manual vapor

EFICINCIA ENERGTICA NO USO DE VAPOR

MANUAL PRTICO

CrditosTrabalho elaborado no mbito do contrato realizado entre a ELETROBRS/PROCEL e o consrcio EFFICIENTIA/FUPAI MME - MINISTRIO DE MINAS E ENERGIA Esplanada dos Ministrios Bloco U - CEP. 70.065-900 Braslia DF www.mme.gov.br Ministra Dilma Rousseff ELETROBRS/PROCEL Av. Rio Branco, 53 - 20 andar - Centro - CEP 20090-004 - Rio de Janeiro RJ www.eletrobras.com/procel - [email protected] Presidente Silas Rondeau Cavalcante Silva Diretor de Projetos Especiais e Desenvolvimento Tecnolgico e Industrial e Secretrio Executivo do PROCEL Alosio Marcos Vasconcelos Novais Chefe de Departamento de Planejamento e Estudos de Conservao de Energia e Coordenador Geral do Projeto de Disseminao de Informaes de Eficincia Energtica Renato Pereira Mahler Chefe da Diviso de Suporte Tcnico de Conservao de Energia e Coordenador Tcnico do Projeto de Disseminao de Informaes de Eficincia Energtica Luiz Eduardo Menandro Vasconcellos Chefe da Diviso de Planejamento e Conservao de Energia Marcos de Queiroz Lima Chefe de Departamento de Projetos Especiais George Alves Soares Chefe da Diviso de Desenvolvimento de Projetos Setoriais de Eficincia Energtica Fernando Pinto Dias Perrone Chefe da Diviso de Desenvolvimento de Projetos Especiais Solange Nogueira Puente Santos EQUIPE TCNICA Coordenador Geral Marcos Luiz Rodrigues Cordeiro Apoio Tcnico Humberto Luiz de Oliveira

CONSRCIO EFFICIENTIA/FUPAI EFFICIENTIA Av. Afonso Pena, 1964 7 andar Funcionrios CEP 30130-005 Belo Horizonte MG www.efficientia.com.br - [email protected] Diretor Presidente da Efficientia Elmar de Oliveira Santana Coordenador Geral do Projeto Jaime A. Burgoa / Tlio Marcus Machado Alves Coordenador Operacional do Projeto Ricardo Cerqueira Moura Coordenador do Ncleo Gestor dos Guias Tcnicos Marco Aurlio Guimares Monteiro Coordenador do Ncleo Gestor Administrativo-Financeiro Cid dos Santos Scala FUPAI Fundao de Pesquisa e Assessoramento Indstria Rua Xavier Lisboa, 27 Centro CEP 37501-042 Itajub MG www.fupai.com.br [email protected] Presidente da FUPAI Djalma Brighenti Coordenador Operacional do Projeto Jamil Haddad * Luiz Augusto Horta Nogueira * Coordenadora do Ncleo Gestor Administrativo-Financeiro Heloisa Sonja Nogueira EQUIPE TCNICA Apoio Tcnico Adriano Jack Machado Miranda Maria Aparecida Morangon de Figueiredo Micael Duarte Frana Fotografia Eugnio Paccelli AUTORES Luiz Augusto Horta Nogueira *, Carlos Roberto Rocha, Fbio Jos H. Nogueira * Co-autor: Marco Aurlio Guimares Monteiro* Professores da Universidade Federal de Itajub

ApresentaoCriado em 1985, pelo Governo Federal, o Programa Nacional de Conservao de Energia Eltrica (PROCEL) coordenado pelo Ministrio de Minas e Energia e implementado pela ELETROBRS. O objetivo principal do PROCEL contribuir para a reduo do consumo e da demanda de energia eltrica no pas, por meio do combate ao desperdcio deste valioso insumo. A ELETROBRS/PROCEL mantm estreito relacionamento com diversas organizaes nacionais e internacionais cujos propsitos estejam alinhados com o citado objetivo. Dentre elas, cabe ressaltar o Banco Mundial (BIRD) e o Global Environment Facility (GEF), os quais tm se constitudo em importantes agentes financiadores de projetos na rea da eficincia energtica. Nesse contexto, o GEF, que concede suporte financeiro a atividades relacionadas com a mitigao de impactos ambientais, como o uso racional e eficiente da energia, doou recursos ELETROBRS/PROCEL, por intermdio do BIRD, para o desenvolvimento de vrios projetos. Dentre eles, destaca-se o projeto Disseminao de Informaes em Eficincia Energtica, concebido e coordenado pela ELETROBRS/PROCEL e realizado pelo Consrcio Efficientia/ Fupai, com o apoio do Programa das Naes Unidas para o Desenvolvimento (PNUD), que objetiva divulgar informaes sobre tecnologias de uso eficiente de energia para os profissionais dos setores industrial, comercial, prdios pblicos e saneamento, difundindo aspectos tecnolgicos e operacionais que permitam reduzir o desperdcio de energia eltrica. O objetivo deste manual instrumentalizar os interessados com informaes teis e prticas, capacitando-os para identificar oportunidades de reduo de custos e de consumo de energia em seu sistema.

SumrioINTRODUO ............................................................................................................... 9 Parte I - PLANO DE AO ............................................................................................. 13 1 - CARACTERIZAO DO SISTEMA E DA INSTALAO ONDE EST INSERIDO ....... 13 1.1 - Conhecimento de um sistema de vapor genrico ............................................................ 13 1.2 - Conhecimento do sistema de vapor especfico da sua empresa ................................ 15 2 - IDENTIFICAO E SELEO DAS OPORTUNIDADES DE MELHORIAS .................. 16 2.1 - Oportunidades de melhoria em um sistema de vapor geral ........................................ 17 2.2 - Oportunidades de melhoria em sistema de vapor especfico da sua empresa ..... 19 3 - IMPLEMENTAO DAS AES DEFINIDAS ............................................................ 20 3.1 - Implementao de melhorias em um sistema de vapor genrico ............................. 20 3.2 - Implementao de melhorias no sistema de vapor especfico da sua empresa ... 20 4 - AVALIAO DOS RESULTADOS E REINCIO DO CICLO DO PLANO DE AES ...... 21 Parte II - OPORTUNIDADES DE MELHORAR A EFICINCIA ......................................... 25 1 - IDENTIFICAO DAS OPORTUNIDADES NA GERAO DE VAPOR ...................... 25 1.1 - Identificao dos fatores que afetam a eficincia na gerao de vapor ................... 25 1.2 - reas de oportunidade para melhorar a eficincia na gerao .................................. 30 1.2.1 - Reduo de perdas nos gases da chamin ...................................................................... 31 1.2.2 - Reduo do nvel de excesso de ar e melhoria da eficincia da combusto ...... 34 1.2.3 - Recuperao de calor dos gases de escape pela utilizao de economizador .. 35 1.2.4 - Recuperao de calor dos gases de escape usando pr-aquecedor de ar .......... 36 1.2.5 - Reduo de perdas de calor por radiao e conveco (perda no envoltrio da caldeira) .................................................................................................................................... 37 1.2.6 - Recuperao de calor da descarga de fundo (blowndown) ...................................... 38 1.2.7 - Reduo das perdas de calor associadas umidade do combustvel ................... 39 1.3 - Exemplos ........................................................................................................................................... 39 1.3.1 - Clculo da eficincia de caldeiras pelo Mtodo Direto ............................................... 39 1.3.2 - Clculo da eficincia de caldeiras pelo Mtodo Direto ............................................... 41 1.3.3 - Clculo da eficincia de caldeiras pelo Mtodo Indireto ............................................ 42

