveis são independentes entre si.

Considerando-se novamente o sistema com o cilindro, o êmbolo e a água, pode-se fa- zer o experimento anterior para várias pressões diferentes, alterando os valores dos pe- sos sobre o êmbolo. O aspecto típico dos resultados obtidos em um diagrama de Pressão x Volume é mostrado no Gráfico 3.2.

Gráfico 3.2 - Diagrama P x V sem escala para uma substância pura

Neste gáfico, pode-se observar que entre as linhas de líquido e de vapor as curvas cor- respondentes à pressão constante são horizontais; isto é, dentro dessa região as tempe- raturas e as pressões são invariáveis. Observa-se também que à esquerda da linha de lí- quido não existe vapor e que à direita da linha de vapor não pode haver a presença de lí- quido.

Um ponto notável do diagrama anterior é aquele em que a linha de líquido se encon- tra com a linha de vapor. Esse ponto é denominado de ponto crítico. Nele os estados de lí- quido e de vapor são idênticos. A esse ponto correspondem a temperatura, pressão e vo- lume crítico. Em temperaturas acima da temperatura crítica não existem duas fases pre- sentes, e a substância recebe o nome de fluido. Os valores para o ponto crítico da água são:

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Temperatura crítica 374,14 [°C] Pressão crítica 220,92 [bar] Volume crítico 0,003155 [m3/kg]

Se a experiência anterior for feita com gelo, o resultado será semelhante. No entanto, estariam em jogo três fases: a sólida, a líquida e a de vapor. O aspecto de um diagrama P x T seria o mostrado no Gráfico 3.3.

Gráfico 3.3 - Diagrama P x T para a uma substância semelhante à água

Neste diagrama é possível verificar que ao longo da linha de sublimação as fases sóli- da e vapor estão em equilíbrio; que ao longo da linha de fusão estão em equilíbrio as fa- ses sólida e líquida; que na linha de vaporização estão presentes as fases líquida e vapor. Existe apenas um único ponto em que as três fases coexistem em equilíbrio: é o ponto tri- plo. A linha de vaporização termina no ponto crítico, porque não há mudança distinta da fase líquida para a de vapor acima desse ponto. A pressão e temperatura do ponto triplo, para algumas substâncias, são dadas na Tabela 3.1.

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TABELA 3.1 - DADOS DE ALGUNS PONTOS TRIPLOS, SÓLIDO-LÍQUIDO-VAPOR SUBSTÂNCIA TEMPERATURA (oC) PRESSÃO (bar)

Hidrogênio -259 0,0719

Nitrogênio -210 0,1253

Oxigênio 219 0,0015

Mercúrio -3,9 0,13 x 10-9

Água 0,01 0,0061

Zinco 419 0,0507

Prata 960 0,10 x 10-3

Cobre 1083 0,79 x 10-6

3.3 Propriedades independentes de uma substância pura

Um motivo importante para a introdução do conceito de substância pura é que o es- tado de uma substância pura simples compressível é definido por duas propriedades in- dependentes. Isso significa que, por exemplo, se o volume específico e a temperatura do vapor superaquecido forem especificados, o estado do vapor estará determinado.

Para entender o significado da expressão propriedade independente, considere os esta- dos de líquido saturado e de vapor saturado de uma substância pura. Ambos têm a mes- ma pressão e temperatura, mas são definitivamente diferentes. Assim, no estado de satu- ração, pressão e temperatura não são propriedades independentes.

Duas propriedades independentes, tais como pressão e volume específico, ou pressão e título, são requeridas para especificar um estado de saturação de uma substância pura.

Diversas observações experimentais mostram que um gás a baixa pressão e em tem- peratura mais altas obedece ao seguinte comportamento:

(3.1)

Esse comportamento pode ser generalizado para qualquer gás usando o conceito de volume molar e uma constante denominada constante universal dos gases.

, (3.2)

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em que:

 - volume molar [m3/kmol] R - constante Universal dos gases [kJ/kmol.K]

O volume molar é dado pela relação entre o volume específico do gás e o seu peso molecular. O valor da constante universal dos gases, determinado experimentalmente, é 3,31434 k/kmol.K.

Essa expressão é denominada equação dos gases perfeitos. É precisa enquanto se está suficientemente distante do ponto crítico da substância. Nas proximidades desse ponto o comportamento dos gases reais se desvia muito daquele que foi assumido para os ga- ses perfeitos.

Nessas situações, a proximidade entre as moléculas e os efeitos de dissociações são considerados em equações bem mais complexas, que podem representar com grande precisão o estado dos gases reais. São expressões que usam desenvolvimentos em séries de Taylor e contam com até mais de trinta constantes. Um exemplo é a equação (3.3), que dá o comportamento do ar:

(3.3)

As constantes usadas nessas equações são determinadas a partir de resultados de en- saios em laboratório.

3.4 Tabelas de propriedades termodinâmicas

O trabalho com essas equações mais complexas geralmente exige o uso de computa- dores e justifica-se somente para trabalhos mais acurados. Para as aplicações mais co- muns, podem ser usadas as tabelas de propriedades termodinâmicas. Muitas substânci- as foram estudadas e tabeladas. Em geral, todas elas são apresentadas da mesma forma: são divididas em três seções: líquido comprimido, região de saturação e região de supe- raquecimento.

Como o vapor d’água é largamente usado nas centrais termelétricas e em vários pro- cessos industriais, apresentam-se em anexo algumas tabelas para esta substância.

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A forma mais empregada para assegurar o fornecimento do calor necessário à produ- ção de vapor é por meio da queima de algum combustível, como gás combustível ou le- nha. Interessa, portanto, apresentar os combustíveis e seu processo de fornecimento de calor, do ponto de vista das reações envolvidas e da geração de energia térmica, que se associam diretamente ao impacto ambiental e à eficiência energética na produção de va- por. Neste tópico serão apresentados também elementos das tecnologias de combustão empregadas em caldeiras.

4.1 Definições

A combustão pode ser definida como uma reação química exotérmica rápida entre duas substâncias, um combustível e um comburente. As reações exotérmicas são aque- las que liberam energia térmica. O combustível é a substância que queima, que se oxida, contendo em sua composição, principalmente, carbono e hidrogênio, e, eventualmente e em menores teores, outros elementos reagentes, como oxigênio e enxofre, ou ainda ou- tros elementos ou compostos que não participam da reação de combustão, como a água. Comburente é o componente da reação de combustão que fornece o oxigênio. Em geral, é usado o ar atmosférico, que apresenta a grande vantagem de não ter custo de forneci- mento. Entretanto, o ar contém relativamente pouco oxigênio, existindo 3,76 volumes de nitrogênio por volume de oxigênio (21% em percentagem volumétrica ou 23% em per- centagem por peso atômico), além de trazer sempre alguma umidade.

Os produtos da combustão são tipicamente gasosos. Contudo, os elementos do com- bustível que não se oxidam ou já estão oxidados vão constituir as cinzas. Os combustíveis podem ser classificados de acordo com seu estado físico nas condições ambientes em:

■ sólidos: madeira, bagaço de cana, turfa, carvão mineral, carvão vegetal, coque de car- vão, coque de petróleo, etc.

■ líquidos: líquidos derivados de petróleo, óleo de xisto, alcatrão, licor negro (lixívia celu- lósica), álcool, óleos vegetais, etc.; ou

■ gasosos: metano, hidrogênio, gases siderúrgicos (gás de coqueria, gás de alto forno, gás de aciaria), gás de madeira, biogás, etc.

4 Combustíveis e Combustão

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Alguns combustíveis podem situar-se em uma ou outra classificação, dependendo da pressão. Por exemplo, o gás liquefeito de petróleo, ou GLP, uma mistura de butano e pro- pano, sob pressões relativamente baixas, pode estar no estado líquido.

4.2 Reações de combustão

O conhecimento básico das reações de combustão permite estimar o requerimento de ar teórico e as condições reais de sistemas utilizando combustíveis. Na Tabela 4.1 es- tão resumidas as reações elementares para o estudo da combustão, correspondentes res- pectivamente, à oxidação completa e incompleta do carbono, à oxidação do hidrogênio e à oxidação do enxofre. É apresentado também o calor liberado em cada reação, por uni- dade de massa do combustível.

T A B E L A 4 . 1 - R E A Ç Õ E S B Á S I C A S D E C O M B U S T Ã O

REAGENTES PRODUTOS ENERGIA LIBERADA

C + O2 CO2 + 8.100 kcal/kg C

C + 1/2 O2 CO + 2.400 kcal/kg C

2 H2 + O2 2 H2O (L) + 34.100 kcal/kg H2 S + O2 SO2 + 2.200 kcal/kg S

Deve ser observado que para cada caso existe uma quantidade determinada de oxi- gênio; portanto, de ar a ser fornecido. A combustão completa quando todos os elemen- tos combustíveis contidos no combustível (C, H, S, etc.) combinam com o oxigênio do ar, fornecendo os produtos finais correspondentes estáveis quimicamente. Neste sentido, a segunda reação apresentada para o carbono, com a formação do monóxido de carbono (CO), não é completa. Fica ainda evidente que a queima parcial do carbono libera bem menos energia que sua total oxidação. Na queima do hidrogênio, a água formada pode estar como líquido ou como vapor, sendo apresentada nessa tabela a energia liberada quando está na forma líquida.

A proporção exata de ar e combustível para uma combustão completa é conhecida como relação ar/combustível estequiométrica, uma propriedade característica de cada combustível. Por exemplo, a maioria dos derivados de petróleo requer da ordem de 14 kg de ar por kg de combustível, enquanto a lenha seca requer cerca de 6 kg de ar por kg. De- pendendo da temperatura e da pressão, esta quantidade de ar corresponderá a um de- terminado volume.

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Em termos volumétricos, de interesse para combustíveis gasosos, a relação ar/combus- tível, em m3 de ar/m3 de gás combustível) pode ser estimada pela equação seguinte:

(4.1)

em que:

a/c - relação ar/combustível estequiométrica; x - teor molar de carbono; y - teor molar de hidrogênio; z - teor molar de oxigênio; e k - teor molar de enxofre.

Para combustíveis sólidos e líquidos, a quantidade teórica de ar necessária à combus- tão de um combustível é usualmente apresentada em base mássica (kg de ar/ kg de com- bustível), podendo ser calculada pela fórmula a seguir, valendo a mesma simbologia da expressão anterior.

(4.2)

Sendo conhecida a composição em massa do combustível, os teores molares (x, y, z e k) podem ser determinados dividindo-se, respectivamente, os teores mássicos ou em peso por 12, 1, 16 e 32, ou seja, pelos pesos molares destes elementos. Quando existirem inertes, como cinzas ou nitrogênio, a quantidade de ar requerida, determinada pelas ex- pressões anteriores, deverá ser ajustada proporcionalmente.

As Tabelas 4.2 e 4.3 fornecem os coeficientes molares indicativos para serem utilizados nessas expressões e a relação ar/combustível estequiométrica, para os combustíveis usu- almente empregados na produção de vapor. Como os combustíveis são quase sempre produtos naturais, os valores apresentados são indicativos.

