apostila -ger vapor-valdir bizzo

EM 722 - Gerao, Distribuio e Utilizao de Vapor Prof Waldir A. Bizzo

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cap. 4 - GERADORES DE VAPOR

1 - Introduo

Vapor de gua usado como meio de gerao, transporte e utilizao de energia desde os primrdios do desenvolvimento industrial. Inmeras razes colaboraram para a gerao de energia atravs do vapor. A gua o composto mais abundante da Terra e portanto de fcil obteno e baixo custo. Na forma de vapor tem alto contedo de energia por unidade de massa e volume. As relaes temperatura e presso de saturao permitem utilizao como fonte de calor a temperaturas mdias e de larga utilizao industrial com presses de trabalho perfeitamente tolerveis pela tecnologia disponvel, j h muito tempo. Grande parte da gerao de energia eltrica do hemisfrio norte utiliza vapor de gua como fludo de trabalho em ciclos termodinmicos, transformando a energia qumica de combustveis fsseis ou nucleares em energia mecnica, e em seguida, energia eltrica. Toda indstria de processo qumico tem vapor como principal fonte de aquecimento: reatores qumicos, trocadores de calor, evaporadores, secadores e inmeros processos e equipamentos trmicos. Mesmo outros setores industriais, como metalrgico, metal-mecnico, eletrnica, etc., podem-se utilizar de vapor como fonte de aquecimentos de diversos processos. Vapor saturado tem a grande vantagem de manter temperatura constante durante a condensao a presso constante. A presso de condensao do vapor saturado controla indiretamente a temperatura dos processos. O controle de presso, por ser um controle mecnico de ao direta conseguido muito mais fcilmente que o controle direto de temperatura. A faixa de temperaturas at 170 C utiliza vapor saturado at 10 kgf/cm2 , cuja temperatura de saturao 183 C. Nesta faixa est a grande maioria de pequenos e mdios consumidores de vapor. Maiores temperaturas so possveis a custa do aumento da presso de saturao, o que implica num maior custo de investimento devido a necessidade de aumento da resistncia mecnica e requisitos de fabricao e inspeo do gerador de vapor. O limite da temperatura de vapor saturado o ponto crtico, a 374 C e 218 atmosferas. No vantajoso utilizar-se vapor superaquecido para processos de aquecimento a temperaturas mais altas, j que perderamos a facilidade de controle de temperatura e diminuiramos drasticamente a disponibilidade de energia por unidade de massa ou volume de vapor. Vapor superaquecido utilizado e produzido para gerao de energia eltrica ou mecnica em ciclos termodinmicos, e neste caso a limitao de temperaturas de trabalho fica por conta dos materiais de construo empregados. Em utilizao industrial, poderamos arbitrar uma classificao de geradores de vapor em relao a presso de trabalho: - baixa presso: at 10 kgf/cm2 - mdia presso: de 11 a 40 kgf/cm2 - alta presso: maior que 40 kgf/cm2

Repetindo que esta classificao arbitrria, porm representativa da faixa de utilizao de vapor na indstria. Grandes caldeiras, as quais so utilizadas tanto para gerao prpria de energia eltrica quanto para processos de aquecimento, esto limitadas a presses da ordem de 100 kgf/cm2 . Existem caldeiras de maiores presses, mas utilizadas


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somente em grandes centrais termoeltricas ou grandes complexos industriais, representando um nmero muito reduzido de unidades, em comparao com as milhares de pequenas caldeiras em operao.

2 - Desenvolvimento das Caldeiras

As primeiras aplicaes prticas ou de carter industrial de vapor surgiram por volta do sculo 17. O ingls Thomas Savery patenteou em 1698 um sistema de bombeamento de gua utilizando vapor como fora motriz. Em 1711, Newcomen desenvolveu outro equipamento com a mesma finalidade, aproveitando idias de Denis Papin, um inventor francs. A caldeira de Newcomen era apenas um reservatrio esfrico, com aquecimento direto no fundo, tambm conhecida como caldeira de Haycock (figura 1).

James Watt modificou um pouco o formato em 1769, desenhando a caldeira Vago ( figura 2), a precursora das caldeiras utilizadas em locomotivas a vapor. Apesar do grande desenvolvimento que Watt trouxe a utilizao do vapor como fora motriz, no acrescentou muito ao projeto de caldeiras. Todos estes modelos provocaram desastrosas exploses, devido a utilizao de fogo direto e ao grande acmulo de vapor no recipiente. A ruptura do vaso causava grande liberao de energia na forma de expanso do vapor contido.

