projecto Gerador de vapor, Pesquisas de Cálculo. Universidade Eduardo Mondlane (UEM)
alfiado-houana
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projecto Gerador de vapor, Pesquisas de Cálculo. Universidade Eduardo Mondlane (UEM)

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definicao ,Princípio de Funcionamento de Um gerador de Vapor
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1

1. INTRODUÇÃO

1.1. Preliminares

A metodologia que é agora apresentada resulta da compilação das

metodologias oferecidas nas obras listadas nas referências

............................................................................................................................

Um gerador de vapor é um conjunto de superfícies de aquecimento

concebidas para a produção de vapor com o propósito de gerar potência

(electricidade), para uso em processos industriais, e para o aquecimento

(edifícios). Quando a finalidade é o aquecimento e abastecimento de água

quente a processos geralmente denomina-se caldeira. O gerador de vapor

como a caldeira tem o mesmo princípio de funcionamento, sendo

ligeiramente menos trabalhosa a projecção duma caldeira.

Neste manual é apresentada a metodologia dos cálculos projectivos e

testadores dos geradores de vapor industriais.

1.2 Princípio de Funcionamento de Um gerador de Vapor

Uma caldeira ou gerador de vapor é constituído por duas partes principais: A

fornalha onde a queima do combustível tem lugar e um sistema de circulação

da água e do vapor através do qual se procede ao abastecimento da água

que é convertida em vapor através da absorção do calor produzido pela

combustão de um combustível sólido, líquido ou gasoso.

Para a combustão do carvão pulverizado, combustível líquido ou gasoso

usam-se queimadores, enquanto que para a queima do carvão sólido são

usadas grelhas. Uma caldeira é também provida de um sistema de circulação

de gases que fornece o ar necessário para alimentar a combustão e permite

a retirada dos produtos de combustão.

Nos geradores de vapor industriais para aumentar a eficiência aproveita-se o

calor dos gases de escape para pré-aquecer a água de alimentação em um

economizador. À saída do economizador os gases de escape dirigem-se ao

pré-aquecedor do ar que alimenta a combustão enquanto a água aquecida

2

encaminha-se via barrilete (tambor superior) às paredes de água situadas na

fornalha onde ocorre o aquecimento adicional até a saturação e evaporação.

Quando a finalidade do vapor é a geração de potência (Turbinas à Vapor)

deve-se prever a existência de super-aquecedores e reaquecedores.

Figura 1 Esquema geral de um gerador de vapor

.

1.3. Dados Iniciais

Para a execução dos cálculos térmicos dum gerador de vapor no âmbito do

projecto da disciplina de Projecto Geradores de Vapor Industriais como dados

iniciais tem-se, em geral, as seguintes grandezas:

• Capacidade de vapor, Gv [kg/h]

• Pressão do vapor vivo, pv [MPa]

• Temperatura da água de alimentação, taa [C]

• Tipo e composição do combustível

• Modo de queima do combustível e o tipo de fornalha

2. RECOMENDAÇÕES PARA A ESCOLHA DO SISTEMA DE QUEIMA E

DA FORNALHA

2.1. Recomendações gerais

O tipo de gerador de vapor, as particularidades da sua constituição e o seu

esquema térmico determina-se em função de vários factores, entre os quais

3

se destacam os parâmetros do vapor, a capacidade do gerador de vapor e as

características do combustível queimado.

Dependendo do tipo de combustível queimado e da capacidade do gerador

de vapor, pode-se usar qualquer dos seguintes modos de queima: em grelha,

com queimadores (injectores), com ciclones e em leitos fluidizados.

Na selecção do sistema de queima de um gerador de vapor deve-se procurar

o equilíbrio entre o investimento, as particularidades da operação, a eficiência

e o tipo de combustível de modo a se projectar uma instalação económica.

Em geral para geradores de vapor industriais com capacidade inferior a 65

toneladas/hora tendo como combustível carvão usa-se a queima em grelha;

os geradores de vapor industriais de grande porte tendo carvão como

combustível os queimadores com pulverização do combustível ou queima

com ciclones são mais económicos; quando a granometria do carvão é

pequena aconselha-se a queima em leito fluidizado; e para o combustível

líquido ou gasoso adopta-se o uso de injectores.

Considerando as pressões de serviço dos geradores de vapor podem ser

encontradas as situações seguintes:

 Para baixas pressões (pv ≤ 4,0MPa) quando o calor latente é elevado,

os geradores de vapor têm a superfície de vaporização muito

desenvolvida. Nas unidades multitambores as superfícies de

vaporização podem ser na forma de feixes tubulares; Nos geradores

de vapor de um só tambor e geradores de vapor com movimento

directo do fluido motor as fornalhas têm a forma de blindagem com

vaporização parcial no economizador convectivo. O super- aquecedor

constrói-se relativamente pequeno e, em regra de um só estágio.