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TA B E L A 4 . 2 - C O E F I C I E N T E S M O L A R E S PA R A A LG U N S C O M B U S T Í V E I S

COMBUSTÍVEL COEFICIENTE MOLAR OBSERVAÇÃO x y z k

Óleo combustível 7,2 12 0 0,06 tipo B1, 2% de enxofre

Gás natural (típico) 1,15 4 0,2 0 85% CH4, 10% C2H6 e 10% CO2 GLP 3,5 9 0 0 50% C3H8 e 50% C4H10 Lenha 4,76 7,2 3,3 0 eucalipto com 30% de umidade

Bagaço de cana 4,02 6,7 2,8 0

Carvão vegetal 6,19 3,6 0 0 carvão de eucalipto, de boa qualidade

Carvão mineral 7,37 5,7 0 5,7 carvão vapor de Tubarão, SC, 44% cinzas

TABELA 4.3 - RELAÇÕES AR/COMBUSTÍVEL ESTEQUIOMÉTRICAS EM BASE ÚMIDA

COMBUSTÍVEL RELAÇÃO AR/COMBUSTÍVEL UMIDADE TÍPICA ESTEQUIOMÉTRICA

Óleo combustível 13,5:1 kg/kg ~ 0% Gás natural (típico) 9,76 m3/ m3 0% GLP 15,1:1 kg/kg ; 26,2 m3/ m3 0% Lenha 3,99 kg/kg 30% Bagaço de cana 2,95 kg/kg 50% Carvão vegetal 12,5 kg/kg ~ 0% Carvão mineral, 44% cinzas 6,89 kg/kg ~ 0%

É interessante notar que a umidade e o teor de cinzas afetam diretamente a relação ar/combustível estequiométrica, já que a parcela do combustível que efetivamente rea- ge é menor quando uma parte de seu peso corresponde à água ou a outros materiais que não vão reagir com o oxigênio. Como um exemplo, um kg de bagaço de cana com 50% de umidade consome apenas a metade do ar requerido pela mesma massa de bagaço seco. A expressão a seguir pode ser utilizada para avaliar a relação ar/combustível em base úmida.

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(4.3)

em que:

 = umidade referida à massa seca do combustível (%)

No presente Livro, as expressões anteriores para cálculo da relação ar/combustível em base seca, em função da composição do combustível, são apresentadas em uma planilha Excel (Cálculos de Combustão.xls), entregue no disquete anexo.

4.3 Excesso de ar

Como a reação de combustão deve ocorrer de forma rápida e em um volume limita- do, para assegurar que todo o combustível se oxide, é necessário colocar sempre algum ar em excesso, senão aparecerá combustível sem queimar, com evidentes implicações econômicas e ambientais. De outro lado, o excesso de ar para combustão deve ser sem- pre o menor possível, pois o ar, além do oxigênio, sempre traz consigo uma massa eleva- da de nitrogênio, gás inerte e que arrasta para a chaminé parte do calor gerado na rea- ção, resultando em uma perda de desempenho da utilização do calor do combustível. Ou seja, se a correta proporção entre o ar e o combustível não for mantida, haverá insuficiên- cia ou excesso de ar, além do mínimo recomendável e, conseqüentemente, perda de efi- ciência no processo, como representado no Gráfico 4.1.

Gráfico 4.1 - Efeito do excesso de ar sobre as perdas em sistemas de combustão

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O excesso mínimo de ar a ser adotado depende tanto do tipo de combustível como do sistema de combustão, já que se trata de buscar uma mistura adequada entre o combus- tível e o comburente. Em geral, gases combustíveis permitem uma mistura adequada sem dificuldade, e os excessos de ar situam-se usualmente entre 5 a 10%. Para um com- bustível líquido, em função de sua viscosidade e do sistema de atomização empregado no queimador, pode ser requerido menos de 10% de excesso de ar ou mais de 30%. No caso dos combustíveis sólidos o excesso de ar depende muito da granulometria e da for- ma de alimentação do combustível. Um combustível bem moído e alimentado em sus- pensão pode comportar-se como um óleo pesado, enquanto lenha em pedaços grandes sobre uma grelha fixa pode requerer de 60 a 120% de excesso de ar.

A determinação prática do excesso de ar é usualmente realizada por meio de medidas de composição dos gases de combustão em base seca; isto é, sem serem afetadas pelo teor de umidade eventual do combustível queimado. As medidas mais importantes são os teores de dióxido de carbono (CO2) e oxigênio (O2). Tradicionalmente, estas medidas eram realizadas utilizando métodos químicos de absorção seletiva, mediante instrumen- tos do tipo aparelho de Orsat, mas atualmente são também largamente empregados sis- temas eletrônicos, trabalhando com células sensoras aos produtos de combustão.

As expressões a seguir, também disponibilizadas no disquete anexo, permitem conhe- cer o excesso de ar a partir de medidas dos teores de CO2 e O2. Adicionalmente, alguns instrumentos fornecem medidas de outros componentes nos gases de combustão, de pouco interesse para fins de determinação do excesso de ar e úteis para avaliar a homo- geneidade da mistura ar/combustível e a formação de poluentes gasosos, como o monó- xido de carbono (CO) e os óxidos de enxofre (SOx) e nitrogênio (NOx).

(4.4)

(4.5)

em que:

(4.6)

(4.7)

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% CO2 - teor de dióxido de carbono nos produtos de combustão;

% O2 - teor de oxigênio nos produtos de combustão; e

x, y, z e k - teores molares respectivamente do carbono, hidrogênio, oxigênio e enxofre do combustível (como nas expressões anteriores).

A relação entre a composição dos gases de combustão, usualmente amostrados na base da chaminé, e o excesso de ar é exemplificada no Gráfico 4.2, com valores válidos para o óleo combustível tipo B1 (BPF). Para quaisquer outros combustíveis pode ser utili- zada a planilha Cálculos de Combustão, que configura numérica e graficamente o exces- so de ar como função dos teores de CO2 e O2, de efetiva aplicação no estudo do desem- penho de sistemas de produção de vapor.

Gráfico 4.2 - Relação entre excesso de ar e teores de dióxido de carbono e oxigênio para óleo combustível típico B1

A seguir, são resumidas as principais exigências de um eficiente processo de combus- tão, do ponto de vista das proporções entre o ar e o combustível:

■ O comburente deve estar em quantidade suficiente em relação ao combustível para que a reação química da combustão seja completa. Deve-se trabalhar com o mínimo de excesso de ar, suficiente para a total oxidação do combustível, sem indícios signifi- cativos de monóxido de carbono e fuligem.

■ O comburente deve formar com o combustível uma mistura homogênea. O uso de queimadores corretos para o combustível, bem operados, assegura que o ar é forneci- do à reação de combustão sem existirem zonas de mistura muito rica ou muito pobre e garantindo completa oxidação do combustível.

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■ No caso de combustíveis líquidos, a adequada viscosidade é um fator essencial para uma queima correta. Quanto menor a viscosidade do combustível, melhor será a sua pulverização; ou seja, mais fácil será a sua divisão em gotículas e, portanto, melhor sua mistura com o ar. Como a viscosidade varia com a temperatura, o preaquecimento do combustível é fundamental para se atingirem os limites de viscosidade necessários para uma boa pulverização. A viscosidade de um óleo combustível pode variar por ou- tros motivos, como sua composição, e a temperatura de aquecimento deve ser ajusta- da, quando necessário. Entretanto, por uma questão de segurança, esta temperatura não deve aproximar-se muito do ponto de fulgor do óleo combustível.

■ No caso de combustíveis sólidos, por idênticas razões, sua granulometria é de extrema importância para obterem-se as condições adequadas de queima. Quanto mais redu- zido o tamanho de uma partícula, maior será a área de contacto com o comburente e melhores serão as condições para a reação de combustão.

4.4 Poder calorífico dos combustíveis

A energia térmica fornecida durante a queima dos combustíveis pode ser avaliada por seu poder calorífico, em geral, apresentado para sólidos e líquidos por unidade de massa e para gases por unidade de volume, referidas neste caso a pressão atmosférica e a tem- peratura de 0ºC. Como comentado, a água, usualmente presente nos produtos de com- bustão, resultante da oxidação do hidrogênio, pode apresentar-se em diferentes estados (líquido e vapor). São definidos dois tipos de poder calorífico: o Poder Calorífico Superior (PCs), quando a água está na forma liquida, estado típico nas condições de ensaio de combustíveis, pouco aplicado em situações práticas; e Poder Calorífico Inferior (PCi), quando a água apresenta-se como vapor, situação que efetivamente ocorre nos produ- tos de combustão nas chaminés. Naturalmente, dependendo do teor de hidrogênio do combustível, o Poder Calorífico Superior é cerca de 10% maior que o Poder Calorífico In- ferior.

A Tabela 4.4 apresenta valores para o poder calorífico inferior de alguns combustíveis em sua condição típica de utilização em caldeiras, parâmetro de interesse para determi- nar a eficiência na geração de vapor.

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TABELA 4 .4 - PODER CALORÍF ICO INFERIOR PARA ALGUNS COMBUSTÍVEIS

COMBUSTÍVEL PODER CALORÍFICO INFERIOR DENSIDADE

Óleo combustível B1 9.590 kcal/kg 1000 kg/m3

Gás natural (típico) 8.800 kcal/m3 - GLP 11.100 kcal/kg - Lenha 3.100 kcal/kg 400 kg/m3

Bagaço de cana 2.130 kcal/kg - Carvão vegetal 6.460 kcal/kg 260 kg/m3

Carvão mineral 1 2.850 kcal/kg -

1 Carvão vapor sem especificação, podendo ser especificados produtos com PCs Superior.

4.5 Tecnologia de combustão

Para a realização prática de processos de combustão, são necessários equipamentos capazes de proporcionar a mistura do ar e do combustível em condições seguras e con- troladas, sem perdas. A seguir, são apresentados os componentes dos sistemas de produ- ção de vapor em que ocorrem tais reações de combustão, que influem decisivamente em seu desempenho.

4.5.1 Fornalhas

Fornalha é a denominação genérica que se dá ao local onde se queima o combustível e de onde saem os produtos da combustão. Pode ser formada por queimadores (para combustíveis líquidos e gasosos), grelhas (para combustíveis sólidos) ou câmaras de combustão.

A câmara de combustão é um volume adequadamente dimensionado, no qual se de- senvolve a chama e se completa a combustão, além de propiciar a proteção e os supor- tes necessários para os queimadores e grelhas. De forma geral, a fornalha deve evaporar as substâncias voláteis do combustível, elevar sua temperatura do combustível até a combustão, proporcionando a condição ideal uma combustão completa, criar turbulên- cia para misturar o ar e o combustível, e impedir a troca de calor entre os gases quentes produzidos e o ambiente. No interior da fornalha as paredes devem ser revestidas com uma camada de tijolos refratários, responsáveis por reter o calor no interior da fornalha. Por isso, devem suportar altas temperaturas e apresentar resistência ao choque térmico

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e dilatação quase nula. A fixação desses tijolos é feita com argamassa refratária. Os prin- cipais componentes dos materiais refratários são: óxido de sílica, óxido de magnésio, gra- fite e silício.

As fornalhas podem ser classificadas, essencialmente, em duas categorias::

fornalhas com combustão sobre suporte. Englobam todas as fornalhas que queimam combustíveis sólidos a granel, grosseiramente divididos, picados e/ou britados. Se- gundo a qualidade (teor de cinzas e voláteis) e quantidade de combustível manipula- do, seu grau de divisão e mecanização da alimentação, podem ser grelhas fixas, incli- nadas, basculantes ou rotativas; e

fornalhas para queima em suspensa. São usadas quando se queimam óleo, gases ou combustíveis sólidos pulverizados, utilizando para alimentar o combustível equipa- mento especial, chamado maçarico, queimador ou combustor, responsável pela dis- persão do combustível na fornalha de forma homogênea.

4.5.2 Queimadores

Conforme o tipo de combustível empregado, as configurações dos queimadores po- dem variar bastante, como se apresenta a seguir:

Queimadores para combustíveis líquidos:

Os combustíveis líquidos são queimados nas câmaras de combustão, sempre em sus- pensão, pulverizados por meio de vários processos, que devem ser capazes de atomizar bem o combustível, mesmo sob cargas parciais.

