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MÁQUINAS TÉRMICAS

AT-101

Universidade Federal do Paraná

Curso de Engenharia Industrial Madeireira

Dr. Alan Sulato de Andrade

alansulato@ufpr.br

GERADORES DE VAPOR

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GERADORES DE VAPOR

DEFINIÇÃO:

Geradores de Vapor (GV’s) podem ser considerados

como sendo trocadores de calor complexos que

produzem vapor de água sob pressões superiores a

atmosférica a partir da energia de um combustível e de

um elemento comburente (Ar).

GERADORES DE VAPOR

DEFINIÇÃO:

Estes equipamentos, são constituídos por diversos

dispositivos associados estando estes perfeitamente

integrados para permitir a obtenção do maior

rendimento térmico possível. Estes equipamentos são

conhecidos popularmente como caldeiras de vapor.

Representação esquemática de um GV

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GERADORES DE VAPOR

DEFINIÇÃO:

Caldeiras de vapor são essencialmente recipientes

pressurizados no qual a água é introduzida e pela

aplicação continua de energia é evaporada. A água

evaporada é chamada de vapor, consistindo um dos

fluídos de trabalho mais empregados na industria.

Água Vapor

Calor

GERADORES DE VAPOR

VAPOR:

Fisicamente é a água no estado gasoso.

Vapor de água

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GERADORES DE VAPOR

VAPOR:

Vapor gerado

Mudança de estado físico

Transferência de energia Energia desprendida

pelo combustível

GERADORES DE VAPOR

VAPOR:

O vapor de água é usado como meio de geração,

transporte e utilização de energia desde os primórdios

do desenvolvimento industrial.

Inúmeras razões colaboraram para a geração de

energia através do vapor. A água é o composto mais

abundante do planeta e portanto de fácil obtenção e

baixo custo. Na forma de vapor tem alto conteúdo de

energia por unidade de massa e volume.

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GERADORES DE VAPOR

UTILIZAÇÃO DO VAPOR:

Utilizada em grande parte da geração de energia

elétrica, pois utiliza vapor de água como fluído de

trabalho em ciclos termodinâmicos, transformando a

energia química de combustíveis fósseis ou nucleares

em energia mecânica, e em seguida, energia elétrica.

GERADORES DE VAPOR

UTILIZAÇÃO DO VAPOR:

Geração de energia elétrica.

GV TV

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GERADORES DE VAPOR

UTILIZAÇÃO DO VAPOR:

Indústrias e diversos processos tem vapor como

principal fonte de aquecimento: reatores químicos,

trocadores de calor, evaporadores, secadores e

inúmeros processos e equipamentos térmicos. Mesmo

outros setores industriais, como metalúrgico, metal-

mecânico, eletrônica, etc., podem-se utilizar de vapor

como fonte de aquecimentos de diversos processos.

GERADORES DE VAPOR

UTILIZAÇÃO DO VAPOR:

Indústrias e diversos processos.

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GERADORES DE VAPOR

UTILIZAÇÃO DO VAPOR:

Indústrias e diversos processos.

GERADORES DE VAPOR

UTILIZAÇÃO DO VAPOR:

Processos dimensionados para a utilização de:

Vapor saturado,

Vapor superaquecido.

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GERADORES DE VAPOR

UTILIZAÇÃO DO VAPOR:

22,09MPa, 374C

GERADORES DE VAPOR

VAPOR SATURADO:

Amplamente utilizado na grande maioria das industrias

e processos, pois o vapor saturado tem a grande

vantagem em manter temperatura constante durante a

condensação a pressão constante. A temperatura pode

variar entre 130ºC a 350ºC, porém a faixa de

temperatura até 170ºC com 8kgf/cm², corresponde a

grande maioria de pequenos e médios consumidores

de vapor.