1.3.4 - Clculo da eficincia de caldeiras pelo Mtodo Indireto ............................................ 44 1.3.5 - Influncia da temperatura da gua de alimentao no consumo de combustvel 45 1.4 - Sugestes para identificar oportunidades na gerao ................................................... 47 2 - IDENTIFICAO DE OPORTUNIDADES NA DISTRIBUIO DE VAPOR ................. 48 2.1 - Identificao dos fatores que afetam a eficincia na distribuio de vapor ........... 48 2.2 - reas de oportunidade de melhoria de eficincia na distribuio ............................. 48 2.2.1 - Vazamento de vapor ................................................................................................................. 49 2.2.2 - Reduo de perda de calor atravs da isolao trmica ............................................. 50 2.2.3 - Recuperao do condensado ................................................................................................ 58 2.2.4 - Recuperao do vapor flash ................................................................................................... 59 2.3 - Exemplos .......................................................................................................................................... 61 2.3.1 - Clculo do valor econmico do condensado .................................................................. 61 2.3.2 - Clculo da viabilidade do retorno do condensado ....................................................... 63 2.3.3 - Clculo da quantidade de vapor flash no condensado ............................................... 63 2.4 - Sugestes para identificar de oportunidades na distribuio ...................................... 65 3 - IDENTIFICAO DE OPORTUNIDADES NO USO FINAL DE VAPOR ....................... 66 3.1 - Identificao dos fatores que afetam a eficincia no uso final ..................................... 66 3.2 - reas de oportunidade de melhoria de eficincia no uso final ................................... 66 3.2.1 - Utilizao de vapor direto ....................................................................................................... 67 3.2.2 - Reduo de perda de calor em equipamento de uso de vapor indireto .............. 67 3.2.3 - Recobrimento de recipientes abertos e aquecidos ...................................................... 70 3.3 - Exemplos ........................................................................................................................................... 71 3.3.1 - Clculo de rendimento em trocador de calor ................................................................. 71 3.3.2 - Clculo de rendimento em um pasteurizador ................................................................ 72 3.4 - Sugestes para identificao de oportunidades ............................................................... 73 4 - ASPECTOS ECONMICOS ........................................................................................ 75 4.1 - Benchmarking para o custo de vapor .................................................................................... 75 4.2 - ndices de referncia de custo de gerao de vapor nos EUA ...................................... 76 4.3 - ndices de referncia de custo de gerao de vapor no Brasil ..................................... 77 4.4 - Custo efetivo do vapor ................................................................................................................ 80 Parte III - FONTES DE CONSULTA ................................................................................. 85 1 - REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ............................................................................. 85 2 - LINKS TEIS ............................................................................................................. 87 APNDICES .................................................................................................................... 91

MANUAL PRTICO - EFICINCIA ENERGTICA EM SISTEMAS DE VAPOR

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IntroduoOs sistemas de vapor so de grande importncia industrial em processos que necessitam de uma fonte de energia trmica. O vapor de gua como vetor de transporte de energia trmica traz grandes vantagens, que explicam sua grande disseminao, pois a gua uma substncia facilmente disponvel, pouco agressiva quimicamente e com grande capacidade de transportar energia. Na gerao e na utilizao do vapor ocorrem mudanas de fase, tanto na vaporizao quanto na condensao, que causam grandes variaes de volume, resultando em elevado coeficiente de transferncia trmica, que, somado alta densidade energtica (calor latente) do vapor, produz elevadas taxas de transferncia de calor por unidade de rea. Portanto, o vapor conjuga de forma muito interessante baixo preo (dependendo do combustvel), alta densidade energtica e elevada taxa de transferncia de energia.

ObjetivoDisponibilizar informaes tcnicas teis e prticas aos profissionais de empresas que possuem sistemas de vapor, capacitando-os a identificar oportunidades de melhoria da eficincia energtica que resultem em reduo de custos e de consumo de energia em seu sistema.

Pblico alvoTcnicos, engenheiros e participantes de Comisses Internas de Energia (CICE) em cujas empresas existam sistemas de vapor e consultores de engenharia e demais profissionais que trabalhem com este sistema.

Orientaes geraisEste Manual faz parte de um conjunto de publicaes editadas pela Eletrobrs/Procel. Apresenta, de forma sucinta, dicas para melhorar a eficincia que contribuam para a reduo de custos e o consumo de energia. Simultaneamente, a Eletrobrs/Procel est editando uma publicao com contedo mais abrangente sobre este tema, para servir de consulta e suporte aos profissionais que desejarem se aprofundar no assunto.

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As oportunidades de eficientizao energtica apontadas neste manual so um extrato dos conceitos e fundamentos apresentados na referida publicao. Assim, ao apresentar as informaes neste manual, procuraremos referenciar ao texto original para o usurio que desejar informaes sobre o assunto. Procurando oferecer uma ferramenta de uso prtico e til, inclumos um CD contendo uma verso eletrnica deste manual, disponibilizando, tambm, textos, planilhas e tabelas que servem para complementar as informaes e auxiliar no desenvolvimento de um programa de eficientizao. O Manual est dividido em quatro partes: 1. PLANO DE AO 2. OPORTUNIDADES PARA MELHORAR A EFICINCIA 3. FONTES DE CONSULTA 4. APNDICE

Naturalmente, o foco do Manual ser a parte 2: oportunidades para melhorar a eficincia. Para facilitar e agilizar a consulta a este Manual, constam no anexo as grandezas e unidades de medida, fatores de converso e as frmulas aqui utilizadas, bem como no texto base. ("EFICINCIA ENERGTICA EM SISTEMAS DE VAPOR")

PARTE I PLANO DE AO

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PARTE I - PLANO DE AOs empresas interessadas em melhorar a eficincia energtica e o desempenho econmico de sistema de vapor, este Manual sugere que os seguintes passos sejam obedecidos:

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CARACTERIZAO DO SISTEMA E DA INSTALAO ONDE EST INSERIDO

Este Manual utiliza quatro categorias para discutir os componentes de um sistema do vapor: gerao; distribuio; uso final; e recuperao. Todas seguem o trajeto do vapor desde que sai da caldeira at o seu retorno, atravs do sistema de recuperao de condensado.

1.1 - Conhecimento de um sistema de vapor genricoO conhecimento de um sistema de vapor genrico caracterstico, com seus componentes bsicos de gerao, distribuio, uso final e recuperao, com as respectivas condies operacionais, pode facilitar a caracterizao de um sistema de vapor em particular (por exemplo, o sistema da sua empresa). A Figura I.1 fornece uma descrio esquemtica das quatro reas principais de um sistema de vapor.