■ Pulverização a ar

O óleo escoa por gravidade ou por impulsão de uma bomba de baixa pressão. O ar é insuflado por ventilador, sendo o veículo responsável pela pulverização do óleo em gotí- culas (Fig. 4.1). Conforme a pressão do ar, os queimadores são denominados de baixa pressão (até 500 mmca) ou de média pressão (da ordem de 1000 mmca). São indicados para unidades de pequeno porte, queimando uma quantidade máxima de 50 kg/h de óleo. O ar de pulverização, denominado ar primário, representa 20% do ar total necessá- rio à combustão. Operam com 30 a 40% de excesso de ar e apresentam uma pulveriza- ção não uniforme, dificultando a regulagem da queima. Uma concepção mais moderna deste tipo procura dar uma rotação aos dois fluxos, o que tem permitido uma melhora na sua performance. Este tipo de queimador é exemplificado na Figura 4.2.

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Figura 4.1 - Maçarico de óleo com pulverização a ar

Figura 4.2 - Queimador de óleo com pulverização a ar comprimido e efeito rotação do fluido auxiliar primário

Fonte: Pêra (1990)

■ Pulverização a vapor

Substitui o ar pelo vapor produzido na própria caldeira, promovendo uma pulveriza- ção mais fina e fortemente acentuada pelo aquecimento. Tem o inconveniente de parte do calor produzido na combustão ser consumido pelo vapor, quando este for saturado. A Figura 4.3 apresenta o dispositivo que mistura combustível e vapor, para facilitar a atomi- zação e melhorar a mistura com o ar.

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Figura 4.3 - Maçarico de queimador a óleo com atomização a vapor

■ Queimador de copo rotativo

Uma concepção mais complexa e de bom desempenho é o queimador de “copo rota- tivo”, largamente aplicado nos geradores de vapor limitados à capacidade de queima de 500 kg óleo/h, embora alguns tipos especiais com alta rotação (10000 rpm) possam che- gar à capacidade de 3000 kg óleo/h. O funcionamento baseia-se na formação de um fil- me de óleo no interior de um copo tronco cônico girando a alta rotação (3600 rpm), que projeta o combustível na forma de um anel cônico de encontro a um fluxo de ar rotativo de alta pressão, como mostrado na Figura 4.4. Uma das vantagens deste tipo de queima- dor é sua razoável capacidade de modulação de carga.

Figura 4.4 - Queimador tipo copo rotativo Fonte: Pêra (1990)

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■ Pulverização mecânica

Caracteriza-se pela ausência completa de peças rotativas no queimador, garantindo a pulverização do óleo por escoamento estrangulado em alta velocidade através de orifíci- os de pequenas dimensões (Fig. 4.5). A energia necessária para o líquido atravessar o ori- fício em alta velocidade é mantida por uma bomba de engrenagens.

Figura 4.5 - Bico queimador de óleo via pulverização mecânica Fonte: Pêra (1990)

■ Queimadores de combustíveis gasosos

Os combustíveis gasosos são os mais simples de serem queimados, pois a mistura com o comburente se processa de forma muito mais fácil do que com qualquer outro com- bustível, podendo ainda ter sua velocidade de ignição aumentada mediante pré-aqueci- mento do suprimento do comburente. Basicamente, distinguem-se dois tipos: queimado- res de mistura; e queimadores de difusão. Os queimadores de mistura promovem a mis- tura do ar com o gás antes de injetá-los na câmara de combustão, como apresentado na Figura 4.6. Já os queimadores de difusão têm por princípio injetar ambos os fluidos sepa- radamente, proporcionando a mistura de ambos no interior da câmara de combustão, sendo menos empregados.

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Figura 4.6 - Esquema de um queimador de mistura para gases Fonte: Pêra (1990)

■ Queimadores de combustíveis sólidos pulverizados

A utilização dos combustíveis sólidos tem como exemplo mais importante o carvão mineral utilizado nas grandes unidades geradoras de vapor das centrais termoelétricas, sendo que existem outros materiais pulverizados e resíduos de processos industriais, como é o caso do bagaço de cana, da borra de café, da serragem e de resíduos florestais macerados, que são particulados e queimados em suspensão, quando insuflados na câ- mara de combustão (Fig. 4.7).

a - ar de núcleo b - câmara de ar c - mistura de pó e ar d - difusor de torção

e - ajuste do difusor f - tubos de refrigeração g – queimador de ignição h – tubos da parede

Figura 4.7 - Queimador de turbilhão para carvão pulverizado

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Queimadores de combustíveis sólidos.

Nas pequenas caldeiras, o combustível, lenha em toras, é colocado manualmente sobre um conjunto de grelhas fixas. Para as caldeiras de maior capacidade, utilizam-se sistemas com grelhas móveis ou deslizantes.A lenha, normalmente picada, é transportada por meio de correias transportadoras, dos silos até aos dosadores e alimentadores (Fig. 4.8).

a - alimentação de carvão b - barras atiçadoras c - barras de movimento d - acionamento da grelha e - cilindro de saída f - ventilador principal g - câmaras inferiores h - controle de ar i - saída de escória k - saída de finos l - bocais de ar secundário

Figura 4.8 - Caldeira aquotubular de grelhas móveis.

4.6 Tiragem

É o processo de retirada dos gases provenientes da combustão, da caldeira para a at- mosfera. Dependendo do uso de energia externa, sua tiragem pode ser efetuada de vári- as maneiras: natural, forçada ou mista.

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■ Natural

Quando, normalmente, sem a ajuda de equipamentos especiais, o ar entra na fornalha, alimenta a chama e sai pela chaminé, graças à diferença de temperaturas na sua base e no seu topo.

■ Forçada ou induzida

Os gases são eliminados com a ajuda de ventiladores sopradores. Pode apresentar vá- rias disposições construtivas. Suas dimensões, porém, dependem da capacidade da caldei- ra para um suficiente suprimento de ar de combustão e para que os gases sejam totalmen- te eliminados. Nas caldeiras em que os gases são eliminados através de exaustores, aspi- rando os gases e projetando-os para a atmosfera, a tiragem é chamada induzida (Fig. 4.9).

Figura 4.9 - Tiragem Forçada Fonte: Pêra (1990)

As caldeiras que possuem este tipo de tiragem são chamadas de caldeiras despressuri- zadas. Elas precisam ter muito boa vedação, para evitar a entrada de ar falso, através de suas paredes ou duplos invólucros (Fig. 4.10).

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Figura 4.10 - Tiragem Induzida Fonte: Pêra (1990)

■ Mista ou balanceada

Neste sistema são empregados dois ventiladores, sendo que um deles tem a finalida- de de introduzir o ar na caldeira (ventilador soprador) e o outro tem a finalidade de reti- rar o ar da caldeira (ventilador exaustor), conforme esquema da Figura 4.11.

Figura 4.11 - Tiragem Mista Fonte: Pêra (1990)

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Atualmente, devido a todos os aperfeiçoamentos e intensificação da produção indus- trial, os geradores de vapor fornecem o vapor indispensável a muitas atividades, não só para movimentar máquinas, mas também para limpeza, esterilização, aquecimento e par- ticipação direta no processo produtivo, como matéria-prima. Além da indústria, outras empresas utilizam cada vez mais vapor gerado pelas caldeiras, como restaurantes, hotéis, hospitais e frigoríficos.

O mais importante gerador de vapor é a caldeira, que é, basicamente um trocador de calor que trabalha com pressão superior à pressão atmosférica, produzindo vapor a par- tir da energia térmica fornecida por uma fonte qualquer. É constituída por diversos equi- pamentos integrados para permitir a obtenção do maior rendimento térmico possível e maior segurança. Esta definição abrange todos os tipos de caldeiras, sejam as que vapo- rizam água, mercúrio ou outros fluídos e que utilizam qualquer tipo de energia: térmica (seja convencional, como combustíveis, ou não convencional, como energia nuclear ou solar) ou, mesmo, elétrica. Quase sempre a fonte de calor é um combustível especifica- mente utilizado com esta finalidade, mas podem ser aproveitados também calores resi- duais de processos industriais, escape de motores diesel ou turbinas a gás, dando ênfase à racionalização energética de sistemas complexos. Neste caso, o equipamento é chama- do caldeira de recuperação. Algumas vezes, o fluido permanece no estado líquido, apenas com temperatura elevada para ser aproveitado nos processos de aquecimento (calefa- ção), formando, deste modo, caldeiras de água quente ou aquecedores de água. Para pro- duzir o vapor d'água, é necessário que haja a combustão na caldeira.

5.1 Definições iniciais

Capacidade do gerador de vapor

É o quanto a caldeira produz de vapor, podendo ser representada por:

a) Quilo de vapor ou tonelada de vapor por hora kg/h ou t/h; b) BHP - “Boiler Horse-Power”, onde 1 BHP ˜ 15,65 kg/h; ou c) Quilo de vapor por metro quadrado kg/m2 de superfície de aquecimento.

5 Geradores de Vapor

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Superfície de aquecimento

É a área de tubulação (metálica) que recebe o calor dos gases quentes, responsável por vaporizar a água (m2).

Calor útil

É a parcela de calor produzida pelo combustível que se transferiu para a água, forman- do vapor.

Eficiência térmica

É a relação entre o calor útil e o conteúdo térmico total do combustível queimado.

(5.1)

em que:

- vazão em massa de vapor fornecido e de combustível [kg/h], respectivamente;

hvs, hve - entalpia do vapor de saída, entrada [kJ/kg]; e

PCI - poder calorífico inferior do combustível queimado [kJ/kg].

5.2 Componentes clássicos

Atualmente, os geradores de vapor de grande porte são constituídos de uma associa- ção de componentes, de maneira a constituírem um aparelho complexo. São o exemplo mais completo que se pode indicar, principalmente quando destinados à queima de com- bustível sólidos, conforme descrito no Quadro 5.1 e mostrado no desenho da Figura 5.1.

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Q U A D R O 5 . 1 - C O M P O N E N T E S C L Á S S I C O S D E U M A C A L D E I R A

(A) Cinzeiro Lugar onde se depositam cinzas e ou, eventualmente, restos de combustíveis que atravessam o suporte de queima sem completarem sua combustão.

(B) Fornalha Local onde se inicia o processo de queima seja de combustíveis sólidos (líquidos ou gasosos).

(C) Câmara de combustão Volume onde se deve consumir todo o combustível antes de os produtos de combustão atingirem e penetrarem no feixe de tubos. Por vezes, confunde-se com a própria fornalha, dela fazendo parte; outras vezes, separa-se completamente.

(D) Tubos Evaporadores Correspondem ao vaso fechado e pressurizado com tubos contendo água no seu interior, a qual, ao receber calor, transforma-se em vapor.

(E) Superaquecedor Responsável pela elevação da temperatura do vapor saturado gerado na caldeira.

(F) Economizador Componente onde a temperatura da água de alimentação sofre elevação, aproveitando o calor sensível residual dos gases da combustão direcionados à chaminé.

(G) Pré-aquecedor de ar Componente cuja função é aquecer o ar de ou pré-ar combustão para introduzi-lo na fornalha, aproveitando o

calor sensível dos gases da combustão.

(H) Canais de gases São trechos intermediários ou finais de circulação dos gases de combustão até a chaminé. Podem ser de alvenaria ou de chapas de aço, conforme a temperatura dos gases que neles circulam.

