caldeira s

Matéria: 109.735

Termodinâmica II

Trabalho de Termodinâmica

Alunos:

Rodrigo Ribeiro – 206949

Bruno Paviani – 210250

Deivid Moreti – 200156

Valdir Junior - 205975

Sistemas de Geração de Vapor - CaldeiraSistemas de Geração de Vapor - Caldeira

Produz vapor (Saturado e Superaquecido)

Variedade de formatos e tamanhos

Ampla gama de pressões de operação

Variedade de combustíveis

Turbinas das moendas

Turbo gerador de energia elétrica

Turbo bombas para recalque de água

Ventiladores / exaustores

Aquecimento da matéria prima para a fabricação de açúcar e álcool

É constituído de vasos fechados submetidos à pressão e contendo água que se transforma em vapor. Sua finalidade é gerar vapor para acionamento de:

Sistemas de Geração de Vapor - CaldeiraSistemas de Geração de Vapor - Caldeira

Deaerador

Água BrutaClarificador

Filtro

Reservatório

Vapor de Flash para usuários de baixa pressão

Tanque de Flash da purga Vapor para usuários

Purga contínua

Purga de fundo

Água de alimentação desaerada

Turbina

Condensador

Processo de aquecimento

Processo de aquecimento

Reservatório de condensado

Tanque de Flash de condensado

Tanque de Flash de condensado

Reservatório geral

Água para desaerador

Reposição

Vent

Reposição

Para desaerador

Fluxograma SimplificadoTratamento de água

Geração de Vapor

Consumidores

Vapor

Saturado – É o vapor cuja temperatura é exatamente a mesma da água em fase de vaporização. É empregado emprocessos de aquecimento onde o calor latente demudança de fase é o principal atributo. Exemplos:aquecimento indireto, esterilização, estufas de secagem,cozimento, catalizador de reações, etc.

Superaquecido – Trata-se do vapor que sofreu um acréscimo de temperatura a pressão constante. Seu comporta-mento assemelha-se ao de um gás e o principal atributo é sua energia potencial mecânica. Usadobasicamente para acionar elementos mecânicos eturbinas.

Os combustíveis são classificados em :

Sólido;

Líquido;

Gasoso

Bagaço de cana

Lenha

Carvão

Álcool

Óleo

Gás

Principais combustíveis Principais combustíveis

O tamanho das partículas do combustível. (quanto menor mais facilmente se combinam com o ar.).

A umidade do combustível.

Quantidade de ar.

Quantidade de combustível.

Temperatura do ar.

Relação de distribuição entre ar/combustível

Fatores que influenciam a eficiência.Fatores que influenciam a eficiência.

Classificação de acordo com o formato

A classificação mais abrangente e usual está relacionada como fluido situado no interior dos tubos de troca térmica.

Fogotubular – Caldeira onde os gases de combustão circulamno interior dos tubos e a água situa-se na região exterior. SãoEquipamentos para baixas pressões e produções de vapor. Já vem montadas e testadas da fábrica.

Aquatubular – Quando a água a ser vaporizada encontra-se nointerior dos tubos de troca térmica e os gases de combustão contatam a região oposta. São equipamentos geralmente de grande porte e necessitam ser montados no local de instalação.

Caldeira do tipo Fogotubular

As caldeiras fogotubular são assim classificadas pela forma que os gases, provenientes da combustão, trocam calor. Nesta configuração de caldeira, os gases passam pelo interior dos tubos do evaporador.

Caldeira do tipo Aquatubular

As caldeiras aquatubulares são classificadas pela vaporização da água que circula dentro dos tubos. No processo de produção de vapor das caldeiras aquatubulares, a água presente no interior dos tubos absorve calor da combustão dos gases que circulam do lado externo aos tubos.


Combustível

Oxigênio (Ar pré-aquecido)

Gases provenientes da Combustão


Troca de calorGases >>> Água

O ar é formado basicamente dos

componentes Oxigênio (O) e Nitrogênio (N)

que ficam agrupados em pares.