Purgador

Purgador

Figura I.1 - Esquema de um sistema de vapor completo

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Sistemas de gerao de vapor - O vapor gerado em uma caldeira ou em um gerador de vapor pela transferncia do calor dos gases quentes para a gua. Quando a gua absorve quantidade suficiente de calor, muda da fase lquida para a de vapor. A energia para gerar o vapor pode ser obtida da combusto de combustveis ou da recuperao de calor residual de processo. Na caldeira, a transferncia de calor entre os gases quentes e a gua efetuada nas superfcies de troca trmica (geralmente um conjunto de tubos). Aps a gerao do vapor, o efeito da presso faz o vapor fluir da caldeira para o sistema de distribuio. As partes mais importantes de um sistema de gerao incluem: caldeira, sistema de alimentao de combustvel, sistema injeo de ar de combusto, sistema de alimentao de gua e sistema de tiragem dos gases de exausto. Estes sistemas esto relacionados, visto que problemas ou alteraes em um geralmente afetam o desempenho dos outros. Sistemas de distribuio de vapor - A distribuio transporta o vapor da caldeira aos pontos de uso final, entregando quantidades suficientes de vapor nas presses e temperaturas adequadas s aplicaes de uso final. Para isso, muitos sistemas de distribuio tm diversas linhas de transmisso, que operam em diferentes presses. Estas linhas so separadas por vrios tipos de vlvulas de isolao, vlvulas reguladoras de presso e, s vezes, turbinas de contrapresso para reduo da presso, com maior eficincia energtica. O desempenho eficiente do sistema de distribuio requer um correto balanceamento da presso do vapor nas linhas, com regulagem eficaz da presso, boa drenagem de condensado, perfeita estanqueidade e adequada isolao trmica. Sistemas de uso final de vapor - H diferentes aplicaes de uso final para o vapor, incluindo aplicaes em processos de aquecimento, movimentao mecnica, produo de reaes qumicas, limpeza, esterilizao e fracionamento de componentes de hidrocarboneto em misturas. Os equipamentos mais comuns de sistema de uso final de vapor so: trocadores de calor, turbinas, torres de fracionamento e tanques de reao qumica. Em um trocador de calor, o vapor transfere seu calor latente a um lquido de processo. O vapor mantido no trocador de calor por um purgador de vapor at que se condense. Neste ponto, o purgador deixa passar o condensado para a linha de drenagem de condensado, ou sistema do retorno de condensado. Em uma turbina, o vapor transforma sua energia trmica em trabalho mecnico, para acionar mquinas rotativas, tais como: bombas, compressores, ou geradores eltricos. Em torres de fracionamento, o vapor facilita a separao de vrios componentes de um lquido processo. Sistema de retorno de condensado - O sistema de retorno de condensado envia o condensado de volta caldeira. O condensado retornado inicialmente ao tanque coletor ou tanque de condensado. Do tanque coletor, o condensado bombeado para o desaerador, o qual retira oxignio e gases no-condensveis. gua de alimentao e os produtos qumicos de tratamento podem ser adicionados no tanque ou no desaerador. As


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bombas de alimentao da caldeira aumentam a presso desta gua, a presses superiores da caldeira, injetando-a no interior da caldeira, para completar o ciclo. O conhecimento do balano energtico caracterstico deste sistema pode contribuir muito para a identificao das perdas que reduzem a eficincia do sistema e fornecem um ponto de partida para a identificao de oportunidades e de seleo e implementao de aes de melhorias da eficincia. A Figura I.2 mostra um balano de energia caracterstico com as perdas de um sistema de vapor.

Figura I.2 - Diagrama de balano de energia com as perdas do sistema

1.2 - Conhecimento do sistema de vapor especfico da sua empresaPara caracterizar um sistema de vapor especfico, sugerem-se os seguintes passos: a) Elaborar um diagrama de blocos das instalaes da planta ou dos processos industriais, indicando onde o vapor aplicado.

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b) Com base no leiaute da planta ou instalao industrial, indicar a localizao dos componentes do sistema de vapor e as condies operacionais nominais ou de projeto (temperaturas, presses, vazes). c) Criar um perfil dos "parmetros operacionais" (demanda de vapor; produo de vapor; consumo de combustvel; presso e/ou temperatura do vapor na gerao; e distribuio) do sistema ao longo do dia, semana, ms e ano, o que for necessrio para entender o funcionamento do sistema e verificar sazonalidades ou no. d) Levantar os dados reais (medies). A partir da instrumentao existente ou de medies instantneas, verificar os valores reais dos parmetros operacionais. Levantar o regime de funcionamento, picos de carga, consumo e capacidades totais e por perodo. Simultaneamente, deve-se contabilizar a produo ou consumo que ocorreu no perodo de medio.

Os ndices de referncia (benchmarks) mais usuais nos sistemas de vapor, normalmente, so os de custo unitrio de produo de vapor, eficincia energtica da caldeira e consumo especfico por produto: - O custo unitrio de produo do vapor relaciona a quantidade de combustvel consumido e seu preo para produzir um quilo de vapor. - A eficincia energtica da caldeira est relacionada com a quantidade de energia que a caldeira transfere do combustvel para o vapor. - O consumo especfico por produto, ou a necessidade de energia do produto final, quantidade de vapor necessria a produo de uma unidade ou um quilo de produto.

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IDENTIFICAO E SELEO DAS OPORTUNIDADES DE MELHORIAS

Quando se busca a melhoria da eficincia de um sistema de vapor especfico, a principal etapa a identificao das oportunidades.


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2.1 - Oportunidades de melhoria em um sistema de vapor geralMuitas oportunidades de melhorar a eficincia em sistema de vapor so comuns em muitas instalaes industriais. Estas oportunidades podem ser classificadas de acordo com a parte do sistema na qual so implementadas. Oportunidades comuns de melhorar a eficincia para as reas de gerao, distribuio e recuperao de um sistema de vapor esto listadas nos Tabelas I.1 a I.3. Tabela I.1 - Oportunidades de melhorar a eficincia na gerao

OPORTUNIDADES NA GERAO

DESCRIO R e d u z i r a q u a n t i d a d e d e c a l o r p e rd i d o n o s g a s e s d e e s c a p e n a c h a m i n , p e r mitindo que maior quantidade de energia d o c o m b u s t ve l s e j a t r a n s fe r i d a p a r a o vapor.

Minimizar o excesso de ar.

Limpar as superfcies de transferncia de Promover a efetiva transferncia de calor calor da caldeira. dos gases de combusto para o vapor. Instalar equipamentos de recuperao de calor (economizadores para a gua de alimentao ou pr-aquecedores para o ar de combusto). Aperfeioar o tratamento de gua, para minimizar as descargas de fundo da caldeira. Recuperar o calor disponvel nos gases de e x a u s t o e t r a n s fe r i - l o d e vo l t a p a r a o sistema pelo pr-aquecimento da gua de alimentao ou do ar de combusto. Reduzir a quantidade total de slidos dissolvidos na gua da caldeira, o que permite reduzir as descargas e, portanto, perder menos energia. Transferir o calor disponvel no fluxo da d e s c a r g a d e f u n d o d a c a l d e i r a d e vo l t a para o sistema, reduzindo a perda de energia. Reduzir as perdas de calor da caldeira e restaurar a eficincia da caldeira.

Recuperar a energia da descarga de fundo da caldeira. Adicionar / restaurar os refratrios da caldeira.