(I) Chaminé É a parte que garante a expulsão dos gases de combustão com velocidade e altura determinadas para o ambiente e, indiretamente, promove a boa circulação dos gases quentes da combustão através de todo o sistema pelo chamado efeito de tiragem.

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Tomando por base uma unidade mais complexa, a Figura 5.1 permite identificar os componentes clássicos e o princípio de funcionamento da instalação.

Figura 5.1 - Componentes de uma caldeira complexa Fonte: Pêra (1990)

Detalhes construtivos do tubulão:

a - tubos de sobrecarga b - tubos de vapor saturado c - tubos de queda d - câmara de descarga e - câmara de vapor f - ciclone g - chapas de choque h - tubo de descarga

Figura 5.2 - Cortes em duas seções de um tubulão de vapor

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5.3 Classificação

As caldeiras podem ser classificadas de diversas formas. Por exemplo:

■ Quanto à disposição da água em relação aos gases:

a) flamotubulares; ou b) aquotubulares.

■ Quanto à energia empregada no aquecimento:

a) a partir de combustíveis: sólidos; líquidos; gasosos; b) elétricas: jatos-de-água; eletrodos submersos; resistores; ou c) caldeiras de recuperação; gases de outros processos; recuperação química.

■ Quanto à montagem:

a) caldeiras pré-montadas (compactas); ou b) caldeiras montadas em campo.

■ Quanto à sustentação:

a) caldeiras auto-sustentadas; b) caldeiras suspensas; ou c) sustentação mista.

■ Quanto à circulação de água:

a) circulação natural; ou b) circulação forçada.

■ Quanto ao sistema de tiragem:

a) tiragem natural; b) tiragem forçada; ou c) tiragem balanceada ou induzida.

5.4 Caldeiras flamotubulares

Este foi o primeiro tipo de caldeira construída. É também chamada de tubo-de-fogo,

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tubo-de-fumaça ou pirotubular, por causa dos gases quentes provenientes da combustão que circulam no interior dos tubos em um ou mais passes, ficando a água por fora dos mesmos. De construção simples, mesmo com o aparecimento de caldeiras mais moder- nas ainda continua em uso. Posteriormente, com alguns aperfeiçoamentos, passou a cha- mar-se caldeira escocesa. Na Figura 5.3, nota-se que a caldeira tipo flamotubular não pas- sa de um cilindro externo que contém água e um cilindro interno destinado à fornalha. Sua tiragem ou saída de gases é normal. A carcaça é construída de chapas, que variam de espessura de acordo com o porte da caldeira, e a sua pressão pode variar entre 5 a 10 kgf/cm2, sendo que as maiores unidades atingem a produção de 6 tv/h, saturado e pres- sões inferiores a 17 kgf/cm2.

a - corpo da caldeira b - câmara de inversão c - tubo de fogo d – câmara de descarga e - câmara anterior f - ciclone g - chapas de choque h - tubo de descarga i - queimador copo rotativo j - ventoinha k - quadro inferior l - bombas de óleo m - pré-aquecedor de óleo n - painel de comando o - bombas de alimentação p - passarela

Figura 5.3 - Esquema de uma caldeira flamotubular a óleo

5.4.1 Caldeira flamotubular compacta

É de pequeno porte,na qual o combustível é queimado em uma câmara apropriada,her- meticamente vedada,geralmente de forma cilíndrica,reta ou ondulada,denominada forna- lha. Os gases provenientes do processo de queima (combustão) são conduzidos por meio de tiragem natural ou forçada para o ambiente, passando antes por uma chaminé. Os ga- ses quentes circulam dentro do feixe tubular, transmitindo para suas paredes parte da ener- gia térmica, pelos processos simultâneos de condução e convecção de calor.Tanto a câma-

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ra de queima quanto o feixe tubular deverão estar totalmente cobertos externamente por água, a qual absorverá o calor, iniciando o aquecimento e a mudança de estado.

As partes que recebem o calor da combustão ou dos gases precisam ser resfriadas, pela própria água a ser vaporizada, ou isoladas termicamente, por meio refratários apro- priados. São muito utilizadas em locais que requerem o uso de vapor saturado em vazõ- es reduzidas, de 1 a 15 t/h e baixas pressões, de 7 a 20 kg/cm2, como em hospitais, lavan- derias, cervejarias, hotéis e indústrias de pequeno e médio porte.

A Figura 5.4 mostra uma caldeira flamotubular compacta, com seus principais elemen- tos constitutivos.

Figura 5.4 - Caldeira flamotubular compacta, com seus principais componentes

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5.4.2 Caldeiras verticais

Este tipo de caldeira tem as mesmas características da caldeira horizontal multitubu- lar. Os tubos são colocados verticalmente dentro do cilindro e a fornalha interna fica no corpo do cilindro. Existem tipos cuja fornalha é externa. Esta caldeira é usada em locais onde o espaço é reduzido.Não requer grande quantidade de vapor, mas alta pressão. Os gases resultantes da queima na fornalha sobem pelos tubos e aquecem a água que se en- contra por fora dos mesmos.

Figura 5.5 - Caldeira flamotubular vertical

Pode ser de fornalha interna, como mostra a Figura 5.5, ou de fornalha externa. Geral- mente, as fornalhas internas são envolvidas por uma câmara de água formada pelo prolon- gamento do corpo cilíndrico. A caldeira vertical de fornalha externa é aplicada principal- mente quando é usado combustível de baixo PCI (bagaço de cana, casca de laranja, etc.).

5.5 Caldeiras aquotubulares

Somente foi possível a obtenção de maiores produções de vapor a pressões elevadas e altas temperaturas com o aparecimento deste tipo de caldeira (tubos de água). A Figu- ra 5.6 representa uma seção transversal de uma caldeira aquotubular com dois tambores (tubulão de vapor e o tubulinho, ou tubo de lama). Um feixe tubular de água compõe a

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parte principal de absorção de calor, sendo que no interior dos tubos circula a água e por fora os gases quentes através do caminho formado pela alvenaria e chicanas internas.

a câmara de combustão b superaquecedor c feixe de tubos d tubos de queda e tambor superior f tambor inferior g acessórios do tubulão h economizador i pré-aquecedor de ar

Figura 5.6 - Caldeira aquotubular para combustível sólido

A água é vaporizada nos tubos que constituem a parede mais interna. Recebendo ca- lor primeiro, vaporiza e sobe até o tambor superior, dando lugar à nova quantidade de água fria que será vaporizada, e assim sucessivamente. Este tipo de circulação de água, provocada apenas pela diferença de peso específico entre a água ascendente e descen- dente, é característica das chamadas caldeiras com circulação natural. À medida que a cal- deira aquotubular aumenta sua capacidade, aumentam também seu tamanho, a quanti-

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dade de tubos e, por conseqüência, as perdas de cargas no circuito hidráulico, tornando a circulação por meio de bombas necessária. São as chamadas caldeiras de circulação for- çada. A produção de vapor nestes tipos de caldeira pode atingir capacidades de 600 até 750 t/h com pressões de 150 a 200 kgf/cm2 temperaturas de 450 a 500oC, existindo uni- dades com pressões críticas e supercríticas.

A flexibilidade permitida pelo arranjo dos tubos que constituem os feixes possibilita uma vasta variedade de tipos construtivos, conforme a classificação a seguir:

■ caldeiras aquotubulares de tubos retos, podendo os tambores estarem colocados no sentido longitudinal ou transversal; e

■ caldeiras aquotubulares de tubos curvos, que podem apresentar de um a mais de qua- tro tambores, no sentido longitudinal ou transversal.

5.5.1 Circulação da água em caldeiras aquotubulares

Os aços aplicados na construção das caldeiras expostas aos gases quentes precisam ser continuamente resfriados por água ou mistura água-vapor para conservarem suas qualidades de resistência, pois até a temperatura limite de 450ºC para os aços carbonos comuns, 590ºC para os aços martensíticos e 650ºC para outras ligas martensíticas estes materiais conservam suas propriedades mecânicas. Ultrapassando estes limites, as pro- priedades destes materiais utilizados na construção de caldeiras começam a diminuir sua resistência mecânica. Assim, o resfriamento da superfície metálica que é submetida a tais temperaturas é vital para a segurança do equipamento.

Numa unidade convencional, a circulação da água se processa livremente, graças à tendência natural provocada pela diferença de pesos específicos entre a água situada nas partes mais frias da caldeira e aquela contida nas zonas de alta temperatura dos ga- ses. A Figura 5.7 apresenta quatro diferentes esquemas, cada um esclarecendo como se processa a circulação natural da água no interior dos tubos, que fica mais comprometida à medida que a pressão se eleva. Daí conclui-se que a circulação controlada por meios forçados é fundamental nas caldeiras de altas pressões.

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Figura 5.7 - Diferentes concepções da circulação de água no interior dos tubos Fonte: Pêra (1990)

5.6 Comparações entre caldeiras flamotubulares e aquotubulares

As vantagens e desvantagens dos dois tipos de configuração construtiva de caldeiras levam em consideração os seguintes elementos:

5.6.1 Grau de combustão e vaporização específica

Grau de combustão - Unidade de massa de combustível queimado, por unidade de tempo e por unidade de área da superfície da grelha (G), no caso de caldeiras a carvão, expresso em kg/m2h(G). Para caldeira a petróleo, kg de petróleo queimado por h e m2

de superfície de aquecimento (S) ou m3 de volume da câmara de combustão (V), ex- presso em kg/m2h(S) ou kg/m3h(V).

Vaporização específica - Para caldeira a carvão, kg de vapor produzido por h e m2 de su- perfície de grelha, expresso em kg/m2h(G), para caldeiras a petróleo, kg de vapor pro- duzido por h e m2 de superfície de aquecimento (S), expresso em kg/m2h(S).

Caldeiras aquotubulares permitem desenvolver graus de combustão muito superiores

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aos obtidos nas flamotubulares, pelo fato de a fornalha não formar parte integral da cal- deira. Desta forma, podem ser construídas câmaras de combustão amplas, especialmen- te apropriadas para a queima de petróleo.

A Tabela 5.1 apresenta dados sobre graus de combustão e vaporização específica de caldeira tubular e de caldeira aquotubular.

TABELA 5 .1 - GR AUS DE COMBUSTÃO E VAPORIZAÇÃO ESPECÍF ICA DE CALDEIR A TUBULAR E DE CALDEIR A AQUOTUBULAR

GRAU DE COMBUSTÃO VAPORIZAÇÃO ESPECÍFICA

TIPO DE CALDEIRA CARVÃO PETRÓLEO CARVÃO PETRÓLEO

kg/m2 h( G) kg/m2h(S) kg/m2h( V) kg/m2h(G) kg/m2h(S) kg/m2h(V)

Flamotubular 120 - 180 1,5 - 2,5 - 1100 - 1400 30 - 35 30 - 35

Aquotubular 250 - 400 5,1 - 8 150 - 200 1800 - 3300 35 - 50 70 - 100

A Tabela 5.1 permite concluir que a caldeira aquotubular possui maior vaporização es- pecífica que a flamotubular, o que significa que pode ser obtida uma elevada capacida- de com caldeiras de pouco peso e volume.

Como a capacidade ou potência de uma caldeira, consideradas constantes as outras condições, depende da extensão e posição da sua superfície de aquecimento com respei- to à fornalha, na aquotubular, os tubos vaporizadores permitem obter uma considerável área de aquecimento em um espaço reduzido, especialmente na do tipo leve, constituí- da com tubos de pequeno diâmetro limitando a câmara de combustão.