 Para pressões relativamente altas, mas sub-críticas, na faixa de (10 -

14MPa), a superfície de vaporização é relativamente pequena.

 Nos geradores de vapor com circulação forçada ou circulação natural

múltipla, onde o espaço total da fornalha é ocupado pelas paredes de

água, devido ao excesso de blindagem, a função de aquecimento da

água é transferida do economizador às paredes de água. Como

4

resultado a água a saída do economizador pode ter a temperatura

inferior a de ebulição.

 À pressão super crítica (pv=25MPa), os geradores de vapor de

corrente directa do fluído motor em geral não têm superfícies de

vaporização. Aqui, trata-se apenas das superfícies dos

economizadores e das superfícies dos super aquecedores, divididas

entre si por uma zona, chamada de zona de máximo calor específico,

que convencionalmente fixa a transição do estado líquido ao estado de

vapor, do fluido motor.

 Para pressões elevadas os super-aquecedores desempenham um

papel importante e às superfícies de troca de calor por convecção

adicionam-se os estágios dos super aquecedores radiantes ou semi-

radiantes, instalados na fornalha. Outra particularidade dos geradores

de vapor com pressões críticas e super críticas é a presença de

reaquecedores de vapor, instalados geralmente depois dos super-

aquecedores ao longo do percurso dos gases da combustão.

Com o acréscimo da capacidade do vapor gerado, aumenta-se o volume e a

área da superfície da fornalha. Mas se o aumento do volume é proporcional a

capacidade do gerador de vapor V=f(G), o acréscimo da área da superfície

de aquecimento é proporcional a capacidade elevada a dois terços V=f(G2/3),

e como consequência, a partir de 300-400 t/h, as superfícies das paredes de

água na fornalha, já não são suficientes para a vaporização completa do

fluído motor e é preciso, então, instalar superfícies suplementares.

Todos estes factores têm de ser tomados em conta na escolha do tipo e

constituição do gerador de vapor bem como dos tipos das suas superfícies de

aquecimento.

A escolha do tipo da fornalha determina-se pela capacidade e construção do

gerador de vapor, pelas propriedades físico-químicas do combustível e das

suas cinzas.

 Para geradores de vapor de pequeno e médio porte aplicam-se

fornalhas axiais.

5

 As fornalhas para queima do combustível sólido em camadas são

usadas em unidades geradoras de vapor de capacidade inferior a

35t/h

o no caso da queima de carvão bruto ou carvão em pó com saída

de voláteis superior a 20% pela massa combustível e partículas

com tamanho de 0-6 mm inferior a 60%,

o no caso da queima de semi-antracite, turfa em pedaços, xistos,

resíduos de madeira e resíduos inflamáveis dos processos

tecnológicos (casca da castanha de cajú, de arroz, sementes de

algodão e outros).

 A aplicação de fornalhas de queima em grelhas não é recomendada

para o carvão fino de antracite, lignites com valor de humidade

reduzida superior a 10g/MWs, pois nestes casos é difícil organizar

uma combustão segura e eficaz.

 Para queima de carvão de pedra e lignites em unidades com

capacidade maior a 6,5 t/h, recomendam-se

o fornalhas de queima em grelhas de cadeia de percurso inverso

e alimentadores pneu-mecânicos,

o para queima de antracite usam-se fornalhas de grelhas de

cadeia de percurso directo.

 Quando G ≤ 6,5t/h se recomendam fornalhas com alimentadores

pneu-mecânicos e de grelha fixa.

 Para geradores de vapor com capacidade superior a 10 t/h com

queima de carvão de pedra e de lignites também podem ser usadas

fornalhas de queima em grelhas mas de cadeia de percurso directo e

pneu alimentadores de baixa pressão.

Na Tabela 1 e na Figura 2 são apresentados os tipos de fornalhas com

queima em camadas e são dadas algumas características, necessárias para

o cálculo da secção transversal e do volume da fornalha.

F

BQ q

t

i f = (1)

V

BQ q

t

i v = (2)

6

Aqui:

qf, qv são respectivamente a tensão térmica da área do espelho da

fornalha e a tensão térmica do volume da fornalha.

Tabela 1: Tipos de fornalhas de queima em camadas e suas características.