Otimizar a taxa de descarga de vapor no Minimizar as perdas de calor evitveis. desaerador.

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Tabela I.2 - Oportunidades de melhorar a eficincia na distribuioOPORTUNIDADES NA DISTRIBUIO Consertar os vazamento de vapor. Minimizar as descargas de vapor. DESCRIO Minimizar as perdas de calor evitveis. Minimizar as perdas de calor evitveis.

Assegurar que as tubulaes, vlvulas, Reduzir as perdas de energia das superconexes e tanques do sistema de vapor fcies da tubulao e dos equipamentos. estejam bem isolados. Reduzir a passagem de vapor vivo para o sistema de condensado e promover uma o p e r a o e f i c i e n t e d e t r a n s fe r n c i a d e calor no equipamento de uso final do vapor. Minimizar as perdas de calor evitveis e reduzir perdas de energia das superfcies das tubulaes e dos equipamentos. Providenciar um mtodo mais eficiente de reduo da presso de vapor para servios de baixa presso.

Implementar programa efetivo de manuteno dos purgadores de vapor.

Isolar (bloquear) as linhas de vapor fora de uso. Utilizar turbinas de contrapresso, ao invs de vlvulas redutora de presso.

Tabela I.3 - Oportunidades de melhorar a eficincia na recuperaoOPORTUNIDADES NA RECUPERAO DESCRIO Recuperar a energia trmica do condensado e reduzir a quantidade de gua de alimentao adicionada ao sistema, economizando energia e produtos qumicos de tratamento.

Otimizar a recuperao de condensado.

Usar o condensado de alta presso para Explorar a energia disponvel no condenproduzir vapor de baixa presso. sado retornvel.

A Tabela I.4 resume as oportunidades de economia de energia identificadas e est baseada em auditorias realizadas em 62 instalaes industriais de caldeira com um consumo de gs natural de aproximadamente 500 bilhes de litros/ano.


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Tabela I.4 - Oportunidades de economizar em sistema de vapor

REAS PARA MELHORIA Combusto Projeto da instalao da caldeira Recuperao de calor Mudanas operacionais Vapor e sistema de retorno de condensado Reduo de Presso Sistema de distribuio TOTAL

COMBUSTVEL ECONOMIZADO 1,6 % 2,0 % 3,0 % 2,8 % 1,6 % 2,0 % 5,8 % 18,8 %

2.2 - Oportunidades de melhoria em sistema de vapor especfico da sua empresaCom o objetivo de identificar oportunidades de economizar combustvel e de melhorar a qualidade do sistema de vapor, sugerem-se que os seguintes passos sejam obedecidos: a) Obter os ndices de referncia (benchmarks). Os principais so: custo unitrio de produo do vapor, eficincia da caldeira e necessidade de energia do produto final. Estes ndices podem ser de valores histricos ou de outras empresas com processo semelhante. Cuidado com as condies de contorno, como presso do vapor, faixa de temperatura, porte da instalao, tipo de tecnologia empregada e condies ambientais. Documentar bem esta etapa, inclusive com fotos. b) Estabelecer metas de reduo. No estabelea metas para valores absolutos; isto , no se deve procurar reduzir kWh ou kcal, mas sim kWh/t processada, kcal/R$ faturado, etc. c) Identificar as oportunidades de melhoria (para obtermos mais detalhes, consulte a parte II deste Manual). Na procura de oportunidades por equipamento, processo ou rea, as questes seguintes devem estar na mente da equipe: - Vapor a melhor opo? H alternativas mais econmicas? - Posso realizar aquela atividade com menos vapor? - Posso diminuir a quantidade ou o tempo de utilizao?

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d) Estabelecer as aes necessrias para converter uma oportunidade identificada em melhoria concreta ou realizada. e) Levantar a relao custo/beneficio para cada ao. Considerar custos de investimento, de manuteno e operacionais, assim como ciclo de vida da medida. Comparar com os benefcios tangveis (reduo de custos de energia, insumos e mo-de-obra) e qualitativos (impacto ambiental, melhoria da imagem, maior conforto e mais segurana). f) Selecionar as aes a serem priorizadas. Inicialmente, estabelecer critrios e prrequisitos, compatveis com a realidade da empresa, tais como: disponibilidade de recursos, prazo de implantao, influncia sobre a produo ou servio prestado e "patrocinadores". Classificar aes em de pouco, mdio ou alto investimento; com ou sem parada de produo; curto, mdio ou longo prazo; abrangncia (no uso final, na distribuio, recuperao e/ou na gerao); aquelas que podem ser desenvolvidas por equipe prpria ou por terceiros; complexas ou no; baixo ou alto impacto. A partir dos critrios e classificaes, priorizar e escolher as aes/medidas que sero implementadas, primeiramente.

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IMPLEMENTAO DAS AES DEFINIDAS

3.1 - Implementao de melhorias em um sistema de vapor genricoComo referncia para a implementao de melhorias, podem-se estudar casos publicados na literatura ou consultar os fornecedores de equipamentos e/ou componentes a serem utilizados sobre as melhores prticas a serem adotadas.

3.2 - Implementao de melhorias no sistema de vapor especfico da sua empresaa) Planejar todas as atividades necessrias. b) Confirmar a disponibilidade de recursos (materiais, financeiros, humanos e de tempo). c) Implementar a medida. d) Documentar as atividades e custos. e) Medir as melhorias obtidas (medir o sucesso da implantao). Do mesmo modo que no incio, fazer o levantamento dos dados da nova situao e estabelecer novos ndices e


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rendimentos. Ajustar os ndices para as condies atuais, caso elas tenham se modificado ao longo da implantao da medida (aumento de produo, novos produtos ou servios, poca do ano, etc.). f) Comparar com a meta estabelecida; justificar ou ajustar no conformidades. g) Corrigir as dificuldades que surgiram.

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AVALIAO DOS RESULTADOS E REINCIO DO CICLO DO PLANO DE AES

O resultado de qualquer ao implementada deve ser avaliado, e seu impacto no sistema deve ser analisado. Determinar se a ao j pode ser considerada concluda e reiniciar o ciclo do Plano de Ao para outras oportunidades identificadas.

Figura I.3 - Ciclo de implementao do plano de ao Antes de atuar na gerao, recomenda-se priorizar as aes de melhorias na utilizao final do vapor, atuando na necessidade de energia do produto final e nos sistemas de distribuio, nessa ordem, pois os ganhos nestas reas sero refletidos de modo ampliado na gerao. Caso contrrio, corre-se o risco de a gerao ficar superdimensionada.

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Resumo do Plano de Ao de acordo com a abordagem sistmica ("systems approach")A abordagem sistmica analisa ambos os lados do sistema - a demanda e o fornecimento - e o modo como se interagem, essencialmente, transferindo o foco dos componentes individuais para a ateno no desempenho global do sistema. Muitas vezes, os operadores esto to focados nas demandas imediatas dos equipamentos que no tm conhecimento de como os parmetros do sistema afetam o equipamento. Similarmente, a abordagem comum da engenharia consiste em explodir (subdividir) o sistema em seus componentes bsicos ou mdulos, otimizar a escolha (seleo) ou projeto destes componentes e, ento, montar estes componentes para formar o sistema. Uma vantagem desta abordagem que ela simplifica os problemas. Entretanto, uma desvantagem que freqentemente negligencia a interao entre estes componentes. De outro lado, a abordagem sistmica avalia o sistema de forma global, para determinar como as necessidades de uso final podem ser mais efetivamente e eficientemente servidas. O aperfeioamento e a manuteno do sistema de ar comprimido no seu melhor desempenho requerem no somente a ateno aos componentes individuais, mas tambm a anlise de ambos os lados do sistema, do suprimento e da demanda assim como o modo como eles interagem. A aplicao da abordagem sistmica usualmente envolve os tipos de aes relacionadas nesta parte do Manual.