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GERADORES DE VAPOR

VAPOR SATURADO:

Maiores temperaturas são possíveis a custa do

aumento da pressão de saturação, o que implica num

maior custo de investimento devido a necessidade de

aumento da resistência mecânica e requisitos de

fabricação e inspeção do gerador de vapor.

GERADORES DE VAPOR

VAPOR SUPERAQUECIDO:

Utilizado em grandes complexos industriais e na

geração de energia elétrica ou mecânica em ciclos

termodinâmicos. Vapor superaquecido é aquele que

possui temperatura mais elevada geralmente na faixa

de 400ºC a 560ºC. Para obtê-lo, é necessário aquecer

o vapor saturado, mantendo inalterada a sua pressão.

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GERADORES DE VAPOR

VAPOR SUPERAQUECIDO:

O vapor passa a condição de superaquecimento

quando ultrapassa temperaturas de saturação de uma

determinada pressão. O vapor superaquecido é isento

de umidade e comporta-se nas tubulações como gás.

Na geração do vapor superaquecido a limitação de

temperaturas de trabalho fica por conta dos materiais

de construção empregados.

GERADORES DE VAPOR

DESENVOLVIMENTO DOS GV’s:

O vapor foi a primeira maneira eficiente de produzir

energia independentemente da força muscular do

homem e do animal, e da força do vento e das águas

correntes. Sua invenção e uso foi uma das bases

tecnológicas da Revolução Industrial. Em sua forma

mais simples, as máquinas a vapor usam o fato de que

a água, quando convertida em vapor se expande e

ocupa um volume de até 1.600 vezes maior do que o

original, quando sob pressão atmosférica.

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GERADORES DE VAPOR

DESENVOLVIMENTO DOS GV’s:

Foi somente no século XVII, mais precisamente em

1690, que o físico francês Denis Papin usou esse

princípio para bombear água. Mas, a utilização efetiva

dessa tecnologia só se iniciou com a invenção de

Thomas Savery patenteada em 1698 e aperfeiçoada

em 1712 por Thomas Newcomen e John Calley.

GERADORES DE VAPOR

DESENVOLVIMENTO DOS GV’s:

Bomba de água rudimentar que utiliza vapor

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GERADORES DE VAPOR

DESENVOLVIMENTO DOS GV’s:

Em 1711, Newcomen desenvolveu outro equipamento

com a mesma finalidade, aproveitando idéias de Papin,

um inventor francês. A caldeira de Newcomen era

apenas um reservatório esférico, com aquecimento

direto no fundo, também conhecida como caldeira de

Haycock.

GERADORES DE VAPOR

DESENVOLVIMENTO DOS GV’s:

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GERADORES DE VAPOR

DESENVOLVIMENTO DOS GV’s:

James Watt modificou um pouco o formato em 1769,

desenhando a caldeira Vagão, a precursora das

caldeiras utilizadas em locomotivas a vapor. Apesar do

grande desenvolvimento que Watt trouxe a utilização

do vapor como força motriz, não acrescentou muito ao

projeto de caldeiras.

GERADORES DE VAPOR

DESENVOLVIMENTO DOS GV’s:

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GERADORES DE VAPOR

DESENVOLVIMENTO DOS GV’s:

Todos estes modelos provocaram desastrosas

explosões, devido a utilização de fogo direto e ao

grande acúmulo de vapor no recipiente. A ruptura do

vaso causava grande liberação de energia na forma de

expansão do vapor contido.

GERADORES DE VAPOR

DESENVOLVIMENTO DOS GV’s:

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GERADORES DE VAPOR

DESENVOLVIMENTO DOS GV’s:

Nos finais do século 18 e início do século 19 houveram

os primeiros desenvolvimentos da caldeira com tubos

de água. O modelo de John Stevens movimentou um

barco a vapor no Rio Hudson.

GERADORES DE VAPOR

DESENVOLVIMENTO DOS GV’s:

Stephen Wilcox, em 1856, projetou um gerador de

vapor com tubos inclinados, e da associação com

George Babcock tais caldeiras passaram a ser

produzidas, com grande sucesso comercial.