Princípios da CombustãoPrincípios da Combustão

A combustão é uma reação de uma substância (combustível) com o oxigênio (O2) (comburente) presente na atmosfera, com liberação de energia.


A liberação ou consumo de energia durante uma reação é conhecida como variação da entalpia (ΔH), isto é, a quantidade de energia dos produtos da reação (Hp) menos a quantidade de energia dos reagentes da reação (Hr):

ΔH = Hp - Hr


ΔH = Hp - Hr

Quando ΔH > 0 isto significa que a energia do(s) produto(s) é maior que a energia do(s) reagentes(s) e a reação é endotérmica, ou seja, absorve calor do meio ambiente. Quando ΔH < 0 o processo denomina-se exotérmico (o prefixo “exo” significa “para fora”), pois há liberação de calor.


Queima de combustível

Transformação de água liquida

em vapor

Para transformação

do estado físico da água líquida, precisa absorver

44 kJ

Endotérmico

Para reação é fornecido O2 e combustível

Exotérmico

Principais componentes de uma Principais componentes de uma

caldeira Aquatubularcaldeira Aquatubular

É o elemento de ligação

dos tubos para possibilitar a

circulação de água na

caldeira, tem por função de

acumular lama formada pela

reação dos produtos

químicos com a água da

caldeira.

Tubulão de água (inferior)

EQUIPAMENTOS

Tubulão de água (inferior)

EQUIPAMENTOS

Tubulão de água externo

É um corpo cilíndrico contendo em seu interior água e vapor formado pela troca térmica entre os gases da combustão e a água em circulação na caldeira.

Tubulão de Vapor (Superior)

EQUIPAMENTOS

A principal função:

É a separação da

água do vapor.

Tubulão de vapor

EQUIPAMENTOS

Tubulão de vapor externo

Consiste em chicanas e

filtros que destinam-se

a reter água do vapor,

de maneira que esse

entre “seco” no

superaquecedor.

Separadores de vapor

EQUIPAMENTOS

Tubulão de água interno

Tubulão de vapor

EQUIPAMENTOS

Este equipamento é destinado a aumentar a temperatura de vapor saturado que sai do tubulão de vapor, tornando este mais seco sem aumentar sua pressão.

É constituído de tubos em forma de serpentina onde o vapor circula internamente e os gases externamente, recebendo diretamente a radiação da fornalha.

Superaquecedor

EQUIPAMENTOS

Radiação proveniente da calor emitido pela fornalha

É um dispositivo de segurança que deve atender de forma confiável e precisa como;

Válvula de Segurança

Abrir a uma pressão pré-determinada

Descarregar o volume previsto no dimensionamento e na sobre pressão permitida.

Fechar dentro do diferencial de alivio permitido, com a vedação inicial.

Seu funcionamento é

automático e comandado por

instrumentos.

Válvula de Controle

EQUIPAMENTOS

Tem por objetivos a remoção de resíduos sólidos

resultantes da combustão que aderem na parte externa

da tubulação do feixe tubular ou mesmo no

superaquecedor, dificultando a troca térmica /

eficiência do gerador de vapor (caldeira).

Podem ser retrátil ou rotativo fixo. É constituído de

tubo com vários furos ou bocais por onde o vapor é

soprado.

Sopradores de fuligem

Sua finalidade é de

aspirar o ar ambiente

e insufla-lo para

dentro da fornalha,

onde a combustão se

realiza.

Ventiladores de ar forçado

Sua função é retirar da caldeira todo o gás

formado pela combustão e criar pressão negativa

para entrada de ar(Oxigênio) para a

combustão permanecer ativa.

Ventilador de tiragem induzida (I.D.F.)

Destina-se a fazer o aquecimento do ar de combustão, através da troca térmica entre o gás passando por dentro dos tubos e o ar por fora.

Pré-aquecedores de ar

Localiza-se na saída de gases da caldeira logo após o feixe tubular.

Sua finalidade permitir ao operador verificar

o nível de água no tubulão de vapor, fator

este indispensável na SEGURANÇA de

operação da caldeira.