Tipo da fornalha

Tipo de combustí

vel

Coeficien te de

excesso do ar

αf

Perdas de calor Tensõestérmicas admissíveis

Fracção das

cinzas arrastada

s q3% q1% qf{kW/

m2} qv[kW/m3

] aarr

Lignite 1,6 2,0 6,0-8,0 800- 930

230-400 0,2

Carvão de pedra

1,5-1,6 2,0 5,0-7,0 930- 1050

230-400 0,15

Com grela fixa e alimentação manualmente

Antracito 1,6-1,7 1,0 8,0- 10,0

1050 230-400 0,15

lidnita 1,4-1,5 0,5- 1,0

4,0-7,0 930- 1200

230-350 0,1

Carvão de pedra

1,4-1,5 0,5- 1,0

4,0-7,0 930- 1200

230-350 0,1

Com grelha fixa e

alimentador pneumo- mecanico

(APM) Antracito 1,6-1,7 0,5-

1,0 10,0- 13,0

930- 1200

230-350 0,1

Lignita 1,3-1,4 3,0 4,0-5,5 1600 300-450 0,1-0,2 Com grelha de cadeia de percurso

directo e APM

Carvão de pedra

1,3-1,4 1,5 3,0-6,0 1200 300-450 0,1-0,2

lignita 1,3-1,4 0,5- 1,0

3,0-7,0 1400- 1700

300-450 0,1-0,2 Com grela de cadeia de percurso

inverso e APM Carvão

de pedra 1,3 - 1,4 0,5 -

1,0 3,0 - 8,0

1400- 1700

300-450 0,08-0,2

De Cuba com cadeia

Turfa 1,3 1,0 2,0 1700 - 2200

300-400

7

Figura 2:

As fornalhas de câmara para queima de combustíveis sólidos pulverizados

aplicam-se nos geradores de vapor a partir da capacidade de 25t/h. Nas

Tabela 2, 3 e 4 são apresentadas as características principais das fornalhas

de câmara em função do combustível queimado. A fracção de cinzas

arrastadas pelos gases de escape para os combustíveis da Tabela 2 admite-

se: aarr=0,95.

A eficácia do funcionamento do gerador de vapor depende essencialmente

da temperatura do ar aquecido que se dirige a fornalha e da temperatura dos

gases de escape. Os valores destas temperaturas são apresentados nas

Tabelas 5 e 6.

Tabela 2: Temperaturas recomendadas para os gases de escape. . Tipo de combustível Capacidade de vapor G,t/h <10 10-20 >20 Sólido com valor Wred<4 140-160 130-150 120-140 Sólido com valor 4≤Wred ≤ 12

150-170 140-160 130-150

Sólido com valor Wred >12

160-180 150-170 140-160

Mazute 160-180 140-160 130-150 Gás natural 150-170 130-150 120-140

Tabela 3: Temperaturas recomendadas para o aquecimento do ar dirigido à fornalha.

8

Tipo de fornalha e espécie de combustível

Capacidade de vapor G[t/h] < 10 10-20 > 20

Fornalhae camada Antracito Carvão de pedras lignites tufas

25-30 25-30 100-150 200-210

100-150 150-200 150-200 200-250

150-200 150-200 150-250 200-250

Fornalhas da câmara com extracção de escória no estado sólido: Antracito Carvão de pedras lignite Com Wred=4 Com Wred ≥12 Tura fresada

200-210

250-300

350-400 350-400 350-400 380-420

Fornalhas de câmara com extracção de escória no estado líquido

380-420

Fornalhas de mazute e de gás: Mazute, gás natural gás de alto forno

25-30 25-30

100-150 150-200

200-300 200-300

Tabela 4: Características das fornalhas de câmaras com extracção das cinzas no estado sólido Cobustível Coeficiente

de excesso do ar αf

Tensão térmica qv k/m 3

para capacidade t/h Perdas de calor %

q3 q4 para capacidade 25 35 50 75 25 35 50 75 Lignita 1,2 250 210 190 180 0 5 3 2-

3 1-5

Carvão de pedra

1,2 280 250 210 190 0,5 3 1,5- 2

1- 2

0,5

Antracito 1,2 180 170 150 140 0 7 7 6 6

9

Turfa fresada

1,2 260 210 190 190 0,5 3 1,5- 2

1- 2

0,5

Tabela 5: Características calculadas das fornalhas de câmaras com extracção da escoria no estado líquido Combustível Coeficiente

de excesso do ar, αf

Tensão t”ermica

admissível qv, kW/m3

Perdas de calor, % Fracção das cinzas arrastadas

aarr Q3 q4

Lignita 1,2 210 0,5 0,5 0,7-0,8 Carvão de

pedra 1,2 185 0,5 0,5 0,8

Carvão magro

1,2-1,25 185 0 1,5 0,8

Antracito 1,2-1,25 145 0 4,0 0,85 Tabela 6: Características calculadas das fornalhas de câmara para queima de gases e mazute.