PARTE II OPORTUNIDADES DE MELHORAR A EFICINCIA

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PARTE II - OPORTUNIDADES DE MELHORAR A EFICINCIAPara identificar as oportunidades de melhorar a eficincia energtica e o desempenho econmico de sistema de vapor, este Manual sugere que a seguinte metodologia seja seguida:

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IDENTIFICAO DAS OPORTUNIDADES NA GERAO DE VAPOR

A abordagem sistmica analisa ambos os lados do sistema, o da demanda e o do fornecimento, bem assim o modo como eles se interagem, essencialmente transferindo o foco dos componentes individuais para o desempenho global do sistema. Muitas vezes, os operadores esto to focados nas demandas imediatas dos equipamentos que negligenciam a noo de como os parmetros do sistema afetam o equipamento. Similarmente, a abordagem comum da engenharia consiste em explodir (subdividir) o sistema em seus componentes bsicos ou mdulos, otimizar a escolha (seleo) ou projeto destes componentes e, ento, montar estes componentes para formar o sistema. Uma vantagem desta abordagem que ela simplifica os problemas. Entretanto, uma desvantagem que freqentemente negligencia a interao entre estes componentes. De outro lado, a abordagem sistmica avalia o sistema de forma global para determinar como as necessidades de uso final podem ser mais efetivamente e eficientemente servidas. A abordagem sistmica tambm reconhece que a eficincia, a confiabilidade e o desempenho do sistema esto intimamente relacionados. Por exemplo, uma perda de eficincia como a de calor atravs das superfcies no isoladas da tubulao reduz a energia disponvel para uso final e exige das caldeiras maior esforo para atender a mesma demanda. Muitas vezes, a perda de energia cria um estresse adicional no sistema que acelera o desgaste e pode criar cargas para os quais o sistema no foi originalmente projetado.

1.1 - Identificao dos fatores que afetam a eficincia na gerao de vaporA eficincia energtica de um sistema, de maneira geral, indica o quanto um equipamento real aproxima-se de um comportamento ideal, no qual no existem perdas. A eficincia pode ser calculada pelo quociente entre a energia produzida pela caldeira na forma de vapor e o consumo de energia do combustvel. A energia do vapor pode ser definida pelo produto entre a vazo em massa de vapor e o ganho de entalpia observado na gua, em sua transformao de gua de alimentao em vapor, assim:

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=em que:

& mv ( hvs hae ) & mc PCI

& m v - vazo em massa de vapor (kg/h); & m c - vazo em massa de combustvel (kg/h); hae - entalpia da gua na entrada (kJ/kg); hvs - entalpia do vapor de sada (kJ/kg); e PCI - poder calorfico inferior do combustvel queimado (kJ/kg).

& & Como se pode verificar, so os fatores ou variveis m v ; m c ; hvs; hae e PCI que afetam a eficincia da caldeira na gerao de vapor. Um estudo, utilizando uma abordagem sistmica sobre como estes fatores esto relacionados s condies operacionais da caldeira pode revelar informaes importantes para a identificao de oportunidades de melhorias da eficincia da caldeira.Como o objetivo da gerao de vapor atender demanda de vapor requerida pelo sistema de uso final na quantidade e qualidade necessria para aplicao em seus processos, podese exemplificar como estes fatores esto relacionados s condies de operao da caldeira a partir da demanda.

& - Vazo em massa de vapor ( m v ) - representa a quantidade de vapor produzido (kg/h) pela caldeira. Depende diretamente da demanda de vapor (sistema de uso final) e indica o nvel de carga da caldeira.

& - Vazo em massa de combustvel ( m c ) - representa a quantidade de combustvel & consumido (kg/h) pela caldeira para produzir ( m v ). Depende diretamente do poder calorfico inferior do combustvel queimado (PCI), que representa uma qualidade do combustvel.- Entalpia do vapor na sada da caldeira (hvs) - representa a energia trmica (kJ/kg) contida no vapor. uma qualidade do vapor gerado, que est diretamente relacionada com a presso e a temperatura de trabalho da caldeira, bem assim com o projeto da caldeira (vapor saturado ou vapor superaquecido). - Entalpia da gua na entrada da caldeira (hae) - representa a energia trmica (kJ/kg) contida na gua de alimentao da caldeira. Depende da temperatura da gua (C). - Poder calorfico inferior do combustvel queimado (PCI) - representa a energia contida no combustvel (kJ/kg) que pode ser transferida ao vapor e depende do tipo de combustvel utilizado e da umidade do combustvel.


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A partir das informaes acima expostas, podem-se levantar as seguintes premissas: - Quanto maior a demanda de vapor, maior ser a produo, aumentando a carga de trabalho da caldeira e a quantidade de combustvel queimado e de gua consumida. - Quanto maior a presso e/ou temperatura do vapor, maior ser sua entalpia (energia), requerendo mais combustvel para produzir uma mesma quantidade de vapor. - Quanto mais alta a temperatura da gua, menos energia ser necessria para produo do vapor. - A quantidade de gua consumida est diretamente relacionada quantidade de vapor produzido mais as perdas (descarga de fundo, vazamentos etc,). - Etc. Exemplo de utilizao da abordagem sistmica para analisar o efeito combinado de vrios fatores no resultado global de eficincia da caldeira. - A eficincia da caldeira est relacionada com a quantidade de energia que a caldeira transfere do combustvel para o vapor. Para que esta transferncia ocorra, h a necessidade de superfcies de troca trmica, que um parmetro de projeto da caldeira. Assim, o tamanho destas superfcies tem um limite definido, que, por sua vez, define a quantidade de energia a ser transferida para produo de vapor. Com isso, se a produo de vapor continuar a aumentar alm da carga mxima projetada para a caldeira, a eficincia cair drasticamente, pois mesmo queimando mais combustvel a quantidade de calor transferida limitada, resultando em maior consumo de combustvel por quantidade de vapor produzido. A eficincia tambm pode ser analisada a partir das perdas que ocorrem no sistema de gerao:

= 1

Perdas qf

Esta equao pode tambm ser apresentada da seguinte forma:

= 1 K +em que:

(a / c + 1) c p (TCH TRe f ) PCI

K - representa a somatria de todas as perdas, exceto as perdas pela chamin, correspondendo, tipicamente, menor parcela das perdas;