5.6.2 Peso e volume

Para igual capacidade, a caldeira aquotubular ocupa um volume menor, sendo tam- bém de peso menor que a flamotubular. A diminuição de peso é conseqüência direta da eliminação dos invólucros, casco ou corpo cilíndrico de grande diâmetro e espessura, como também da redução da quantidade de água, aproximadamente a décima parte da contida na caldeira cilíndrica.

5.6.3 Pressão e grau de superaquecimento do vapor

As maiores caldeiras flamotubulares construídas atingem valores de pressão da ordem

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de 25 kg/cm2. Como a espessura com que deve ser construído o casco aumenta propor- cionalmente com a pressão e diâmetro, observar-se-á que, ultrapassando determinados limites, seria necessário construir caldeiras com chapa de espessura tal que tornaria sua execução não somente difícil como de custo excessivamente elevado e de peso exagera- do. Pelas razões expostas, entre outras, a pressão acima pode ser considerada como limi- te máximo para este tipo de gerador.

Caldeiras aquotubulares usando somente coletores e tubos de pequeno diâmetro são construídas com placas de menor espessura. Portanto, são mais aptas para vaporizar sob maior pressão, pelo motivo de que, para um maior valor deste parâmetro, ao diminuir o diâmetro do recipiente, a espessura do metal capaz de suportá-la diminui proporcional- mente.

Conforme o grau de superaquecimento do vapor que for necessário obter nos gera- dores aquotubulares, o superaquecimento é instalado em qualquer lugar no percurso dos gases, desde a fornalha até os canais de fumaça, com o que poderão ser atingidas temperaturas maiores que no caso da caldeira flamotubular.

Na caldeira flamotubular, os superaquecedores devem ser colocados no interior dos tubos, o que reduz a secção de passagem dos gases, dificultando também a limpeza, ou na caixa de fumaça, onde a temperatura não é suficientemente elevada. Tais condições tornam este tipo de caldeira apto que a do tipo aquotubular para a produção de vapor superaquecido.

5.6.4 Tempo necessário para atingir a pressão de operação

Como os geradores aquotubulares contêm uma pequena quantidade de água por m2

de superfície de aquecimento e, além disso, a dilatação das diferentes partes pode efetu- ar-se independentemente do resto da caldeira, é fácil compreender que atingirão a pres- são de operação em menor período de tempo que as tubulares. Neste tipo o período ne- cessário para que a dilatação se realize de forma lenta e gradual pode exceder 24 horas em caldeiras de grandes dimensões. No entanto, para o tipo aquotubular oscila ao redor de 4 horas, ou menos ainda se necessário sem maior perigo para a caldeira.

Caldeiras cilíndricas flamotubulares, devido a sua estrutura e construção rígida, resultam altamente sensíveis às mudanças bruscas de temperatura, as quais ocasionam deformações permanentes, que podem afetar a sua resistência obrigando a reparos difíceis e onerosos.

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O equilíbrio térmico das diferentes partes de uma caldeira aquotubular estabelece-se rapidamente como conseqüência da sua menor massa e da ativíssima circulação de água no seu interior.

5.6.5 Qualidade da água de alimentação

Uma das vantagens da caldeira flamotubular, quando comparada com uma aquotubu- lar, consiste na possibilidade de alimentá-las com água natural. Nesta, é condição funda- mental o emprego de água tratada, para evitar não somente a formação de incrustações sobre a superfície de aquecimento como a produção de espuma e ebulição, conjunta- mente com vapor. Em todos os casos, é conveniente o uso de água tratada. Este assunto será melhor discutido no próximo capítulo.

5.6.6 Eficiência térmica

A definição de eficiência em equipamentos térmicos é muito importante, porém fal- tam normas nacionais. Na ausência delas, normalmente utilizam-se as normas DIN (ale- mã) ou ASME (americana), as quais usam parâmetros diferentes. Um mesmo equipamen- to poderia alcançar eficiência de 93% pelo sistema DIN contra 84% no ASME.

Atualmente, a eficiência térmica ou o rendimento total que pode ser obtido na caldei- ra do tipo aquotubular supera o correspondente à caldeira do tipo flamotubular. Na pri- meira tem-se obtido eficiência (usando a norma ASME) de 80% a 85% ou maiores em cal- deiras com superaquecedores, economizadores e aquecedores de ar; na última é impos- sível superar valores de 75% a 78% nas melhores condições de limpeza.

A maior eficiência dos geradores aquotubulares deve-se à disposição mais racional da superfície de aquecimento, que favorece a transmissão do calor desenvolvido na forna- lha e, especialmente, à adoção de superaquecedores de vapor, aquecedores e economi- zadores já mencionados. Estes equipamentos permitem recuperar grande parte do calor residual dos gases quentes da combustão, que passam pela chaminé, diminuindo a tem- peratura final destes.

5.6.7 Condução e limpeza

Devida à quantidade de água que contêm as caldeiras do tipo aquotubular e a sua ele- vada evaporação específica, deverá ser mantida uma vigilância constante e cuidadosa do nível de água, especialmente nos casos em que sejam necessários elevados graus de combustão.

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Caldeiras do tipo flamotubular requerem menor atenção pelo fato de possuírem gran- de massa de água e menor vaporização específica, podendo a renovação máxima ocor- rer de uma vez a cada hora. Nas caldeiras do tipo aquotubular leve a totalidade da água da caldeira pode vaporizar de 8 a 10 vezes por hora em condições de carga máxima. Pelo exposto, deduz-se que as variações de nível são rapidíssimas, motivo que tem levado os fabricantes à adoção de mecanismos que regulam automaticamente o nível de água no interior do gerador para evitar falhas humanas que poderiam levar à perda do gerador do vapor.

Outra vantagem que apresenta o gerador de vapor do tipo tubular: devido à grande massa de água e ao considerável volume da câmara de vapor, acumula considerável energia potencial, o que o torna apto a satisfazer demandas elevadas de vapor das má- quinas às quais servem sem sofrer grandes quedas de pressão.

Como as caldeiras do tipo aquotubular contêm menor quantidade de água e a câma- ra de vapor é mais reduzida, resultam susceptíveis às variações de consumo de vapor. Nestas caldeiras, para evitar a queda rápida da pressão, torna-se necessário modificar imediatamente o grau de combustão, o que, conseqüentemente, leva a uma maior e constante atenção na condução do processo de combustão.

A limpeza interna das caldeiras flamotubulares apresenta menos dificuldades que a das aquotubulares por apresentarem em suas partes maior acessibilidade. Nas caldeiras do tipo aquotubular a quase totalidade de sua superfície de aquecimento está constituída de tubos de grande comprimento e pequeno diâmetro, às vezes curvados, o que torna mais difícil a limpeza interna e, obviamente, demanda mais tempo para efetuá-la.

Concluindo, pode-se estabelecer que as caldeiras do tipo aquotubular necessitam para sua condução e manutenção de pessoal profissionalmente mais experiente que para os mesmos serviços com caldeiras do tipo tubular.

5.6.8 Vida útil

Define-se como vida útil de um gerador a quantidade de horas de fogo que pode su- portar em condições normais de funcionamento; isto é, vaporizando a pressão máxima de trabalho admissível para a qual tenha sido projetada

Deve-se considerar que quando por motivo de segurança decorrente da falta de con- servação adequada ou por desgaste normal da caldeira tenha sido reduzida a pressão de

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descarga das válvulas de segurança, considerar-se-á como vida útil o tempo anterior a esta operação, e não o tempo total, em que se computa também a nova utilização da cal- deira com a pressão reduzida.

Como nas caldeiras do tipo aquotubular os tubos vaporizadores e superaquecedores constituem a parte mais exposta, a durabilidade destas é uma função da vida destes ele- mentos. A experiência tem demonstrado que este tipo de caldeira apresenta menor re- sistência que as do tipo flamotubular, o que é perfeitamente justificável por serem mais severas as condições de operação.

A troca de tubos em uma caldeira aquotubular constitui uma operação relativamente rápida e fácil. Na caldeira tubular, após determinado número de anos de trabalho, além do problema da inutilização de tubos, é comum ocorrerem problemas como deformação das fornalhas, corrosão ou desgaste, reduzindo as dimensões úteis de partes metálicas, fissuras, fendas e outras descontinuidades, desnivelamentos e dilatações ou contrações térmicas reversíveis ou irreversíveis.

A vida útil de uma caldeira depende, fundamentalmente, do método de trabalho que tenha sido realizado, do sistema de vaporização (regime constante ou variável), da quali- dade da água de alimentação, da freqüência das limpezas externas e internas etc., moti- vo pelo qual não é possível determinar sem cometer erros consideráveis o tempo médio de vida para cada caldeira. Dependerá, além dos cuidados mencionados, da experiência e da dedicação do pessoal a cargo destas encarregado.

5.7 Caldeiras de condensação

A implementação de sistemas de recuperação de energia deu origem ao aparecimen- to, no mercado, das designadas caldeiras de condensação.

Essas caldeiras, de eficiência térmica muito mais elevada do que as convencionais, es- tão direcionadas para potências relativamente moderadas, até 900 kW ou 775 000 kcal/h e para a produção de água quente, até 95°C.

As caldeiras de condensação, para além do tubular normal, dispõem de um permutador (gases/água) antes da chaminé, onde se realiza o arrefecimento dos gases (acompanhado da condensação dos seus vapores) e o aquecimento da água, no seu trajeto de retorno à caldeira. A evacuação dos condensados dos vapores, que se formam ao atravessar o per- mutador, é efetuada por um dreno inferior, seguindo os gases para a respectiva chaminé.

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5.8 Equipamentos recuperadores de calor

5.8.1 Superaquecedores e reaquecedores

Em algumas situações, é de interesse que o vapor seja superaquecido ou reaquecido; por exemplo, após passar por uma expansão em uma turbina. A principal razão para que isso seja feito é que se deve manter a qualidade do vapor acima de certos limites, evitan- do a erosão e danos nas pás dos estágios finais das turbinas a vapor.

Para superaquecer o vapor, acumulando na massa de vapor uma maior energia térmi- ca, empregam-se os aparelhos denominados superaquecedores, que normalmente, apro- veitam os gases da combustão ainda na câmara de combustão ou no início do feixe de tubos para aquecer o vapor saturado, transformando-o em vapor superaquecido, na mes- ma condição de pressão. Os superaquecedores são construídos de tubos de aço em for- ma de serpentina, cujo diâmetro varia de acordo com a capacidade da caldeira, podendo ser lisos ou aletados.

Quando instalados dentro das caldeiras, estão localizados atrás do último feixe de tu- bos, entre dois feixes de tubos, sobre os feixes de tubo ou, ainda, sobre a fornalha (Fig. 5.8). A caldeira pode apresentar o superaquecedor em separado (Fig. 5.9). Neste caso, ele de- penderá de uma fonte de calor para o aquecimento. Normalmente, é instalada outra for- nalha.

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Figura 5.8 - Superaquecedor Integral

Figura 5.9 - Superaquecedor instalado fora da caldeira

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5.8.2 Economizadores

Como o próprio nome indica, a função do economizador é aproveitar o calor residual dos gases de combustão que acabaram de deixar a fornalha. Esses gases passam por um trocador de calor e aumentam a temperatura da água de alimentação da cadeira. Geral- mente, são usados trocadores de calor do tipo tubos encurvados e, mais raramente, tro- cadores de placas.

5.8.3 Pré-aquecedores

Os pré-aquecedores, normalmente, são a última etapa de troca de calor dos gases de combustão. Esse trocador é usado para aumentar a temperatura do ar que será usado na queima do combustível.

Como a troca de calor se dá entre dois gases, o ar e os de combustão, é necessário que os trocadores possuam gran- des superfícies de troca de ca- lor. Por este motivo, são equi- pamentos volumosos. Existem concepções compactas, do tipo rotativo, mostrada na Figu- ra 5.10.