Combustível Coeficiente de excesso de ar αf

Tensão térmico admissível qv,

kW/m3

Perdas de calor a custa combustão

incomplete química q3, %

Mazute 1,1-1,15 290 0,5 Gás natural e gás

de coque 1,1-1,15 350-460 0,5

Gás de alto forno 1,1-1,15 230 1,4

2.2. Características geométricas da fornalha

Uma das características geométricas da fornalha usada nos cálculos térmicos

é o seu volume. O volume da fornalha Vf determina-se como volume activo

cujas fronteiras para diferentes tipos da fornalha são indicadas na Figura 3.

10

Figura 3. Fronteiras do volume activo da fornalha

O volume da fornalha de modo geral é composto pelo volume das partes

superior, média e inferior da fornalha.

A parte superior da fornalha é limitada pelas superfícies de tecto e pela janela

de saída dos gases de combustão da fornalha onde fica o festão ou o

primeiro feixe de tubos da superfície de aquecimento convectiva. O volume

desta parte determina-se pelos planos que passam através das linhas axiais

da primeira fileira de tubos.

As fronteiras das partes médias são os planos que passam através dos eixos

de tubos das paredes de água, ou no caso de ausência das paredes de água,

as paredes da fornalha.

A parte inferior; Para fornalhas de câmara é limitada pela soleira ou um plano

que passa através da metade do funil frio e para as fornalhas de camada a

11

fronteira do volume activo passa através da camada de combustível que está

na grelha.

A espessura média da camada de combustível admite-se para carvão de

pedra 150-200mm, para as lignitas 300mm para as lenhas em pedaços

500mm. A superfície total das paredes da fornalha calcula-se pelo tamanho

dos planos, que limitam o seu volume.

Nos cálculos testadores da fornalha usam-se também as seguintes

características geométricas da fornalha:

• área activa das paredes da fornalha;

• área da superfície de radiação (convencional);

• diâmetros dos tubos das paredes de água e diâmetros dos tubos

das superfícies convectivas que são os primeiros no percurso dos

gases de combustão;

• passo dos tubos na direcção axial e longitudinal;

• distância da parede de água até paredes de fornalha.

Nos cálculos dos geradores de vapor modernos a forma da fornalha admite-

se como um prisma rectangular com volume calculado baseando no valor da

tensão térmica.

v

t

i f

q

BQ V = (3)

Os valores recomendados de qv para as fornalhas de câmara são

apresentados na Tabela 4.

A altura da câmara da fornalha determina-se da condição que permite

garantir um comprimento adequado da chama.

O comprimento da chama depende da espécie do combustível, da

capacidade de vapor do gerador de vapor e para a porta maior dos geradores

de vapor recomenda-se 14m para queima de lignitas e carvão de pedra e não

menor que 16m para queima de antracite de fino.

Para geradores de vapor com porta pequena a altura da fornalha pode ser de

12-8 m ou menos.

12

A largura e a profundidade da fornalha dependem da capacidade de vapor do

gerador de vapor e modo de colocação dos queimadores. Quando a

instalação dos queimadores é na parede frontal a profundidade da fornalha

tem de ser maior que os valores apresentados na Tabela 7.

Tabela 7: Profundidade recomendada da fornalha da queima de carvão

pulverizado

Capacidade de vapor do

gerador de vapor G[t/h]

12 20 75 120 230 420

Profundidade (não menor

que) [m]

4,0 4,5 5,5 6,0 7,0 8,0

Para as fornalhas com extracção das cinzas no estado sólido o ângulo de

inclinação dos tubos do funil na horizontal tem de ser de 55o ou mais para

assegurar o escorregamento da escória sob acção das forças de gravidade.

O tamanho característico da fornalha também se determina pelas áreas das

superfícies de aquecimento por radiação cujo valor determina as

temperaturas dos gases de combustão na saída da fornalha.

No projecto os tamanhos principais determinam-se do protótipo com a

verificação da correspondência das condições óptimas recomendadas na

base da experiência e da exploração.