Nos finais do sculo 18 e incio do sculo 19 houveram os primeiros desenvolvimentos da caldeira com tubos de gua. O modelo de John Stevens (figura 3) movimentou um barco a vapor no Rio Hudson. Stephen Wilcox, em 1856, projetou um gerador de vapor com tubos inclinados, e da associao com George Babcock tais caldeiras passaram a ser produzidas, com grande sucesso comercial (figura 4). Em 1880, Alan Stirling desenvolveu uma caldeira de tubos curvados, cuja concepo bsica

ainda hoje utilizada nas grandes caldeiras de tubos de gua (figura 5).

Figura 1 - Caldeira de Haycock, 1720

Figura 2 - Caldeira Vago, de James Watt, 1769


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Nesta poca, tais caldeiras j estavam sendo utilizadas para gerao de energia eltrica. A partir do incio deste sculo o desenvolvimento tcnico dos geradores de vapor se deu principalmente no aumento das presses e temperaturas de trabalho, e no rendimento trmico, com utilizao dos mais diversos combustveis. A aplicao a propulso

martima alavancou o desenvolvimento de equipamentos mais compactos e eficientes.

3 - Tipos de Caldeiras

Atualmente, podemos classificar as caldeiras em dois tipos bsicos: - flamotubulares, onde os gases de combusto circulam por dentro de tubos, vaporizando a gua que fica por fora dos mesmos e - aquatubulares, onde os gases circulam por fora dos tubos, e a vaporizao da gua se d dentro dos

mesmos.

3.1. Caldeiras flamotubulares:

Constituem-se da grande maioria das caldeiras, utilizada para pequenas capacidades de produo de vapor ( da ordem de at 10 ton/h) e baixas presses (at 10 bar), chegando algumas vezes a 15 ou 20 bar.

As caldeiras flamotubulares horizontais constituem-se de um vaso de presso cilndrico horizontal, com dois tampos planos (os espelhos) onde esto afixados os tubos e a fornalha. Caldeiras modernas tem diversos passes de

Figura 4 - Caldeira de tubos retos,Babcock e Wilcox, 1877.

Figura 5 - Caldeira de tubos curvados, Stirling, 1880.

Figura 3 - Caldeira de tubos de gua, 1803.


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gases, sendo mais comum uma fornalha e dois passes de gases (figura .6). A sada da fornalha chamada cmara de reverso e pode ser revestida completamente de refratrios ou constituda de paredes metlicas molhadas.

Cmara de reverso molhada produz melhores rendimentos trmicos pela diminuio de perdas de calor ao ambiente, porm so mais complicadas construtivamente e consequentemente mais caras.

As fornalhas das caldeiras flamotubulares devem ser dimensionadas para que a combusto ocorra completamente no seu interior, para no haver reverso de chama que v atingir diretamente os espelhos, diminuindo a vida til da caldeira. A fornalha tambm se constitui de um corpo cilndrico e est completamente imersa em gua. Pela sua prpria concepo, caldeiras flamotubulares modernas s queimam combustveis

Figura 6 - Tipos de caldeiras flamotubulares


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lquidos ou gasosos, devido a dificuldade de se instalar grelhas para combustveis slidos. Algumas caldeiras flamotubulares de pequena capacidade queimam combustveis slidos atravs de adaptao de grelhas na fornalha, porm so limitadas ao tamanho necessrio da rea de grelha. Para queima de combustveis slidos em caldeiras de pequena capacidade utiliza-se as caldeiras mistas, que sero tratadas mais adiante.

Desde as primeiras caldeiras do sculo 17, at os modelos atuais, as caldeiras flamotubulares passaram por sucessivos desenvolvimentos at a atual concepo de uma fornalha e mais dois passes de gases de combusto. A grande aceitao deste tipo para pequenas capacidades est associada principalmente no seu baixo custo de construo, em comparao com uma aquatubular de mesma capacidade. Por outro lado, o grande volume de gua que acondiciona limita, por questes de segurana, as presses de trabalho e a qualidade do vapor na condio de vapor saturado. A figura 7 mostra uma caldeira flamotubular moderna, com cmara de reverso molhada e fornalha corrugada. A gua acumulada no corpo da caldeira pode funcionar como um pulmo de vapor, respondendo a sbitas flutuaes de demanda com pouca queda de presso da rede de vapor, sendo adequada portanto para aplicaes onde o consumo varivel. A eficincia trmica destas caldeiras est na faixa de 80 a 90%, sendo dificil se atingir maiores valores pela dificuldade de se acrescentar equipamentos adicionais de recuperao de calor.

