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  • 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 proj