13

3. CARACTERÍSTICAS CALCULADAS E BALANÇO TÉRMICO DO

GERADOR DE VAPOR

Além da sua capacidade Gv [kg/s] e dos parâmetros de vapor gerado (vapor

vivo) pv[MPa] e tv[ºC] determinam-se também os parâmetros do circuito de

vapor de água a saber:

Pressão do tambor:

saqvt ppp ∆+= (4)

Pressão da água de alimentação:

econtaa ppp ∆+= (5)

Aqui ∆psaq, ∆pecon são respectivamente as resistências hidráulicas do super-

aquecedor e do economizador.

3.1 Cálculo das características da via de água e vapor

O fluxo da água, do vapor ou da mistura água-vapor no gerador de vapor

chama-se circulação. Assim, existem geradores de vapor de circulação

natural, de circulação forçada ou controlada e de corrente directa (uma

passagem). Um parâmetro muito importante para o circuito água-vapor é a

taxa de circulação que é dada por:

v

aa

W

W K = (6)

Onde: Waa e Wv são o peso da água de alimentação e o peso do vapor

gerado respectivamente.

Os valores típicos de K são apresentados a tabela que segue.

Tabela 8.15 Livro

TAB 8

Para geradores de vapor de circulação forçada K =3-10, enquanto que para

os de corrente directa é K=1.

3.1.1 Circuito água-vapor para gerador de vapor de circulação natural

14

Figura 8.39 do livro

FIG 4

3.1.2 Circuito água-vapor para gerador de vapor de circulação forçada

Figura 8.43 do livro

FIG 5

3.1.3 Circuito água-vapor para gerador de vapor de circulação directa

Este sistema enquadra-se na circulação forçada e o vapor gerado é

numericamente igual a quantidade da água de alimentação pois a taxa da

circulação é K=1 VER CAP 7

Quando é possível evitar os cálculos hidráulicos complexos do circuito vapor-

água pode-se recorrer ao cálculo aproximado. Admite-se:

( ) vsaq pp 1,008,0 −=∆ quando MPapv 14≤

( ) vsaq pp 15,012,0 −=∆ quando MPapv 14≥

e

tecon pp 05,0=∆ quando MPapv 14≤

tecon pp 05,0=∆ quando MPapv 14≥

para geradores de vapor de circulação directa do fluído motor a pressão da

água de alimentação acha-se como:

avvaa ppp −∆+= (7)

Onde: ∆pv-a, resistência do circuito vapor-água que pode ser admitida como:

( ) vav pp 25,02,0 −=∆ − (8)

Quando no esquema térmico principal do gerador de vapor se prevê a

presença de um temperador, que serve para controlar a temperatura final do

vapor têm de ser admitidos também os parâmetros da água líquida injectada.

15

Usando a tabela das propriedades de água e do vapor de água para as

pressões e temperaturas referidas determinam-se:

• a temperatura do fluído motor no tambor;

• a entalpia da água saturada no tambor;

• a entalpia do vapor saturado no tambor;

• a entalpia da água de alimentação;

• a entalpia de vapor super aquecido.

Recomenda-se compor um esquema principal do gerador de vapor

projectado com a apresentação do circuito de vapor-água e superfícies de

aquecimento, onde se assinalam os parâmetros de referência do fluído motor

e do fluxo gasoso a medida em que eles vão sendo calculados.

FIGURA 8.1 do livro

FIG 6

3.2 Características técnicas do combustível

Geralmente as soluções construtivas da fornalha e do gerador do vapor têm a

ver com as propriedades do combustível queimado.

Os combustíveis líquidos e gasosos podem ser queimados praticamente em

todas as fornalhas, usando queimadores adequados. Nestes casos admitem-

se tensões térmicas mais elevadas que as admitidas para queima de

combustível sólido o que permite obter pequenos volumes. A poluição mais

elevada no caso de queima de mazute requer alguns modos especiais de

limpeza das superfícies de aquecimento. Com o aumento da humidade do

combustível, reduz-se o nível das temperaturas da fornalha e, como

consequência, parte do calor transmitido ao fluído motor pelos gases de

combustão por radiação decresce entretanto o calor transmitido por

convecção aumenta. Além disso a queima do combustível húmido requer

elevadas temperaturas de aquecimento do ar de combustão mais de 350-

400ºC que só é possível usando aquecedores do ar de dois estágios. Os

produtos da combustão de combustível húmido têm a temperatura superior a

do ponto do orvalho e a construção do gerador de vapor tem de prever

modos de protecção dos tubos contra a corrosão a temperaturas baixas. As

16

cinzas arrastadas poluem as superfícies de aquecimento e o meio ambiente.