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- coeficiente de excesso de ar na combusto, relacionando o ar real fornecido com o ar terico requerido pelo combustvel; a / c - relao ar/combustvel estequiomtrica; CP - calor especfico mdio entre as temperaturas TCH e TRef.; TCH - temperatura dos gases na chamin; TR - temperatura de referncia adotada; e PCI - poder calorfico inferior do combustvel. Perdas de calor nos gases de exausto na chamin. As perdas de calor do combustvelpelos gases da chamin podem ser divididas em duas parcelas principais: perdas associadas aos gases secos formados na combusto; e perdas associadas ao vapor presente na chamin. A perda associada entalpia dos componentes do gs seco gerado na combusto (PGS) pode ser representada por:

GS = (mCO2 cPCO + mSO2 cPSO + mO2 cPO + mN 2 cPN ) (TCH TR )2 2 2 2

em que: mi - massa do componente i formado na combusto, (kg/kg de comb.); cPi - calor especifico mdio entre as temperaturas TCH e TRef., (kJ/kg.C); TCH - temperatura dos gases na chamin, (C); e TR - temperatura de referncia adotada. (C). Em termos de clculos prticos, considera-se que grande parte dos gases constituda de nitrognio atmosfrico. A equao anterior pode ser substituda, sem incorrer em grandes erros, por:

em que: mGS - vazo mssica dos gases de combusto (kg/kg de comb.); e cPar - calor especfico mdio do ar entre TCH e TR, (kJ/kg C). As perdas associadas ao vapor presente na chamin sero abordadas no item Perdas associadas umidade do combustvel. Tambm fazem parte da perda pela chamin as perdas associadas presena de monxido de carbono e fuligem nos gases de combusto. Estas perdas, na maioria das vezes, no so significativas, pois os geradores de vapor devem operar com um excesso de ar mnimo que assegure a combusto completa do combustvel.


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Perdas por radiao e conveco. A determinao das perdas por radiao e convecopelo costado das caldeiras , geralmente, difcil de avaliar, devido s diversas e complexas medies necessrias para sua obteno. Existe uma metodologia desenvolvida pela ASME que pode facilitar este clculo. De maneira geral, pode-se adotar que estas perdas variam de 1% a 10% da energia fornecida, sendo que as perdas de maior valor so para equipamentos de menor porte, operando em cargas parciais.

Perdas por descarga de fundo (purga ou "blowndown"). Esta parcela est relacionadacom a perda de energia causada pelo fluxo de gua retirada na descarga, realizada para manter a concentrao de sais na gua dentro da caldeira em nveis tolerveis, sendo dada por:

p p = m p c Pa (T p TRe f )em que: mp - vazo mdia de gua purgada (kg/kg de comb.); cPa - calor especfico da gua no estado lquido (kJ/kgC); e Tp - temperatura de saturao da gua na presso da caldeira (C).

Perdas associadas temperatura das cinzas. Na queima de combustveis slidos, asada de cinzas implica perdas que, a rigor, devem ser calculadas para cada caso especfico. Na prtica, este valor pode ser estimado por meio da equao abaixo (em kJ/kg de combustvel), em que o valor 1170 representa um valor mdio aproximado da entalpia sensvel das cinzas.

PTC = mR 1170em que: mR - massa de cinza obtida pela massa de combustvel (kg/kg de comb.).

Perdas associadas ao combustvel no convertido presente nas cinzas. Para obterse o valor exato desta perda seria necessrio um ensaio para determinar-se o poder calorfico da mistura de cinzas e combustvel no convertido. Como na maioria das vezes isto no possvel, costuma-se realizar a anlise da quantidade de carbono sem queimar nas cinzas, que determinada de maneira mais simples. A partir deste valor, estima-se esta perda (em kJ/kg de combustvel) pela equao apresentada em seguida, em que o valor 33.780 representa um poder calorfico.

PCC = mC 33780

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em que: mC - massa de carbono presente nas cinzas (kg/kg de comb.).

Perdas associadas umidade do combustvel. Essas perdas so importantes quandoa umidade do combustvel alta, caso tpico da lenha e do bagao de cana. Uma parte do calor fornecido usada para aquecer e transformar em vapor a gua presente no combustvel. Quando os clculos so feitos com o PCS do combustvel, soma-se a essa perda a parcela utilizada para transformar em vapor a gua que formada na reao de combusto. No presente Manual, usa-se o PCI e essa energia no precisa ser considerada. Desse modo, as perdas associadas presena de vapor na chamin podem ser calculadas por:

Pv = mV (4,186 (100 TREF ) + cPV (TCH 100) + hLV )em que:

mV - vazo mssica total de vapor na sada da chamin (kg/kg de comb);

TREF - temperatura de referncia (C);cPV - calor especifico mdio do vapor entre TCH e TRef (kJ/kg C); e TCH - temperatura dos gases na chamin (C). 1.2 - reas de oportunidade para melhorar a eficincia na geraoA produo de vapor , basicamente, um processo no qual a energia do combustvel convertida em energia contida no vapor. As caldeiras so os componentes mais intensivos em energia no sistema de vapor. Isto implica que o gerenciamento da energia deve ter foco na caldeira. Muitos fatores so ingredientes chaves no desempenho da caldeira. Tipicamente, as perdas mais significativas associadas operao da caldeira esto na energia perdida nos gases de exausto da chamin. Esta perda diretamente influenciada pela temperatura dos gases de exausto e pela quantidade de excesso de ar fornecido ao processo de combusto. Fatores adicionais que afetam o desempenho da caldeira devem ser considerados. A descarga de fundo essencial para a operao contnua de qualquer caldeira de vapor, sendo tambm uma fonte de perda para a operao da caldeira. Em grande escala, estas perdas podem ser gerenciadas e reduzidas. Perdas de calor no costado da caldeira tambm


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so uma rea de gerenciamento de perda em potencial.

1.2.1 - Reduo de perdas nos gases da chaminAs perdas de calor dos gases de exausto so os maiores componentes de perdas associadas com a operao da caldeira. Muitos fatores esto incorporados nesta categoria de perda, mas os maiores contribuintes so: a temperatura de sada dos gases e a quantidade de excesso de ar. Raramente estas perdas combinadas so inferiores a 8% do total da energia do combustvel e geralmente o resultado superior a 15%. As perdas de calor nos gases da chamin so normalmente determinadas pela anlise da combusto. Estas anlises baseiam-se nos princpios da combusto, sendo os principais dados de entradas ou medidas: a temperatura e o teor de oxignio nos gases da chamin e a temperatura ambiente. As perdas nos gases na chamin requerem um gerenciamento mais rigoroso. A avaliao das perdas na chamin pode ser separada em duas categoriais principais: (1) efeito da temperatura; e (2) efeito do excesso de ar. A eficincia da caldeira depende diretamente da temperatura dos gases na chamin, que um indicativo da eficincia da transferncia de calor dos gases para o vapor. Assim, a temperatura de sada dos gases pode ser afetada por muitos fatores: (a) carga da caldeira; (2) projeto da caldeira; (3) sujeira na superfcie de transferncia de calor lado combusto; (4) sujeira na superfcie de transferncia de calor lado d'gua;(5) passagem direta de gases de exausto devido falha de componentes da caldeira; e (6) excesso de ar.