Figura 5.10 - Corte de um pré-aquecedor rotativo

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A alimentação de água, para repor a água correspondente ao vapor produzido, e o tra- tamento, para manter a qualidade desta água, são duas das mais importantes operações necessárias ao perfeito funcionamento de um gerador de vapor dentro dos limites de se- gurança e sem perda de eficiência.

6.1 Sistemas de abastecimento de água

A cada quilograma de vapor extraído da caldeira deve corresponder equivalente quantidade de água injetada. Não se verificando a reposição, o nível de água no interior da caldeira começa a baixar. Enquanto as superfícies metálicas expostas ao contato dos gases quentes estiverem banhadas pela água, nenhum dano ocorre ao equipamento. No momento que o nível ultrapassar o limite mínimo ao estabelecido, compromete-se a se- gurança da unidade. Criam-se condições de ruptura das paredes metálicas ou, mesmo, de explosões, devido ao superaquecimento da placa metálica. Por essa razão, cabe ao ope- rador, auxiliado pela automação do processo de alimentação, vigiar permanentemente o nível exibido pelo visor transparente existente na caldeira.

A introdução da água nos geradores de vapor se faz com os aparelhos de alimentação. Sob o ponto de vista termodinâmico, o aparelho de alimentação realiza o trabalho repre- sentado pelo deslocamento de uma massa de água associado a uma pressão capaz de vencer as resistências oferecidas pelo circuito. Pode-se assim afirmar que o sistema de abastecimento de água é responsável tanto pelo suprimento da água como pela pressu- rização do sistema. A Figura 6.1 apresenta um esquema típico de instalação de alimenta- ção de água, com bomba centrífuga, controlada automaticamente por uma válvula.

A alimentação pode ser feita por duas opções de local: no tubo de lama ou no tubu- lão. O critério para a decisão está na temperatura em que esta água está disponível. Ou seja, se estiver numa temperatura “fria”, é indicado o abastecimento pelo tubo de lama; se estiver “quente” ou “quase quente”, a alimentação pode ser pelo tubulão de vapor.

6 Alimentação e Tratamento de Águapara Caldeiras

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Figura 6.1 - Esquema de uma linha de alimentação de água de caldeira

6.1.1 Injetores

São equipamentos para alimentação de água usados em pequenas caldeiras de co- mando manual. Também, foram empregados nas antigas locomotivas a vapor. Seu prin- cípio, simples, baseia-se no uso do próprio vapor de caldeira ou de ar comprimido, que é injetado dentro do aparelho, onde existem seções cônicas divergentes e, válvulas de re- tenção, de controle e de sobrecarga, conforme ilustrado na Figura 6.2.

Quando o ar ou vapor passa pelas seções cônicas divergentes, forma-se uma depres- são, que faz com que a válvula de admissão seja aberta e arrasta por sucção a água de um reservatório para o interior da caldeira. Caso a água entre em excesso, ela pode sair atra- vés de uma válvula de sobrecarga.

Figura 6.2 - Injetor de água

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6.1.2 Bombas centrífugas

São os equipamentos de alimentação de água que têm dado os melhores resultados, pela simplicidade de seus componentes, facilidade de manutenção e grande vazão que oferecem, atingindo até 500.000 litros de água por hora, e por operar em regime contí- nuo, ao contrário das bombas alternativas, em que a alimentação se processa em golpes contínuos.

Seu funcionamento consiste em um disco com um jogo de palhetas que giram em alta velocidade e fazem a sucção da água. Cada disco forma um estágio, cuja quantidade pode variar de acordo com a capacidade da bomba. Nas caldeiras de baixa pressão em- pregam-se bombas com apenas um estágio e nas de alta pressão são usados multiestá- gios.

As bombas centrífugas são passíveis de serem acionadas por motores elétricos ou por turbinas a vapor. Estas últimas são aplicáveis apenas em geradores de maiores capacida- des e pressões. Normalmente, possuem carcaça cilíndrica e bipartida.

Figura 6.3 - Bomba centrifuga de alta pressão para caldeiras Fonte: Pêra (1990)

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6.2 Sistemas de tratamentos de água

6.2.1 Água de alimentação das caldeiras

A água de alimentação de caldeiras provém de fontes naturais, como poços, lagos, cór- regos, rios e de outros mananciais que contêm reservas deste fluido. Conforme a sua pro- cedência, essa água pode conter diferentes produtos dissolvidos ou em suspensão, em concentrações bem diversas.

O emprego direto da água “in natura” como água de alimentação de caldeiras implica um processo de evaporação da fase líquida, com conseqüentes concentrações dos pro- dutos minerais dissolvidos. Outros produtos, entretanto, também são liberados, como ga- ses dissolvidos existentes na fonte fornecedora ou, mesmo, resultante da decomposição de matérias orgânicas igualmente presentes.

Os resíduos, após a evaporação da fase líquida, formam depósitos sobre as superfícies metálicas das caldeiras, com aderências de diferentes tipos, de conformidade com a na- tureza do material acumulado. Certos produtos depositados permanecem na forma de um lodo de fácil remoção e outros se incorporam à própria parte metálica, na forma de resíduos resistentes, de remoção mais difícil, constituindo um depósito denominado pe- los caldeireiros de incrustações.

Como esses depósitos incrustantes são fracos condutores de calor, seu acúmulo sobre as superfícies metálicas tende a criar maiores resistências ao escoamento do calor, con- tribuindo para uma sensível diminuição do coeficiente de condutividade entre os gases quentes e a água situada no interior da tubulação. Evidentemente, diante de uma condi- ção de trabalho que prejudica a troca de calor entre os fluidos do processo, a caldeira pas- sa a produzir menor quantidade de vapor e a apresentar uma diminuição na sua eficiên- cia térmica.

6.2.2 Análise da água

A unidade mais adotada na engenharia para exprimir a concentração das substâncias em solução nas águas naturais é o ppm, partes por milhão. Existem outras unidades, mais comuns nas análises inglesas, como “grãos americanos por galão, gpg”. Entre as diferen- tes unidades há as seguintes equivalências:

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1 gpg = 17,1 ppm

1 ppm = 1 mg/l = 1 g/m3

1 ppm = 0,0583 gpg

As análises são sempre feitas com referência ao volume de água, e não ao peso. Assu- me-se o peso de 1 kg por litro de água, sem levar em conta a correção pela temperatura.

Toda água de alimentação deve ser conhecida e controlada. Com base no fato de já se conhecerem as impurezas normais das águas naturais, foram formulados métodos sim- plificados suficientemente satisfatórios para assegurar um controle rotineiro.

O método consiste na determinação dos seguintes valores: dureza, alcalinidade, clore- tos, fosfatos e pH (acidez). Certas águas obrigam a determinação de outros dados, como: sólidos totais, resíduos calcinado, matéria orgânica, concentração de O2 livre e sílica.

Dureza - Exprime a concentração dos sais de cálcio, seja na forma de carbonato, sulfa- to silicato ou cloreto.

Alcalinidade - Exprime a presença de íons dos sais de bicarbonato, carbonatos, hidró- xidos, fosfatos, silicatos, etc., ou seja, todos os que contribuem para a alcalinidade da água. Destes, os mais expressivos são os carbonatos e hidróxidos.

Cloretos - São geralmente muito solúveis, sejam de cálcio, magnésio, sódio, ferro e ou- tros. Sua determinação se faz com solução de nitrato de prata N10 padrão, empregan- do como indicador o cromato de potássio. Estes sais, por serem altamente solúveis, permitem, em primeira aproximação, estabelecer a porcentagem de descarga da cal- deira.

Fosfatos - São auxiliares valiosos no tratamento de água. Geralmente, não compare- cem nas águas naturais. Sua determinação se processa com reagente de molibdato de amônio. A concentração é analisada por teste colorimétrico comparativo com escala padrão. A intensidade da cor é proporcional à concentração do fosfato. Usando-se uma escala padrão para comparação, tem-se a indicação da concentração de fosfatos.

pH - Indica a acidez ou alcalinidade das águas. As águas naturais são, em geral ligeira- mente ácidas: 6,3 - 6,5 pH. O pH é determinado por escala comparativa de indicadores padrões ou por meio de phmetros eletrônicos.

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Matéria orgânica - Podem comparecer nas águas na forma coloidal ou de algas micros- cópicas, respondendo por sérios problemas de corrosões nos superaquecedores e também nas caldeiras. Sua determinação se faz pelo processo do permanganato.

Gases dissolvidos - As águas naturais contêm sempre gases dissolvidos. O CO2 se apre- senta com concentração até 50 ppm, porém facilmente eliminável por aquecimento. A solubilidade do oxigênio chega a ser até 5,7 ml/l à 25ºC. O oxigênio é extremamen- te agressivo, atacando o metal da caldeira. O aumento da temperatura da água acen- tua a agressividade deste gás. Sua determinação, para caldeiras de pressões mais ele- vadas, acima de 21 kg/cm2, é obrigatória. O método para a determinação do oxigênio exige cuidados especiais. Deve-se a Winkler, baseado na rápida ação oxidante do ele- mento em soluções de hidróxido manganoso Mn (OH)2.

Sílica - É responsável pelas incrustações mais difíceis de serem removidas das superfí- cies metálicas. Sua determinação se faz por processo quantitativo.

Sólidos totais - É a soma dos sólidos em suspensão e dos sólidos dissolvidos. Os sólidos totais são uma medida da possibilidade de formação de espuma, arraste de sílica vo- látil e formação de depósitos. Supondo que o tratamento d’água esteja obtendo o má- ximo de eficiência possível, é necessário purgar a caldeira para reduzir sua concentra- ção. Esta purga é realizada pela extração de superfície, que é uma purga contínua, e, quando necessário, pela extração de fundo, que é uma purga intermitente, limitando assim a concentração de sólidos totais admissíveis na água de caldeira, cujo teor tole- rável é inversamente proporcional à pressão de operação.

6.2.3 Objetivos gerais do tratamento da água

■ realizar a prevenção em alta escala de depósitos de sólidos e efluentes que coíbem a taxa de transferência de calor, que pode levar a um superaquecimento do metal e, conseqüentemente, a reparos de alto custo e interrupções de operação, além de ope- ração insegura;

■ eliminar gases corrosivos na água de alimentação ou da caldeira;

■ realizar a prevenção do craqueamento intercristalino e da fragilização caustica do me- tal; e

■ realizar a prevenção do transporte de materiais estranhos e formação de espuma.

O cumprimento destes objetivos geralmente requer o tratamento anterior e posteri- or da introdução da água na caldeira. A seleção dos processos de pré-tratamento depen-

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de das fontes de água, das características químicas, das quantidades necessárias de água de reposição, das práticas de operação da central, etc.

Os métodos de tratamento anterior incluem filtragem, amaciamento, desmineraliza- ção, desaeração e pré-aquecimento.

O tratamento posterior envolve a adição de produtos químicos à água da caldeira. É necessário para compensar as variações presentes no pré-tratamento e no sistema pré- caldeira para assegurar a proteção desta. Devido às diversas variáveis envolvidas, a aná- lise de somente uma delas não deve ser o único parâmetro para garantir a operação da caldeira. Os métodos caseiros de tratamento de água devem também ser evitados. Son- dagens periódicas devem ser intensificadas para a análise da água não tratada, da água da caldeira e do condensado.

As superfícies internas, ou molhadas, do vaso de pressão devem ser inspecionadas com freqüência suficiente para determinar a presença de contaminação, acúmulo de matéria estranha, corrosão e/ou erosão. Caso um destes seja detectado, deve ser consul- tado um especialista ou uma empresa de tratamento de água para aconselhar uma ação corretiva.