A captação das cinzas requer a construção de precipitadores que possuem

grandes volumes e são muito caros. A temperatura do início da deformação

das cinzas para a maioria dos combustíveis sólidos determina o nível da

temperatura dos gases a saída da fornalha.

Sabendo, dos dados iniciais, a composição do combustível determina-se:

 para os combustíveis sólidos e líquidos:

• O poder calorífico pela massa de trabalho

• A temperatura de início da deformação das cinzas

• O valor reduzido da humidade

• O valor reduzido das cinzas

• O valor reduzido do enxofre

 para os combustíveis gasosos:

• O poder calorífico inferior pela massa seca

• A densidade dos gases de combustão a condições normais

3.3 Escolha das temperaturas do circuito dos gases e do ar

A eficácia do funcionamento do gerador de vapor depende essencialmente

da temperatura dos gases de escape e da temperatura do ar introduzido na

fornalha.

A temperatura dos gases de escape depende do combustível queimado e da

capacidade de vapor e recomenda-se na faixa dos valores apresentados na

Tabela 3.

Daqui segue que a queima do combustível húmido e com alta percentagem

de enxofre requer altas temperaturas dos gases de escape para evitar

corrosão das superfícies de aquecimento a temperaturas baixas. Na Tabela 2

o valor wred é a humidade reduzida do combustível que determina-se como:

t

i

t red

Q

W W

10 = [g/MWs] (9)

17

A temperatura do ar na fornalha é escolhida com base nos dados da Tabela

3.

Deve-se notar que a construção do aquecedor do ar de um estágio não pode

assegurar temperaturas de aquecimento do ar maiores que 260-300ºC

A temperatura do ar ambiente na entrada do aquecedor do ar admite-se 25-

35ºC, quando não há pré aquecimento do ar fora da fornalha.

3.4. Escolha do coeficiente de excesso do ar e valores do ar infiltrado nos gasodutos

Para determinar os volumes reais dos produtos de combustão nos elementos

do gerador de vapor, é preciso conhecer os valores de excesso do ar nos

gasodutos.

O coeficiente de excesso do ar na entrada da fornalha escolhe-se das Tabela

4, 5 e 6. O excesso de ar ao longo da passagem dos gases de combustão

nos gasodutos do gerador de vapor aumenta-se devido as infiltrações do ar

do ambiente através das fendas do revestimento, janelas, portinholas

existentes na construção. O valor da infiltração do ar nos elementos do

gerador de vapor avalia-se com base nos dados da Tabela 9.

Tabela 9: Excesso do ar na fornalha e nos gasodutos do gerador de vapor. Elementos da conduta Valor de infiltração do ar ∆α Fornalhas: De camadas com alimentação manualmente De camadas com alimentadores mecânicas e semi mecânicas De Câmaras com p’o de carvão pulvirizado De câmaras com queimadores de gás e de mazute Gasodutos Da primeira feixe tubular Da segunda feixe tubular Superaquecedor Economizador do aço de só um estágio Economizador de aço de dois estágios (para

0,3 0,1 0,007 0,05 0,05 0,1 0,05 0,08 0,04 0,1 0,06

18

cada estágio) Economizador de ferro fundido Aquecedor do ar de só um estágio Aquecedor do ar de dois estágios (para cada estágio) Aquecedor de ar das placas Aquecedor regenerativo para Caldeiras de G > 50 t/h Caldeiras de G ≤ 50 t/h Aquecedor do ar de ferro fundido de tubos com alhetes Precipitador Gasodutos de aquecedor do ar até aspirador do fumo: De aço para cada 10m de comprimento De tijolos para cada 10m de comprimento

0,03 0,1 0,2 0,25 0,1 0,05 0,01 0,05

O valor do coeficiente de excesso de ar a saída da secção considerada do

gasoduto do gerador de vapor se determina somando o coeficiente de

excesso do ar na fornalha e os valores de infiltração do ar nos gasodutos

colocados entre a fornalha e a secção considerada.

∑∆+= iFi ααα (10)

O valor do coeficiente de excesso de ar médio para uma determinada

superfície de aquecimento é a média aritmética entre a entrada e a saída:

2

21 ii m

αα α

− = (11)

no esquema principal do gerador de vapor projectado com apresentação das

superfícies de aquecimento principais, parâmetros dos fluxos indicam-se

também os valores de infiltração escolhidos.