Carga da caldeira. A temperatura de sada dos gases da chamin afetada pela cargada caldeira (produo de vapor). Quando ela aumenta, a temperatura de sada dos gases da chamin normalmente aumenta. Isto inicialmente causado pelo tamanho da superfcie de transferncia de calor dentro da caldeira ser fixo, o que permite que menos calor seja transferido por unidade de massa dos produtos de combusto quando a carga aumenta. Temperatura elevada um indicativo de perda elevada. As perdas pelo costado (carga, envoltrio) aumentam em magnitude, mas reduz em termos de percentual do total de energia utilizada. Trabalhar a caldeira com baixa carga reduz a temperatura, mas aumentam em percentual as perdas pelo costado, alm do que, nessa condio, aumenta-se o excesso de ar e, conseqentemente, as perdas pelos gases da chamin. Assim, muitas caldeiras no experimentaro melhorias na eficincia quando a carga for reduzida.

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Muitas caldeiras experimentam um aumento desproporcional da temperatura quando a caldeira opera com carga maior superior a 100% da carga nominal (projetada). Isto, que pode resultar em perdas significativas, o principal componente que leva reduo na eficincia de caldeiras operando acima de 100% da carga plena. Em resumo, a carga da caldeira geralmente afetar a temperatura de exausto do gs da chamin. Este efeito , essencialmente, uma caracterstica de projeto da caldeira, e pouco se pode fazer a respeito. O ponto principal est em reconhecer que a temperatura do gs da chamin muda em funo da carga da caldeira e em levar em conta esta variao ao avaliar a degradao do desempenho. Conseqentemente, a temperatura do gs da chamin deve ser registrada com respeito carga da caldeira, bem como a temperatura ambiente, para permitir uma comparao apropriada da operao da caldeira.

Projeto da caldeira. O projeto de uma caldeira ponto chave para assegurar a eficinciaglobal da gerao do vapor. A rea de transferncia de calor e as outras consideraes do projeto so fatores importantes para determinar a quantidade de energia transferida do gs da chamin. Obviamente, uma rea de transferncia de calor adicional contribuir para a caldeira operar mais eficientemente (reduzindo a temperatura de exausto dos gases da chamin). A quantidade de rea de transferncia de calor um fator de projeto que leva a conseqncias econmicas: uma superfcie adicional de transferncia de calor requer uma despesa adicional. Do ponto de vista do gerenciamento de perdas, pouco pode ser feito operacionalmente para reduzir o componente do projeto da perda dos gases de exausto depois de instalada a caldeira. Geralmente, as melhorias so obtidas com a instalao de equipamentos adicionais para a recuperao do calor. Os equipamentos mais comuns de recuperao do calor so: (1) economizador para aquecimento da gua de alimentao da caldeira; e (2) pr-aquecedor de ar de combusto. Ambos equipamentos so trocadores de calor que extraem a energia do gs da chamin. Um economizador troca o calor entre o gs de conduto e a gua de alimentao antes de ser injetada na caldeira. Um pr-aquecedor de ar de combusto troca o calor entre o gs da chamin e o ar de combusto que injetado na caldeira.

Sujeira nas superfcies de troca trmica no lado combusto. As superfcies de trocatrmica, tanto do lado da gua quanto do lado dos gases de combusto, devem ser mantidas limpas e com elevada taxa de transferncia de calor do lado dos gases para o lado da gua, retirando maior quantidade de calor dos gases, reduzindo a temperatura e contribuindo para manter elevada a eficincia. Para melhorar a eficincia, devem-se fazer o controle adequado da combusto e a limpeza peridica da fuligem. A remoo, quando necessria, conduzida com dispositivos especiais


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e/ou sopradores de fuligem (vapor ou ar comprimido).

Sujeira nas superfcies de troca trmica no lado d'gua. A qualidade da gua dealimentao da caldeira fundamental para manter limpas as superfcies, evitando ou retardando a formao de incrustaes e depsitos de slidos que formam pelculas no lado da gua das caldeiras e acarretando significativa reduo da taxa de trocas trmicas. A qualidade da gua e muito importante para manter elevado o rendimento da caldeira, alm da proteo das superfcies metlicas contra a corroso. Assim, a contribuio do sistema de tratamento de gua de alimentao da caldeira deve ser seriamente levado em conta na melhoria de eficincia da caldeira. Quando h formao de incrustaes e depsitos, pode-se utilizar remoo qumica e/ou limpeza mecnica, dependendo do tipo de caldeira e da facilidade de acesso. Mesmo nas pequenas caldeiras, a preveno de formao de incrustaes pode produzir substancial economia de energia. O depsito de incrustaes ocorre quando clcio, magnsio e slica, comumente presentes na gua captada, reagem para formar uma camada contnua de material no lado da gua dos tubos trocadores de calor da caldeira. As incrustaes criam um problema, pois possuem uma condutividade trmica muito menor que a do metal dos tubos. Mesmo em finas camadas, comportam-se como isolante efetivo, reduzindo a transferncia de calor. O resultado o superaquecimento do metal do tubo. O tubo se degrada e perde eficincia energtica. A perda de combustvel devido a incrustaes pode ser de 2% para as caldeiras aquatubulares e de at 5% para as caldeiras flamotubulares.

Monitoramento da temperatura dos gases da chamin. Um indicador indireto daformao de depsitos de incrustaes a temperatura dos gases da chamin. Se a temperatura dos gases da chamin subir (com a carga e o excesso de ar mantidos constantes), isso se d, possivelmente, devido presena de incrustaes.

Execuo de inspeo visual. Inspecionar visualmente os tubos da caldeira quando aunidade est desligada para a manuteno. A remoo de incrustaes pode ser obtida por meios mecnicos ou pela limpeza cida. Se as incrustaes persistirem, consulte um especialista para o tratamento de gua e considere a convenincia de modificar seu tratamento da gua de alimentao ou a programao de adio dos produtos qumicos.

Passagem direta de gases de exausto devido falha de componentes da caldeira.As caldeiras so projetadas com os trajetos especficos para que os gases de combusto passem completamente pelas superfcies de troca de calor. Estes trajetos so fornecidos pelos defletores internos, que podem falhar. Se um componente falhar, pode resultar em perda significativa. Obviamente, um componente interno defeituoso deve ser reparado. Entretanto, somente o valor da perda econmica ditar se a caldeira deve ser desligada imediatamente para exame ou ser reparada durante uma parada programada.

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Por isso, importante o monitoramento da temperatura dos gases da chamin e das condies de carga.