É recomendável existir um medidor instalado na linha de água de reposição para deter- minar precisamente a quantidade de água não tratada a ser admitida na caldeira. Este pro- cedimento auxiliará o programa de tratamento de água a manter as condições apropriadas.

Basicamente, apresenta-se em dois métodos sempre associados. O primeiro, denomi- nado Tratamento Externo, proporciona o melhoramento da qualidade da água antes de sua introdução no gerador de vapor. O segundo, denominado Tratamento Interno, reali- za as reações químicas de tratamento no interior da própria caldeira.

6.2.4 Tratamentos externos

■ Clarificação

O primeiro passo no tratamento da água é sua clarificação, a fim de remover todas as partículas sólidas existentes em suspensão responsáveis pela sua turbidez. O método tradicional de simples filtração só obtém resultado quando a água procede de poços ar- tesianos profundos, os quais, às vezes, já dispõem de uma água límpida, embora forte- mente carregada de sais dissolvidos. Nessa hipótese, a aplicação de um filtro de areia

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aberto, com a remoção das impurezas por gravidade ou uma variante de filtro autolavá- vel, também aberto, atende às necessidades do processo. Na ausência de espaço para se instalar um filtro deste tipo, recorre-se a um filtro de camadas de areia e antracito, fecha- do e compacto, que promove a circulação da água sob pressão até no máximo de 10 m. c.a. (Fig. 6.4). Quando a pressão interna do vaso do filtro acusa valores superiores à pres- são atrás indicada, promove-se uma inversão do fluxo da água que passa a circular no sentido ascendente, arrastando para o esgoto todo o material acumulado sobre a cama- da superior de areia. Esta operação se prolonga até o visor existente no circuito acusar a passagem de água límpida, com duração aproximada de 5 a 10 minutos.

Figura 6.4 - Filtro de camadas de areia e antracito Fonte: Pêra (1990)

Naturalmente, durante esta limpeza o suprimento de água fica interrompido, razão pela qual é de boa norma instalar dois aparelhos em paralelo. Enquanto um deles aten- de à operação de limpeza, o segundo continua suprindo água ao processo. A periodici- dade da operação limpeza depende da qualidade da água. Na maioria dos casos, não ul- trapassa 24 horas, com um mínimo de 12 horas. Todavia, a turbidez da água, igualmente, deve-se à presença de matérias coloidais dificilmente retidas nos filtros anteriores. Esta ocorrência é comum nos mananciais de superfícies que agregam águas correntes com

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todos os tipos de rejeitos por onde passam, humanos, vegetais e minerais.

Dificilmente se encontra um córrego, rio ou lago que disponham de água límpida, sen- do forçoso o acréscimo de um pré-tratamento antes da filtração,denominado clarificação. Os aparelhos clarificadores recebem a água bruta tal qual procedem das fontes de supri- mento, juntamente com agentes coaguladores, que promovem a formação de flocos ge- latinosos dotados de grande capacidade de absorção das impurezas existentes no fluido.

Os agentes coagulantes minerais mais divulgados são compostos de ferro e de alumí- nio, estes últimos de maior aplicação. O hidróxido de alumínio formado no aparelho, com aspecto de flocos gelatinosos, vai paulatinamente decantando, arrastando para o fundo do aparelho toda a turbidez da água.

Os aparelhos destinados a formar os flocos são denominados floculadores. Os destina- dos a decantar são os decantadores. As duas funções podem ser verificadas num único aparelho, denominado clarificador. A Figura 6.5 mostra um esquema de um decantador estático tipo cilíndrico cônico.

Figura. 6.5 - Decantador cilíndrico cônico Fonte: Pêra (1990)

A água límpida produzida a seguir deve ser submetida a outros tratamentos para eli- minar as impurezas dissolvidas. Serão parâmetros determinantes na decisão do proces-

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so de tratamento a ser adotado: a qualidade da água, a pressão da caldeira e a pureza do vapor.

Determinadas águas, uma vez isentas de turbidez, podem ser introduzidas diretamen- te no interior das unidades geradoras de vapor de baixa pressão e ali serem submetidas ao chamado tratamento interno, a ser descrito páginas adiante. Caldeiras de maior res- ponsabilidades, principalmente aquelas que se destinam a suprir vapor para centrais tér- micas, exigem águas absolutamente isentas de impurezas.

Na segunda etapa dos tratamentos externos praticados pela tecnologia encontram- se aqueles que promovem apenas o abrandamento da água, ou seja, que eliminam a sua dureza e outros projetados para fornecer uma água totalmente desmineralizada. Em am- bos, em seguida, acrescenta-se a desgaseificação ou a desaeração.

■ Abrandamento

Existem na literatura diversos métodos para se obter o abrandamento da água. O mais difundido atualmente é o por troca de íons, que se baseia na propriedade de cer- tas areias naturais, quando imersas em água, provocarem um intercâmbio de íons.

Tal processo consiste em passar a água dura através de uma coluna de resina aniôni- ca à base de sódio. O sódio presente na resina substitui o cálcio e o magnésio da água, num processo contínuo até o seu exaurimento, momento a partir do qual se torna for- çosa a regeneração. Neste estágio interrompe-se a passagem da água a ser tratada, subs- tituindo-a por uma solução de cloreto de sódio, a qual recompõe o cátion consumido e remove o cálcio e o magnésio do aparelho diretamente para o esgoto. Feita a regenera- ção, volta à operação do ciclo de tratamento. A Figura 6.6(a) exibe um aparelho abranda- dor de um estágio, com tanque de salmoura para regeneração e todas as tubulações de operação. A Figura 6.6(b) representa o corte em perspectiva de um abrandador de leito misto.

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Figura. 6.6 (a) - Instalação de abrandador de um Estágio; (b) - Corte em perspectiva de um permutador abrandador de leito misto

Fonte: Pera (1990)

■ Desmineralização

Efetuada sobre uma série de trocadores de íons, é o tratamento escolhido para a ali- mentação das caldeiras com pressões acima de 40 kgf/cm2, especialmente quando estas comportam superaquecedores ou alimentam turbinas, caso das usinas térmicas para ge- ração de potência. Uma unidade para suprimento de água desmineralizada contém os aparelhos de troca aniônicos e catiônicos, conforme a exigência da qualidade da água, e se complementa com outros aparelhos, como preparadores das soluções regenerativas, bombas dosadoras e aparelhos registradores.

■ Desaeração

Tem a finalidade de eliminar todos os gases ainda dissolvidos na fase líquida para a at- mosfera, como oxigênio, gás carbônico e sulfídrico. A eliminação dos gases normalmen- te é executada por aparelhagem específica, denominada degaseador, ou degaseificador. Todavia, unidades que operam com baixas pressões podem dispensar o acréscimo da aparelhagem adotando métodos químicos para atenuar o efeito corrosivo, sobretudo o oxigênio.

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Os produtos mais difundidos neste tipo de tratamento são o sulfito de sódio e a hi- drazina. A hidrazina simples ou catalizada vem sendo mais utilizada para neutralizar a corrosão do oxigênio, porquanto ela seqüestra este gás dissolvido na água.

■ Equipamentos desaeradores

O desaerador a pulverização, como mostra a Figura 6.7, dispersa a água em finas go- tas através de pulverizadores na câmara de vapor do aparelho, proporcionando aumen- to da superfície de contato das fases.

O degaseador de cascata, também conhecido como de bandejas, opera em contracor- rente, despejando a água a partir de um distribuidor superior, na forma de múltiplas cas- catas, através do qual o vapor flui em sentido contrário. A fase líquida se aquece ao lon- go do percurso até se acumular no vaso de reserva. Parte do vapor se condensa e parte escoa pelo escape na atmosfera, arrastando consigo os gases incondensáveis.

Figura 6.7 - Esquema de um degaseador a pulverização

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Uma variação mais moderna deste tipo aplica bandejas perfuradas, de forma a criar uma série de jatos cilíndricos de água em queda vertical, aumentando a superfície de contato das fases, conforme esquema da Figura 6.8.

Figura 6.8 - Degaseador de bandejas perfuradas Fonte: Pêra ( 1990)

Os gases incondensáveis são arrastados pelas bolhas de vapor em excesso para a co- luna do aparelho, que dispõe de uma distribuição da água de ingresso na forma de cas- catas. Na maioria das instalações de desaeramento, o aparelho opera com uma pressão interna ligeiramente superior à pressão atmosférica, de conformidade com a temperatu- ra desejada na água desaerada.

■ Remoção da sílica

Como já foi observado, a sílica está presente na água como ácido salicílico e silicatos solúveis. Forma incrustações de difícil remoção, que podem ser retirados pelo tratamen- to com óxidos por troca iônica.

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6.2.5 Tratamento interno

Aplica-se em água de baixa dureza, não turvas, adicionando-se produtos químicos, que reagem no interior da caldeira. Existem várias composições no mercado, cujas doses são prescritas pelos fabricantes em função das impurezas encontradas pela análise da água. O produto básico destas composições, porém, é o trifosfato de sódio.

É o método mais econômico, que consiste em adicionar uma solução dos sais de tra- tamento no próprio tanque de alimentação de água ou no tubo de injeção no interior da caldeira, mediante um dosador contínuo. As reações do fosfato no interior da caldeira precipitam os sais de cálcio, numa forma não aderente à superfície metálica e tornam al- tamente solúveis os sais que davam dureza à água. O precipitado formado pelas reações, sob a forma de lodo, deposita-se nas partes inferiores da caldeira, de onde são elimina- dos por meio de descargas intermitentes.

6.2.6 Formação de espuma e arraste

O arraste consiste de diminutas gotículas de água, que são carregadas pelo vapor no momento que este se desprende da superfície da água. Em condições normais de ope- ração, o arraste de água é uma possibilidade remota, pois os internos do tubulão superi- or são projetados para evitar que isto ocorra. Entretanto, pode ocorrer este tipo de arras- te se houver:

■ danos nos aparelhos separadores de vapor;

■ nível alto no tubulão;

■ variação brusca de carga; ou

■ presença de espuma no tubulão superior.

A formação de espuma deve-se à concentração de produtos químicos, provocando re- dução de tensão superficial da película de água, que envolve as bolhas de vapor em ge- ração. As causas da formação espuma são:

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■ excessiva concentração de sólidos na água;

■ excessiva alcalinidade cáustica; ou

■ matéria orgânica em suspensão na água, como óleo e graxas.

Assim, os produtos químicos são lançados no espaço de vapor e carregados por ele. A intensidade desta espuma depende da natureza dos compostos químicos na água da caldeira. O problema de arraste provoca a formação de depósitos no superaquecedor, nas pás das turbinas e no sistema de condensado, além de problemas de corrosão e ero- são, nas caldeiras aquotubulares.

Outro contaminante indesejável é o óleo ou graxa presente na água de caldeiras, os quais são grandes formadores de espuma. Formam também uma película isolante sobre a superfície interna dos tubos da caldeira, provocando superaquecimento. Dependendo da temperatura, podem ser carbonizados, resultando uma deposição de carbono na cal- deira.

Apesar do tratamento mais rigoroso que se possa adotar, é impossível eliminar da água todos os sais em solução. Excetua-se o método da destilação. A caldeira com a água que produz vapor, portanto, vai acumulando e concentrando os sais que ingressam com a água. A concentração deve ser mantida até o limite de solubilidade, a partir do qual há precipitações que concorrem para a incrustação, o arraste de partículas sólidas pelo va- por e a formação de espuma. É a descarga da caldeira que mantém a concentração des- tes sais dentro dos limites convenientes, além de arrastar o lodo que se acumula nas par- tes inferiores da caldeira.

