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 - [email protected]

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 - [email protected]

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 – [email protected]

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).

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 13

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)

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