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GERADORES DE VAPOR

DESENVOLVIMENTO DOS GV’s:

Em 1880, Stirling desenvolveu uma caldeira de tubos

curvados, cuja concepção básica é ainda hoje utilizada

nas grandes caldeiras de tubos de água.

GERADORES DE VAPOR

DESENVOLVIMENTO DOS GV’s:

Nos últimos anos o desenvolvimento técnico dos

geradores de vapor se deu principalmente no aumento

das pressões e temperaturas de trabalho, no

rendimento térmico, na utilização dos mais diversos

combustíveis e principalmente em formas de controle

automático dos equipamentos.

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GERADORES DE VAPOR

DESENVOLVIMENTO DOS GV’s:

GERADORES DE VAPOR

DESENVOLVIMENTO DOS GV’s:

Monitoramento em tempo real

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GERADORES DE VAPOR

CLASSIFICAÇÃO DOS GV’s:

Fonte de aquecimento:

Elétricas (Eletrodo submerso),

Combustíveis,

Sólidos (Carvão, Biomassa)

Líquidos (Óleo combustível)

Gasosos (GN e GLP)

Reatores nucleares.

GERADORES DE VAPOR

CLASSIFICAÇÃO DOS GV’s:

Industrialmente, podemos arbitrar uma classificação

de geradores de vapor em relação a pressão de

trabalho:

Baixa pressão: até 10kgf/cm²

Média pressão: de 11 a 40kgf/cm²

Alta pressão: maior que 40kgf/cm²

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GERADORES DE VAPOR

CLASSIFICAÇÃO DOS GV’s:

Quanto a Natureza da aplicação:

Fixas,

Portáteis,

Locomóveis (geração de força e energia),

Marítimas.

GERADORES DE VAPOR

CLASSIFICAÇÃO DOS GV’s:

Quanto a posição dos gases quentes:

Flamotubulares,

Aquatubulares,

Mistas.

Quanto a posição dos tubos:

Verticais,

Horizontais,

Inclinados.

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GERADORES DE VAPOR

CALDEIRAS FLAMOTUBULARES:

Neste tipo de caldeira, os gases quentes circulam pelo

interior de tubos e a água se encontra na parte externa

aos tubos.

GERADORES DE VAPOR

CALDEIRAS FLAMOTUBULARES:

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GERADORES DE VAPOR

CALDEIRAS FLAMOTUBULARES:

São caldeiras de fácil construção e operação, mas

tendem a apresentar:

Baixa produção de vapor – cerca de 10 ton/h e

Baixa pressão de operação – 15kgf/cm² a

20kgf/cm².

GERADORES DE VAPOR

CALDEIRAS FLAMOTUBULARES:

Podem ser classificadas como:

Verticais,

Horizontais,

Geradores de chama direta.

Geradoras de chama de retorno.

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GERADORES DE VAPOR

CALDEIRAS FLAMOTUBULARES:

Verticais.

GERADORES DE VAPOR

CALDEIRAS FLAMOTUBULARES:

Horizontais, Geradores de chama direta:

Os gases percorrem um só sentido até a chaminé.

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GERADORES DE VAPOR

CALDEIRAS FLAMOTUBULARES:

Horizontais, Geradores de chama direta:

GERADORES DE VAPOR

CALDEIRAS FLAMOTUBULARES:

Horizontais, Geradores de chama de retorno:

Os gases percorrem dois ou mais sentidos antes de

seguir para a chaminé.

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GERADORES DE VAPOR

CALDEIRAS FLAMOTUBULARES:

Horizontais, Geradores de chama de retorno:

GERADORES DE VAPOR

CALDEIRAS FLAMOTUBULARES:

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GERADORES DE VAPOR

CALDEIRAS FLAMOTUBULARES:

Particularidades das flamotubulares:

A fornalha deve ser projetada para que a combustão

ocorra totalmente em seu interior, pois o contato da

chama com partes metálicas pode danificar a caldeira.