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Atualmente, todas as caldeiras necessitam de algum tipo de instrumentação e contro- le automático capaz de possibilitar que suas variáveis de processo se mantenham dentro de determinados limites pré-programados para atender à demanda de vapor e operar com garantia de segurança.

7.1 Fundamentos

O conhecimento da teoria de controle possibilita uma melhor compreensão do funci- onamento da instrumentação e do sistema de controle de processos.

7.1.1 Variáveis de processo

Um importante conceito é o das variáveis de processo: variáveis controladas, variáveis manipuladas e variáveis de operação ou “set-point”:

Variáveis controladas - Respondem pelas condições de operação do processo e devem sem mantidas em determinados níveis para o seu correto funcionamento. Por exem- plo: nível da água da caldeira e pressão do vapor.

Variáveis manipuladas - Atuam nas condições de operação do processo. Por exemplo: vazão de água de alimentação, que pode ser manipulada ligando ou desligando a bomba centrifuga.

Variáveis de operação ou “set-point” - Determinam as condições que o processo deve operar.

7.1.2 Sistema de medição

Um instrumento de medição, normalmente, é composto por sensor, transdutor e trans- missor. Os sensores, posicionados diretamente nos equipamentos que realizam o proces- so, captam as alterações nas grandezas físicas relacionadas à medida a ser efetuada, rea- lizam a transdução e transmitem as informações, na forma de sinais (elétricos, pneumáti- cos, etc.) para o sistema de controle. Os instrumentos indicadores não transmitem sinais para o sistema de controle e são utilizados somente para leitura visual.

7 Medição e Controle

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7.1.3 Controle automático

A função principal de um controle automático é receber sinais enviados pelos instru- mentos (níveis das variáveis controladas), comparar com os valores de “set-point”, compu- tar (executar algoritmo de controle) e enviar sinais de correção para os atuadores (variá- veis manipuladas), corrigindo o processo para responder às perturbações sofridas. Assim, o controlador, ou regulador, automático realiza o fechamento das malhas de controle de uma variável controlada.

7.2 Sistemas de medição

7.2.1 Medição de nível

O nível de água em uma caldeira é um dos principais parâmetros que garante o seu correto funcionamento. Se as superfícies metálicas expostas ao contato dos gases quen- tes estiverem banhadas pela água, nenhum dano ocorre ao equipamento, mas se o nível ultrapassar o limite mínimo ao estabelecido, criam-se condições de ruptura das paredes metálicas ou, mesmo, de explosões, devido o superaquecimento da placa metálica, com- prometendo a segurança da unidade.

Indicador de nível

É comumente usado em caldeiras para indicar o nível entre a água e o vapor. Compõ- em-se de um tubo de vidro, com seus extremos conectados a blocos metálicos e ligados ao tanque, geralmente mediante três válvulas, duas de bloqueio e uma de purga. Utiliza- se nesse instrumento o princípio dos vasos comunicantes.

Visores tubulares. São dispositivos robustos próprios para pressão e temperatura. São comumente usado em caldeiras para indicar o nível entre a água e o vapor. Uma blin- dagem especial de vidro, com tela ou proteção de plástico, pode evitar danos e lesões causados pela eventual quebram do vidro, mostrado na Figura 7.1.

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Figura 7.1 - Visor tubular

Visores “reflex”. São usados em reservatórios a alta pressão e alta temperatura. Devem poder ser lidos a distância (Fig. 7.2). Possuem faces com ranhuras, cortadas em ângulo na superfície interna do vidro, que permitem que a luz passe através da parte coberta com o líquido e seja refletida por trás, na parte com vapor ou gás. A cor branca distin- ta representa o vapor; a preta, o líquido. Por isso, o visor de reflexão não pode ser utili- zado para detectar níveis de interfaces. A cor do fluído não pode ser vista.

Figura 7.2. Visor de nível tipo reflex

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■ Visores transparentes: Revelam a cor ou a transparência do líquido e permitem visua- lizar interfaces (Fig. 7.3). O vidro na parte dianteira ou traseira da câmara permite uma visão nítida através dela. Um iluminador de plástico, com uma luz no centro, é monta- do em toda a parte posterior do visor, difundido à luz por todo o seu comprimento. Para serviço com vapor e a alta pressão, acima de 15 kgf/cm2, pode-se manter uma blindagem de mica entre a câmara e o vidro, para evitar a erosão do vidro pelo vapor da água.

Sensores de nível

Os sensores são capazes de captar as variações de uma grandeza física e de produzir um sinal elétrico correspondente à variação da grandeza, além de transmitir este sinal para um regulador ou um sistema de controle automático.

Sensor de nível com eletrodos. Aproveita a condutividade elétrica da água mediante três eletrodos de aço inoxidável e de tamanhos diferentes, correspondendo cada ta- manho a um nível de água: o central, o máximo e o mínimo. Este dispositivo é monta- do na parte superior do tambor de vapor, e os eletrodos estão ligados a um relé de ní- vel de água, que envia sinais do nível da água para o regulador automático, ou sistema de controle, que comanda a bomba de alimentação de água. A bomba entrará em fun- cionamento quando a água atingir a ponta de eletrodo central e deverá parar quando a água atingir o eletrodo de nível máximo (o menor eletrodo). Se o nível da água atin- gir a ponta do eletrodo maior, o relé, em alguns sistemas, poderá fazer funcionar um alarme, que dará ao operador a indicação do defeito (Fig. 7.).

Figura 7.3 - Sensor de nível com eletrodos

E - Eletrodo

VVN-1 - Válvula do visor de nível superior

VDN - Válvula do dreno de nível

VVN-2 - Válvula do visor de nível inferior

VDRN - Válvula de dreno reguladora de nível

TP-1 - Torneiras de prova 1

CN - Coluna de nível

TP-2 - Torneiras de prova 2

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Sensor de nível com bóia. Pode ser construído de várias formas, mas os principais cons- tam de uma garrafa ligada ao tambor de vapor e uma bóia, que flutua no seu interior. Qualquer flutuação do nível interna é transmitida a esta bóia, presa na parte superior por uma haste (3) (Fig. 7.4).

Figura 7.4 - Sensor de nível com bóia usando chaves de mercúrio (Pera, 1990)

7.2.2 Medição de pressão

O conhecimento das pressões em uma caldeira é obrigatório, não só sob o ponto de vista de segurança como também para uma operação econômica e segura. Cada caldei- ra tem uma capacidade de pressão determinada, que, por norma deve ter um instrumen- to de indicação extremamente visível, com escala também extremamente visível, e situ- ar-se em local de fácil observação do operador. A pressão máxima de funcionamento da caldeira deverá estar sempre marcada sobre a escala do manômetro, com um traço feito à tinta vermelha, para servir de alerta ao operador para controle da pressão.

■ Medidores de pressão

O mais utilizado dos medidores de pressão é o manômetro de Bourdon. A Figura 7.5 mostra suas partes internas, de forma esquemática, cujo funcionamento baseia-se na tendência de flexão, que atua sobre um tubo de bronze curvado, de seção elíptica, quan-

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do é aplicada em seu interior uma pressão superior à atmosfera. Geralmente, o tubo se curva em arco de circunferência. Ao atuar a pressão no interior do tubo, sua extremidade livre descreve um pequeno movimento, que é ampliado mediante um sistema de alavan- cas que atuam sobre o setor dentado, fazendo girar a agulha indicadora.

Figura 7.5 - Partes internas de um manômetro de Bourdon

Existem vários tipos de manômetros: manômetro tubular, manômetro com líquido amortecedor (glicerina ou silicone) e manômetro diferencial, além de outros tipos, que são abordados em bibliografias de instrumentação e controle, não constituindo objetivo principal do presente material. Os manômetros, de um modo geral, indicam a pressão re- lativa (também denominada pressão manométrica), e não a “pressão absoluta”, pois tem que somar à pressão indicada no manômetro a pressão atmosférica local. Assim: pressão absoluta = pressão manométrica + pressão atmosférica.

A escala de um manômetro pode ser graduada em quilograma-força por centímetro quadrado kgf/cm2, em atmosferas atm, em libras-força por polegada quadrada lbf/pol2 ou psi, ou em qualquer outra unidade de pressão.

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■ Sensores de pressão

Com a evolução da instrumentação digital, existem hoje transdutores de pressão ex- tremamente confiáveis e de tamanho reduzido, indicados para caldeiras nas quais o con- trole é item importante de segurança, como em caldeiras críticas e caldeiras de alta va- zão de vapor. Entre os demais tipos de medidores, tem-se o transdutor de pressão e o com base em cristal piezo-elétrico, mais comum. Esse instrumento utiliza um cristal de quartzo, ao qual, quando aplicada pressão, apresenta variação de propriedades elétricas proporcionais às tensões (conseqüência das pressões) a que foi submetido. Assim, o va- lor da pressão exercida sobre o cristal gera uma corrente elétrica, que pode ser indicada em escalas apropriadas ou transmitida para o sistema de controle.

7.2.3 Medição de temperatura

■ Sensores de temperatura

Os termopares são pares de fios metálicos de naturezas diferentes, unidos pelas extre- midades. São usados para medições de temperaturas e baseiam-se nas propriedades ter- moelétricas dos metais. Uma montagem esquemática é mostrada na Figura 7.6.

Figura 7.6 - Termopar

Os principais termopares industriais são dos tipos:

• J - ferro e constantan; • K - chromel e alumel; • T - cobre e constantan; e • S - platina e platina ródio.

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Nas faixas em que os termopares não atuam eficazmente utilizam-se os bulbos de re- sistências ou termo-resistência, que são sensores elétricos de temperatura mais precisos. Os termo-resistores se dividem em dois grupos principais:

• termo-resistores metálicos; e • termistores.

7.2.4 Medição de vazão

Existem diversos tipos de dispositivos para medição de vazão. A Tabela 7.1 mostra uma comparação entre alguns dos mais utilizados.

T A B E L A 7 . 1 - C O M P A R A Ç Ã O D E M E D I D O R E S D E V A Z Ã O

TIPO DE MEDIDOR

CARACTERÍSTICA ROTÂMETRO PRESSÃO TURBINA MAGNÉTICO ULTRA-SÔNICO

DIFERENCIAL

Fluidos líquidos líquidos líquidos líquidos líquidos e gases e gases e gases

Precisão ± 2% ± 1% ± 0,5% ± 0,5% ± 3%(externo) ± 1%(interno)

Escala linear ou quadrática linear linear linear logarítmica

Só indicação sim sim não não não (sem energia auxiliar)

Custo baixo médio médio alto Baixo (externo) a alto alto (interno)

(continua)

E F I C I Ê N C I A E N E R G É T I C A N O U S O D E V A P O R100

TIPO DE MEDIDOR

CARACTERÍSTICA ROTÂMETRO PRESSÃO TURBINA MAGNÉTICO ULTRA-SÔNICO

DIFERENCIAL

Observações • difícil • é o medidor • não • insensível • sem perda transmissão mais usado recomendado a viscosidade de carga

• em geral e conhecido para fluidos • sem perda • bom para

frágil • range abrasivos de carga líquidos

limitado e viscosos • bom para viscosos e

• indicado líquidos corrosivos

para medição viscosos e

de faturamento corrosivos

• calibração

periódica

Um exemplo de sensor para medição de vazão é mostrado em detalhes na Figura 7.7.

Figura 7.7 - Medidor de vazão tipo turbina

7.3 Sistemas de controle

Os principais controles de um gerador de vapor são:

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