Figura 7 - Caldeira flamotubular com cmara de reverso molhada e fornalha corrugada.


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3.2 - Caldeiras aquatubulares:

As caldeiras aquatubulares tem a produo de vapor dentro de tubos que interligam 2 ou mais reservatrios cilndricos horizontais, conforme figura 8: - o tubulo superior, onde se d a separao da fase lquida e do vapor, e - o tubulo inferior, onde feita a decantao e purga dos slidos em suspenso. Os tubos podem ser retos ou curvados. As primeiras caldeiras aquatubulares utilizavam tubos retos, soluo hoje completamente abandonada, apesar de algumas vantagens, como a facilidade de limpeza interna dos tubos. A caldeira de tubos curvados, interligando os bales, proporcionam arranjo e projeto de cmaras de combusto completamente fechada por paredes de gua, com capacidades praticamente ilimitadas. Dada a maior complexidade construtiva em relao s caldeiras flamotubulares, as aquatubulares so preferidas somente para maiores capacidades de produo de vapor e presso, exatamente onde o custo de fabricao do outro tipo comea a aumentar desproporcionadamente.

Em relao ao modo de transferncia de calor no interior de caldeira existem normalmente duas seces: - a seco de radiao, onde a troca de calor se d por radiaodireta da chama aos tubos de gua, os quais geralmentedelimitam a

cmara de combusto. - a seco de conveco, onde a troca de calor se d por conveco forada, dos gases quentes que sairam da cmara de combusto atravessando um banco de tubos de gua.

Nao h limite fsico para capacidades. Encontram-se hoje caldeiras que produzem at 750 t/h de vapor com presses at 3450 atm.

Figura 8 - Esquemas construtivos de caldeiras aquatubulares, com circulao natural.


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Figura 9 - Caldeira aquatubular compacta

Figura 10 - Caldeira aquatubular de grande porte.


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Para aplicao industrial, as capacidades variam da ordem de 15 a 150 t/h, com presses at 90-100 bar. As figuras 9 e 10 mostram uma caldeira aquatubular compacta e uma caldeira de alta produo de vapor.

Circulao da gua

A gua pode circular por conveco natural pelos tubos, devido a diferena de densidade entre o lquido e vapor formado pelo aquecimento conforme esquematizado na figura 11. A figura 12 mostra um grfico que nos fornece a relao entre os pesos especficos do lquido e vapor saturado em funo da presso de saturao. A fora motriz da circulao de gua exatamente a diferena de pso especfico.

Caldeiras de presso prxima ao ponto crtico (218 atm), ou maior, necessitam de circulao assistida , devido a pouca diferena entre as densidades de lquido e vapor. Um esquema da circulao de caldeira deste tipo esta mostrado na figura 13.

Cmara de combusto.

As paredes de gua da cmara de combusto podem ser totalmente integrais, ou seja, cada tubo tangente ao prximo formando uma parede impermevel aos gases, ou ainda podem ser construdas com tubos interligados por aletas de chapa soldadas. H ainda paredes de gua com tubos espaados e parede refratria. O calor que no atinge diretamente os tubos reirradiado pelo revestimento refratrio (figura 14).

Figura 11 - Esquema da circulao natural da gua da caldeira.

Figura 12 - Relao entre os pesos especficos da gua lquida e vapor saturado, em funo da presso de saturao


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3.3 - Caldeiras mistas

A necessidade de utilizao de combustveis slidos para caldeiras de pequena capacidade fez surgir uma soluo hbrida que so as caldeiras mistas. Basicamente so caldeiras flamotubulares com uma antecmara de combusto com paredes revestidas de tubos de gua. Na antecmara se d a

combusto de slidos atravs de grelhas de diversos tipos possibilitando assim o espao necessrio para os maiores volumes da cmara de combusto necessrios a combusto de slidos, principalmente em grandes tamanhos, tais como lenha em toras, cavacos, etc, alm da possibilidade de retirada de cinzas por baixo das grelhas (o cinzeiro). As caldeiras mistas no reumem todas as vantagens da aquatubular, como a segurana, maior eficincia trmica, etc., porm, uma soluo prtica e eficiente quando se tem disponibilidade de combustvel slido a baixo custo. Tem ainda a possibilidade de queimar combustvel lquido ou gasoso, com a instalao de

queimadores apropriados. O rendimento trmico destas caldeiras so menores que as

flamotubulares, devido a perda de calor pela antecmara. Dificilmente as paredes frontais e traseira so revestidas de tubos, devido a dificuldade construtiva pelo pequeno tamanho da caldeira (figura 15).