GERADORES DE VAPOR

CALDEIRAS FLAMOTUBULARES:

Particularidades das flamotubulares:

Preferencialmente se utiliza combustíveis líquidos ou

gasosos nessas caldeiras, pois é difícil a instalação de

grelhas nesse tipo de caldeira.

Recomendado para situações onde há variação da

demanda de vapor.

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GERADORES DE VAPOR

CALDEIRAS FLAMOTUBULARES:

Vantagens e desvantagens das caldeiras

flamotubulares.

As principais vantagens das caldeiras deste tipo são:

custo de aquisição mais baixo;

exigem pouca alvenaria;

atendem bem a aumentos instantâneos de

demanda de vapor.

GERADORES DE VAPOR

CALDEIRAS FLAMOTUBULARES:

Vantagens e desvantagens das caldeiras

flamotubulares.

Como desvantagens, apresentam:

baixo rendimento térmico;

limitação de pressão de operação

baixa taxa de vaporização (kg de vapor / m² . hora);

dificuldades para instalação de economizador,

superaquecedor e pré-aquecedor.

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GERADORES DE VAPOR

CALDEIRAS AQUATUBULARES:

Neste tipo de caldeira, os gases quentes circulam pela

parte externa dos tubos e a água se encontra na parte

interna dos mesmos, dispostos na forma de paredes

d’água ou de feixes tubulares.

GERADORES DE VAPOR

CALDEIRAS AQUATUBULARES:

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GERADORES DE VAPOR

CALDEIRAS AQUATUBULARES:

São caldeiras mais difíceis de serem construídas e

necessitam de maior controle na operação. Suas

características operacionais são: Alta produção de

vapor, chegando a 750ton/h – normalmente entre 15 e

150ton/h e alta pressão de operação, normalmente

entre 90kgf/cm² a 100kgf/cm².

GERADORES DE VAPOR

CALDEIRAS AQUATUBULARES:

A produção de vapor ocorre nos tubos que interligam dois (paredes de água) ou mais reservatórios cilíndricos, chamados coletores ou tubulões:

Tubulão superior – onde ocorre a separação da fase líquida e do vapor;

Tubulão inferior – onde é feita a adição de água e decantação e purga do material sólido e em suspensão;

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GERADORES DE VAPOR

CALDEIRAS AQUATUBULARES:

Tubulão

Superior

Tubulão

Inferior

Entrada

de Água

GERADORES DE VAPOR

CALDEIRAS AQUATUBULARES:

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GERADORES DE VAPOR

CALDEIRAS AQUATUBULARES:

A circulação de água entre o tubulão superior e inferior

pode ser por:

Convecção natural: Quando a diferença de

densidade faz com que a água circule entre os

tubulões;

Circulação assistida: Quando se utiliza uma bomba

para circular o líquido entre os tubulões;

GERADORES DE VAPOR

CALDEIRAS AQUATUBULARES:

Convecção natural:

Circulação assistida:

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GERADORES DE VAPOR

CALDEIRAS AQUATUBULARES:

A circulação da água nas caldeiras ocorre por

diferenças de densidade, provocada pelo aquecimento

da água e vaporização, ou seja circulação natural. Se

a circulação for deficiente, poderá ocorrer um

superaquecimento localizado, com conseqüente

ruptura dos tubos.

GERADORES DE VAPOR

CALDEIRAS AQUATUBULARES:

Algumas caldeiras com circulação positiva podem

apresentar bombas externas, dependendo da vazão

exigida, ou seja, da demanda de vapor para forçar a

circulação de água ou vapor, independentemente da

circulação natural,isto é, por diferença de densidade.