Indicadores de nível

EQUIPAMENTOS

Indicadores de nível

Tem por objetivo conduzir para

atmosfera os gases formados na

combustão. Quando a tiragem não é

efetuada por exaustores, sendo

portanto do tipo natural, são as

chaminés que mantém a depressão na

fornalha, portanto nesta condição eles

são de grande diâmetro e altura

elevada.

Chaminé

Estratégias de Controle de caldeiras

Em caldeiras aquatubulares onde a dinâmica de geração de vapor

é complexa e envolve diversas variáveis, é possível considerar duas

como sendo as de maior importância para a composição de uma

estratégia de controle eficiente: a pressão de vapor na saída do

equipamento e o nível de água no tubulão superior.

Controle de pressão da caldeira

A pressão deve ser controlada, pois normalmente o vapor gerado

no equipamento é utilizado em turbinas, evaporadores e

aquecedores, e sua pressão deve ser mantida numa faixa de variação

restrita para garantir a estabilidade destes equipamentos e do

processo de produção, também pontua que o controle de pressão é

realizado atuando diretamente no sistema de combustão, que por sua

vez é função das vazões de combustível e de ar que são inseridas na

caldeira, já que quanto maior a queima, maior a vaporização.

Controle de pressão da caldeira

Controle de nível da caldeira

É muito importante termos um controle de nível eficaz da

caldeira pois, a faixa de controle desta variável deve ser estreita o

bastante para que o equipamento não sofra com os dois extremos de

medição. O nível baixo poderia deixar os tubos internos da caldeira

sem água, o que possivelmente causaria a fusão do material devido

às altas temperaturas da chama dos queimadores. Já o nível alto

poderia promover o arraste de água líquida através da corrente de

vapor, reduzindo a qualidade do produto final e a eficiência do

equipamento e de seus consumidores.

Controle de nível da caldeira – 3 elementos

Exemplo de cálculo do consumo de combustível em relação a vazão de

vaporExemplo do cálculo do consumo de combustívelConsidere uma caldeira que aquece água inicialmente a 23,7ºC, gerando vapor com pressão absoluta de 7,0 kgf/cm2 a uma taxa de 1000 kg de vapor por hora com o uso de lenha como combustível. Uma amostra desta lenha foi levada a um laboratório e constatou-se que ela possui poder calorífico PCI = 3800 kcal/kg. O fabricante da caldeira estima que a eficiência energética do equipamento é de cerca de 55% com o uso da lenha.

Solução:

Na TAB. 1, procure pela linha cuja pressão seja 7,0 kgf/cm2. Obtém-se:

Hv = 659,9 kcal/kg

Solução:Subtraia deste valor, o valor de referência, que é em razão de a água de entrada estar a:

23,7ºC: (água saturada a 23,7ºC possui entalpia 23,81 kcal/kg.)

Ho = 23,81 kcal/kg

Obtém-se:

DHvap = Hv - Ho = 659,9 – 23,81 = 636,1 kcal/kg

Solução:A partir das demais informações fornecidas: Vazão de vapor = 1000 kg/h,PCI = 3800 kcal/kg,% Eficiência da caldeira = 55%,

calcula-se a taxa de entrada de combustível necessária utilizando a fórmula:

Solução:Tem se:

Logo Vazão de combustível = 304,3 kg/h.

Portanto, a cada hora são necessários 304,3 kg de lenha para cada 1000 kg de vapor gerados nesta caldeira, nas condições apresentadas

Exercícios proposto

Considere uma caldeira que aquece água inicialmente a 30ºC, gerando vapor com pressão absoluta de 8,0 kgf/cm2 a uma taxa de 1750 kg de vapor por hora com o uso de lenha como combustível. Uma amostra desta lenha foi levada a um laboratório e constatou-se que ela possui poder calorífico PCI = 3500 kcal/kg. O fabricante da caldeira estima que a eficiência energética do equipamento é de cerca de 47% com o uso da lenha.

caldeira s

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