Figura 15 - Caldeira flamotubular com ante-fornalha de paredes de gua.

Figura 14 - Tipos de paredes de gua para fornalhas de caldeiras aquatubulares.


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3.4 - Caldeiras de recuperao de calor

Alguns processos de fabricao geram gases de processo ou de combusto com temperatura alta o suficiente para se recuperar calor destes. Como exemplo, gases de alto forno ou gases de processos de

fabricao de amnia, ou produtos de combusto de incineradores e fornos de alta temperatura (figura 16). Neste caso, a caldeira pode ser tanto aquatubular como flamotubular, valendo ainda a escolha pela capacidade de produo de vapor, optando-se pela aquatubular para maiores capacidades.

4 - Componentes principais de caldeiras

Caldeiras flamotubulares so geralmente equipamentos montados em base nica e poucos acessrios alm dos necessrios so acrescentados. Grandes geradores de vapor podem possuir mais componentes alm dos que j foram citados. Os principais componentes so: (figura 17) a) cinzeiro: em caldeiras de combustveis slidos, o local onde se depositam as cinzas ou pequenos pedaos de combustvel no queimado. b) fornalha com grelha ou queimadores de leo ou gs. c) seo de irradiao: so as paredes da cmara de combusto revestidas internamente por tubos de gua. d) seo de conveco: feixe de tubos de gua, recebendo calor por conveco forada; pode ter um ou mais passagens de gases. e) superaquecedor: trocador de calor que aquecendo o vapor saturado transforma-o em vapor superaquecido. f) economizador: trocador de calor que atravs do calor sensivel dos gases de combusto saindo da caldeira aquecem a gua de alimentao. g) pr-aquecedor de ar: trocador de calor que aquece o ar de combusto tambm trocando calor com os gases de exausto da caldeira. h) exaustor: faz a exausto dos gases de combusto, fornecendo energia para vencer as perdas de carga devido a circulao dos gases. i) chamin: lana os gases de combusto ao meio ambiente, geralmente a uma altura suficiente para disperso dos mesmos.

Figura 16 - Caldeira de recuperao de calor de gases de processo


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A caldeira pode ainda ter equipamentos de limpeza dos gases, tais como filtros, ciclones ou precipitadores eletrostticos para captao de material particulado ou ainda lavadores de gases para captao de gases cidos: SOx,NOx, etc...

4.1 - Superaquecedores:

Vapor saturado extrado do tubulo superior e entra em um trocador de calor instalado dentro da prpria caldeira. Os superaquecedores podem ser de natureza apenas convectiva, ou seja, recebe calor somente por conveco trmica, ou de irradiao, e neste caso, esto localizados dentro da prpria cmara de combusto, ou na sada desta, de maneira que receba calor por radiao da chama ou da grelha. A temperatura de superaquecimento varia com a carga da caldeira, j que a troca de calor no acompanhada de mudana de fase como na vaporizao. A troca de calor dentro do superaquecedor funo da velocidade do vapor dentro dos tubos e da velocidade dos gases na zona de conveco. A figura 17 mostra o comportamento da temperatura de superaquecimento do vapor conforme a carga da caldeira e o tipo de trocador. Equipamentos de conveco aumentam a temperatura de superaquecimento com o aumento da carga da caldeira, pois os coeficientes de troca de calor tendem a aumentar com as maiores velocidades dos gases e tambm do vapor dentro dos tubos. Superaquecedores de irradiao tem a temperatura de sada diminuida com o aumento da produo de vapor. A irradiao de calor varia pouco com a carga de produo de vapor . Em baixa carga a velocidade do vapor mais baixa e consequentemente os coeficientes de transferncia de calor tambm. Para manter a temperatura de sada do superaquecedor constante, projetaram-se unidades mistas com seces de radiao e conveco.

Figura 16 - Componentes principais de um

gerador de vapor.


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O controle fino da temperatura de superaquecimento pode ser feito de diversas maneiras:

- contrle da taxa de radiao, atravs do contrle da posio angular dos queimadores de leo ou gs, direcionando a chama radiante ao superaquecedor, ou contrle da capacidade de combusto dos queimadores mais prximos ao superaquecedor.

- desvio de gases passando pelo superaquecedor, atravs de uma vlvula de desvio regulavel automticamente.