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GERADORES DE VAPOR

CALDEIRAS AQUATUBULARES:

Há duas seções distintas de transferência de calor

nesse tipo de caldeira:

Seção de radiação: A troca de calor ocorre por

radiação direta da chama aos tubos de água, os

quais geralmente delimitam a câmara de

combustão.

Seção de convecção: A troca de calor se dá por

convecção forçada, dos gases quentes que saíram

da câmara de combustão atravessando um banco

de tubos de água.

GERADORES DE VAPOR

CALDEIRAS AQUATUBULARES:

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GERADORES DE VAPOR

CALDEIRAS AQUATUBULARES:

Paredes de água

Totalmente integrais: Quando um tubo esta

encostado no outro formando uma parede

impermeável aos gases;

Tubos aletados: Quando há aletas soldadas nos

tubos, interligando um tubo ao outro;

Tubos espaçados e parede refratária: O calor que

não atinge diretamente o tubo é re-irradiado pelo

revestimento refratário;

GERADORES DE VAPOR

CALDEIRAS AQUATUBULARES:

Paredes de água

Totalmente integrais:

Tubos aletados:

Tubos espaçados e parede refratária:

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GERADORES DE VAPOR

CALDEIRAS AQUATUBULARES:

GERADORES DE VAPOR

CALDEIRAS AQUATUBULARES:

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GERADORES DE VAPOR

CALDEIRAS AQUATUBULARES:

Particularidades das aquatubulares:

Não existe preferência ao se utilizar combustíveis.

Recomendado para situações onde há grande

demanda de vapor.

GERADORES DE VAPOR

CALDEIRAS AQUATUBULARES:

Vantagens e desvantagens das caldeiras

flamotubulares.

Como vantagens, apresentam:

alto rendimento térmico;

altas pressões de operação;

relativa facilidade de inspeção;

relativa facilidade para instalação de economizador,

superaquecedor e pré-aquecedor.

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GERADORES DE VAPOR

CALDEIRAS AQUATUBULARES:

Vantagens e desvantagens das caldeiras

aquatubulares.

As principais desvantagens das caldeiras deste tipo

são:

custo de aquisição alto;

custo de manutenção alto;

exigem muita alvenaria;

demorada a partida e a parada do equipamento.

GERADORES DE VAPOR

CALDEIRAS MISTAS

A necessidade de utilização de combustíveis sólidos

para caldeiras pequenas fez surgir as caldeiras mistas.

Basicamente são caldeiras flamotubulares com uma

antecâmara de combustão com paredes revestidas de

tubos de água. Na antecâmara se dá a combustão de

sólidos usando grelhas de diversos tipos e

possibilitando o volume de câmara necessários aos

combustíveis sólidos, como: lenha em toras, cavacos,

etc,

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GERADORES DE VAPOR

CALDEIRAS MISTAS:

GERADORES DE VAPOR

CALDEIRAS MISTAS:

Não possuem todas as vantagens da aquatubular,

como: segurança, maior eficiência térmica, etc. É uma

solução prática e eficiente quando se tem

disponibilidade de combustível sólido a baixo custo.

Podem usar combustível líquido ou gasoso, com

queimador apropriado.

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GERADORES DE VAPOR

CALDEIRAS MISTAS:

Equipamentos que apresenta relativa facilidade na

construção e operação, apresentam:

Média produção de vapor – cerca de 3 até 25 ton/h.

Pressão de operação – 15kgf/cm² a 30kgf/cm².

GERADORES DE VAPOR

CR

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GERADORES DE VAPOR

LF

GERADORES DE VAPOR

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GERADORES DE VAPOR

PONTOS COMPLEMENTARES.

NÃO DISCUTIDOS EM AULA.

PRINCIPAIS FABRICANTES DE EQUIPAMENTOS.

VALOR DO INVESTIMENTO PARA AQUISIÇÃO.

PRINCIPAIS COMBUSTIVEIS UTILIZADOS.

CONSULTAR EMPRESAS MADEIREIRAS.