19

3.5 Cálculos do volume de ar e dos volumes dos produtos de combustão

Para o cálculo da quantidade dos produtos de combustão considera-se

combustão completa, desprezando assim as perdas q3 devido à combustão

química incompleta. Estas perdas, apresentadas nas Tabelas 1, 4 e 5,

praticamente não influem na exactidão dos cálculos da quantidade dos

produtos de combustão. A influência da combustão mecânica incompleta é

considerada em todos os cálculos dos volumes de gases de combustão, do

volume do ar e das quantidades de calor nos gasodutos pela introdução nos

cálculos do consumo calculado de combustível que é:

( )410001,0 qBBcal −= (12)

Onde: B – é o consumo de combustível total em [kg/h] ou [m3/h]

q2 – é o valor das perdas devido a combustão mecânica incompleta,

seleccionado das Tabela 1, 4 e 5.

O cálculo do sistema de tratamento de combustível e dos queimadores é feito

aplicando o valor de combustível total. Os volumes do ar e dos produtos de

combustão assim como das respectivas entalpias calculam-se para 1 kg do

combustível sólido e líquido ou 1m3 de combustível gasoso. A composição do

combustível sólido e líquido é expresso em percentagem mássica, e para o

combustível gasoso em percentagem volumétrica. A quantidade total dos

produtos de combustão determina-se como soma das quantidades parciais

dos gases, obtidos durante a queima de 1kg ou 1m3 de combustível.

A quantidade do ar seco teórico necessário para a combustão completa (com

α=1) será:

Para 1 kg do combustível líquido ou sólido: sss

v

s

ar O, H, ) S, (C, V 03330260375008890 0 ++= (13)

Para 1m3 do combustível gasoso:

4

51505004760 222 0

 

  

 −

  

 ++++= ∑ OHC

n mS H, H, CO ,, V nmar (14)

Os valores teóricos dos produtos de combustão para queima completa de

1kg de combustível sólido ou líquido com α=1 determinam-se das expressões

seguintes:

Volume teórico de nitrogénio:

20

t

ar

o

N NV,V 2 0 008,0790

2 += (15)

Volume dos gases triatómicos:

10037508671 2

)/S,(C, V t

v

t

RO += (16)

Volume teórico do vapor da água:

V,W,H,V ar tt

OH

00 016100124011160 2

++= (17)

E para 1m3 do combustível gasoso respectivamente:

2

00 010790 2

N,V,V arN += (18)

( )[ ]nmRO HCm S H CO CO, V ∑+++= 220102 (19)

0

22

0 0161,00124,0 2

010 2

VdHC n

HS H,V combnmOH + 

  

 +

  

 ++= ∑ (20)

Aqui dcomb – é a humidade do combustível gasoso que pode ser admitido

10 g por 1 kg de ar seco.

Na realidade as quantidades dos produtos de combustão, excepto dos

volumes de gases triatómicos secos variam com a alteração do coeficiente de

excesso do ar α nos gasodutos do gerador de vapor.

Para α > 1 os cálculos realizam-se usando as seguintes expressões:

 Para volume de vapor da água:

( ) 00 101610 22 arOHOH

V , V V −+= α (21)

 Para os gases biatómicos:

( ) 00 1 22 arNR

V V V −+= α (22)

O volume total dos gases de combustão será:

OHRROg VV V V 222 ++= (23)

21

As fracções volumétricas dos gases triatómicos e do vapor de água calculam-

se das expressões:

g

RO RO V

V r 2

2 = (24)

g

H OH V

V r 2

2 = (25)

OHROg rrr 22 += (26)

A queima do combustível sólido gera a presença de cinzas arrastadas, cuja

concentração nos gases de escape é:

g

t

arr cinz V

A10 =µ [g/m3] (27)

aqui aarr – é a fracção das cinzas arrastadas pelos gases.

Os resultados dos cálculos para determinação dos volumes do ar e dos

produtos de combustão são agrupados na Tabela 10.

O valor de µ que é uma característica do estado poeirento toma-se em

consideração quando:

6238 ≥ 

  

arrt

i

t a

Q A (28)

Aqui Qri mede-se em [kJ/kg]

aarr determina-se do balanço das cinzas ou usam-se valores

normalizados.