- utilizao de dessuperaquecedor (ou atemperador), na sada do superquecedor, o qual atravs da injeo direta de gua lquida controla a temperatura de sada do

vapor superaquecido. Neste caso o superquecedor tem que ser projetado para temperatura de sada maior que o necessrio, a fim de permitir margem de contrle. A temperatura de sada do atemperador ento controlada pela vazo de gua injetada. Um esquema do atemperador mostrado na figura 18.

O atemperador atualmente o mtodo mais utilizado, pois proporciona timo contrle e rpida resposta com a variao da carga, e independe do tipo de superaquecedor, seja de radiao, de conveco ou misto.

Variaes nos detalhes construtivos de superaquecedores so diversas, e se referem ao nmero de passes de vapor, tipo de suporte do

equipamento dentro da caldeira, uso de superfcies aletadas na zona de conveco, etc. A figura 19 mostra detalhe de um superaquecedor de radiao.

Figura 17 - Temperatura de sada de superaquecedores em funo da carga

da caldeira.

Figura 18 - Esquema construtivo de

dessuperaquecedor.


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4.2 - Economizadores

Os economizadores se destinam a aquecer a gua de alimentao antes de ser introduzida no interior da caldeira. O pr aquecimento feito atravs da troca de calor com os gases de combusto saindo da caldeira. O aproveitamento do calor sensvel dos gases de combusto traz um aumento de eficincia trmica do equipamento. Economizadores so trocadores de calor gs-lquido. Devido ao baixo coeficiente de troca de calor por conveco no lado dos gases, geralmente os economizadores so compostos por tubos aletados. Em relao sua instalao, devem estar localizados aps a ltima superfcie de conveco do gerador de vapor. Podem ser fabricados

integralmente caldeira, ou podem ser adicionados na parte exterior da mesma, logo aps a sada dos gases (figuras 20 e 21).

Economizadores so praticamente usados em mdias e grandes instalaes. O custo adicional comparado com o ganho de rendimento trmico no viabiliza a utilizao em pequenas caldeiras, e que geralmente se utilizam de alimentao intermitente de gua, impossibilitando, portanto, a operao em uso

contnuo e simultneo dos fluxos de gua e produtos de combusto.

Figura 20 - Elementos de economizadores de tubos aletados.

Figura 21 - Economizador de tubos aletados.

Figura 19 - Painis

radiantes pendentes de superaquecedor.


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4.3 - Pr-aquecedores

Os pr-aquecedores de ar elevam a temperatura do ar de combusto antes de sua entrada nos queimadores ou fornalha, atravs da troca de calor com os produtos de combusto saindo da caldeira. Alm da vantagem

de aumento de rendimento trmico por diminuio das perdas nos gases de exausto, o ar pr-aquecido melhora o funcionamento e rendimento dos queimadores ou da fornalha. Ar pr-aquecido aumenta a estabilidade de chama, a temperatura interna da cmara de combusto, aumentando portanto a troca de calor por radiao, permitindo a utilizao de menor excesso de ar. O fato de se utilizar tambm o calor sensvel dos gases de combusto no impede seu uso conjunto com o economizador, o qual quando usado , deve vir antes do pr-aquecedor, j que existem limitaes quanto a temperatura mxima do ar de combusto conforme o tipo de queimador e combustvel utilizado. Pr-aquecedores de ar so trocadores de calor gs-gs, e os tipos mais utilizados so: - tubulares, (figura 22) - regenerativos rotativos (figura 23)e - de placas.

No vantajoso a utilizao de tubos aletados em pr-aquecedores de ar, pois os coeficientes de pelcula so da mesma ordem de grandeza para os dois lados: ar e gases de combusto. Para o devido aproveitamento de aletas, esta deveriam estar montadas nos dois lados do

Figura 22 - Pr-aquecedor de ar, tubular vertical.

Figura 23 - Pr-aquecedor de ar regenerativo

rotativo.


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fluxo, o que dificulta sua aplicao em tubos de seco circular. Alguns trocadores de placas retas possuem aletas em ambos os lados, quando so construdos em unidades modulares.

Os pr-aquecedores de ar regenerativos rotativos se utilizam do armazenamento de calor sensvel em elementos vazados de um rotor rotativo, o qual girando a baixa rotao (2 a 4 rpm), alternam cada elemento em contacto com os gases quentes saindo da caldeira e o ar frio sendo aquecido. Sempre existe uma pequena mistura de ar e gases de combusto, j que difcil efetuar-se uma construo perfeitamente estanque entre as correntes de fluxo que atravessam o rotor. Devido a sua complexidade construtiva, tais pr-aquecedores smente so viveis em grandes unidades de gerao de vapor.

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