Tabela 10: Cálculo dos produtos de combustão

No Grandeza calculada Fornalha

Festão

Superfícies de aquecimento por convecção

22

Super

aqueced

or

Economizador

do 2oEstágio

Aquecedor

do 2o

estágio

Economizador

do 1oEstágio

Aquecedor

do 1o

estágio

1 O coeficiente de

excesso do ar no

gasoduto

∆αinf

αsaid

αmed

2 Volume dos gases

triatómicos secos VRo2 m 3/m3

3 Volume dos gases

biatómicos VR2 =V o N2 + (α-

1)Voar, m 3/m3(m3/kg)

4 Volume do vapor de água

VH2O=V o N2+0,0161(α-1)V

o ar,

m3/m3(m3/kg)

5 Volume dos gases de

combustão

Vg=VRO2+VR2+VH2O,

m3/m3(m3/kg)

6 Fracção volúmica dos gases

triatómicos secos

γRO2=VRO2/Vg

7 Fracção volúmica do vapor

γH2O=VH2O/Vg

8 Concentração das cinzas

nos gases de combustão

µcz=10A rα

arr/Vg

9 Fracção somatória

γs=γRO2+γH2O

10 Fracção reduzida das cinzas

arrastadas

10Arαarr/Q z L[g/MWs]

3.6. Entalpia do ar e dos produtos de combustão

A entalpia do volume teórico do ar Ioar e dos gases de combustão calcula-se

usando as expressões:

23

ararar (ct) V I 00 = (29)

OHOHNNROROg (ct)V(ct)V(ct) VI 222222 000 ++= (30)

Onde (ct)ar, (ct)RO2, (ct)N2, (ct)H2O são respectivamente as entalpias

específicas do ar, dos gases triatómicos, do nitrogénios e do vapor de água.

A entalpia específica dos gases triatómicos secos assume-se que é igual a

do dióxido de carbono. Os valores das entalpias específicas dos gases

referidos acima em função das temperaturas são apresentados na Tabela A1

do anexo

Os resultados dos cálculos das entalpias dos gases de combustão convêm

apresentá-los em forma de tabela.

Tabela 11: Valores das entalpias como função da temperatura

θ oC Ioar=V

o(Cθ)ar

kj/kg

IRO2=VRO2(Cθ)Co2

kj/kg

IoN2=V o N2(Cθ)N2

kj/kg

IoH2O=V o H2O(Cθ)H2O

kj/kg

Iog=IRO2+I o N2+I

o H2O

kj/kg

100 …

2200

Quando o valor reduzido das cinzas extraídas da fornalha na queima de

combustível sólido for igual a 10Arαarr/Qri>4 [g/MWs] deve ser considerado no

cálculo da entalpia dos produtos de combustão.

( )cinzarr t

cinz ctaA, I 010= (31)

A entalpia dos produtos de combustão Ipc calcula-se para as diferentes

secções dos gasodutos do gerador de vapor para os correspondentes valores

do excesso do ar e temperaturas.

( ) cinzargpc II II +−+= 00 1α (32)

Os resultados dos cálculos das entalpias apresentam-se na Tabela 11 para

as temperaturas esperadas nas diferentes partes das condutas de gás do

gerador de vapor. O número de colunas da Tabela 12 tem de corresponder

ao número das superfícies de aquecimento do esquema do gerador de vapor

projectado.

As faixas das temperaturas recomendadas são:

24

• para fornalha 2200-800oC;

• para parte da conduta de gás com super-aquecedor 1400-

500oC;

• para parte da conduta de gás com economizador 800-200oC;

• para parte da conduta de gás com aquecedor do ar 400-100oC.

Tabela 12: Entalpia dos produtos de combustão nos gasodutos da

unidade geradora de vapor.

T, oC Ioar

kj/kg

Iog

kj/kg

I cnz

kj/kg

Coeficientes do excesso do ar nos segmentos de gasodutos

αf αI αz-1 αsaid

I kj/kg ∆I kj/kg I kj/kg ∆I kj/kg I kj/kg ∆I kj/kg I kj/kg ∆Ikj/kg

100 -----

200 ----- ----- -----

300 ----- ----- ----- -----

400 ----- ----- ----- -----

500 ----- ----- -----

600 ----- ----- ----- -----

700 ------ ----- ----- -----

800 ----- ----- ----- ----- -----

900 ----- ----- ----- -----

1000 ----- ----- ----- -----

1100 ----- ----- ----- -----

1200 ----- ----- ----- -----

1400 ----- ----- ----- -----

1600 ----- -----

1800 ----- -----

2000 ----- -----

2200 ----- -----

Com base nos dados da Tabela 12 constroe-se o gráfico Ipc = f(θ) (Fig.6) para

cada secção da conduta de gás o que é útil para consultar as entalpias dos

produtos de combustão e as respectivas temperaturas durante o processo

cálculo.

25

Figura 6. I-t diagrama dos produtos de combustão.

3.7 Balanço térmico do gerador de vapor

O balanço térmico do gerador de vapor estabelece a igualdade entre o calor

disponível Qdisp e a soma do calor útil Q1 e das perdas Q2, Q3, Q4, Q5, e Q6.

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