1.2.2 - Reduo do nvel de excesso de ar e melhoria da eficincia da combustoA operao da caldeira no nvel timo de excesso de ar minimizar a perda de calor nos gases da chamin e melhorar a eficincia da combusto. A eficincia da combusto uma medida de como o ndice de calor de um combustvel transforma-se eficazmente em calor til. A temperatura e a concentrao de oxignio (ou de dixido de carbono) dos gases da chamin so indicadores preliminares da eficincia da combusto. Em uma mistura completa, uma quantidade precisa ou estequiomtrica de ar necessria para reagir completamente com uma dada quantidade de combustvel. Na prtica, as condies da combusto nunca so ideais, e um excesso de ar deve ser fornecido para a queima completa do combustvel. A quantidade correta de ar adicional determinada pela anlise das concentraes de oxignio ou de dixido de carbono nos gases da chamin. Nveis baixos de excesso de ar resultam em combustveis no queimados (combustvel, fuligem, fumo e monxido de carbono). Quando forem altos, resultaro em perda de calor, devido ao aumento do fluxo de gs da chamin, diminuindo a eficincia global de transferncia da energia do combustvel para o vapor. A Tabela II.1 relaciona algumas medidas do nvel de excesso de ar com o desempenho da caldeira. Tabela II.1 - Eficincia de combusto para o gs naturalEFICI NCIA DA COMBUSTO EXCESSO % Ar 9,5 15,0 28,1 44,9 81,6 Oxignio 2,0 3,0 5,0 7,0 10,0 Temperatura do gs da chamin menos a do ar de combusto (C) 95 85,4 85,2 84,7 84,1 82,8 150 83,1 82,8 82,1 81,2 79,3 205 80,8 80,4 79,5 78,2 75,6 260 78,4 77,9 76,7 75,2 71,9 315 76,0 75,4 74,0 72,1 68,2

Em sistemas bem projetados para queima de gs natural, um nvel de excesso de ar de 10% atingvel. Uma regra geral freqentemente adotada recomenda que a eficincia da


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caldeira pode ser aumentada em 1% para cada reduo de 15% no excesso de ar ou reduo de 22C na temperatura do gs da chamin. As caldeiras operam freqentemente com excesso de ar em nveis acima do timo. Por isso, deve-se monitorar periodicamente a composio dos gases da chamin e regular as caldeiras para manter o excesso de ar dentro do limite timo.

Instalao de analisadores de gases na chamin. A porcentagem de oxignio no gsda chamin pode ser medida de forma econmica por meio de "kits" de testes de absoro de gs. Analisadores portteis baseados em computador mais caros (R$1.500,00 a R$3.000,00) indicam a porcentagem de oxignio, a temperatura do gs da chamin e a eficincia da caldeira. Estes so investimentos recomendados para todo o sistema da caldeira com custos de combustvel anuais que excedem a R$150.000,00.

Implantao de sistema de monitoramento e controle de oxignio nos gases desada. Quando a composio do combustvel altamente varivel (como o gs de refinaria, combustvel de biodigestores ou caldeiras multicombustveis) ou quando os fluxos de vapor so altamente variveis, a instalao de analisador de oxignio em tempo real (sonda medidora de oxignio) nos gases de sada deve ser considerada. O sistema de monitoramento do teor de oxignio fornece uma realimentao aos controles do queimador para minimizar automaticamente o excesso de ar na combusto e otimizar a relao do ar / combustvel.

1.2.3 - Recuperao de calor dos gases de escape pela utilizao de economizadorO economizador um trocador de calor destinado a elevar a temperatura da gua de alimentao antes de introduzi-la no interior da caldeira. O aumento da temperatura da gua benfico ao processo e oferece algumas vantagens, sobretudo quando se aproveita o calor sensvel ainda disponvel nos gases de combusto, aps a sua passagem pela caldeira. A introduo de gua fria, em torno de 25C, tende a provocar uma queda de presso interna da caldeira, principalmente quando o processo de recuperao do nvel se faz intermitentemente. A gua ingressando na caldeira com temperaturas prximas da vaporizao faz atenuar os efeitos, e o regime de presso de trabalho permanece mais estvel. Acumulando as vantagens anteriores, registra-se um aumento na eficincia trmica do equipamento. O projeto da caldeira pode estabelecer uma temperatura de sada dos gases de escape da ordem de 260 a 280C, representando um rendimento em torno de 87 a 88%. A incluso de um economizador poderia elevar este rendimento para 90 a 91%. A aplicao prtica desta possibilidade, entretanto, encontra objees no custo do equipamento, que pode estar

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sujeito a corroso, devido condensao de gases cidos. Para unidades com presso de operao mais elevadas, esta situao se altera, com as temperaturas de sada dos gases de combusto aps a caldeira podendo atingir valores de 360C a 400C, principalmente quando as presses de operao ultrapassam o valor de 35 kgf/cm2. Sugestes: - Determine a temperatura dos gases de escape aps a caldeira ser ajustada s especificaes do fabricante. A caldeira deve operar com nveis de excesso de ar prximo ao timo e com todas as superfcies de transferncia de calor limpas. - Determine a temperatura mnima a que os gases podem ser resfriados, submetidos a critrios tais como o ponto de orvalho, a corroso da extremidade fria e a superfcie econmica de transferncia de calor. - Estude o custo efetivo da instalao um economizador para aquecer a gua de alimentao ou um pr-aquecedor para aquecer o ar de combusto em sua caldeira.

Limites de temperatura para gs de exausto. A menor temperatura que os gases deexausto na chamin podem ser resfriados depende do tipo de combustvel usado: 120C para o gs natural, 150C para carvo e leos combustveis de baixo teor de enxofre e 180C para leos de combustvel elevados teores do enxofre. Estes limites so ajustados para prevenir a condensao dos gases e possveis corroses.

Aplicaes potenciais para um economizador - O economizador aquece a gua de alimentao da caldeira, recuperando o calor dos gases. Este equipamento apropriado quando a superfcie de transferncia de calor existente dentro da caldeira insuficiente para remover o calor de combusto. As grandes caldeiras, operando nas presses acima de 6 kgf/cm2 ou mais e que trabalham significativamente a plena carga por muito tempo so excelentes candidatas ao aperfeioamento com a colocao de um economizador.

1.2.4 - Recuperao de calor dos gases de escape usando pr-aquecedor de arAquecedores de ar so aparelhos trocadores de calor que podem utilizar os gases quentes de escape para elevar a temperatura do ar de combusto antes de injet-lo na fornalha. O pr-aquecedor de ar, normalmente, instalado no circuito de escoamento de gases da prpria caldeira.


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Os pr-aquecedores de ar so equipamentos que reduzem a temperatura dos gases que deixam a caldeira, melhorando desta forma a sua eficincia trmica. De maneira geral, a reduo para cada 20C na temperatura dos gases de escape significa um aumento de 1% na eficincia trmica do sistema de gerao de vapor. Alm de reduzir o consumo de combustvel, este equipamento melhora sensivelmente a qualidade da combusto, com a diminuio do excesso de ar e o conseqente aumento da temperatura da cmara de combusto e maior estabilidade da chama. Uma das vantagens mais acentuadas proporcionada pela injeo de ar quente na queima de combustveis slidos midos. Nota: Os gases de escape tambm podem ser utilizados na secagem de combustveis slidos midos particulados, principalmente biomassa (bagao de cana e cavaco de madeira).

1.2.5 - Reduo de perdas de calor por radiao e conveco (perda no envoltrio da caldeira)As perdas no envoltrio (costado) so categorizadas como de transferncia de calor (radiao e conveco) da superfcie externa da caldeira. Uma determinao de perdas previstas da radiao e de conveco pode ser obtida da Associao Americana dos Fabricantes da Caldeira, que fornece dados sobre as perdas do escudo associadas com as caldeiras. De modo geral, a maioria das caldeiras aquotubular tem menos que 1,0% de perda no envoltrio, quando relacionada quantidade total de energia do combustvel, se a caldeira estiver operando prximo da carga plena. Esta uma perda previsvel se no houver nenhum problema com os refratrios ou com a isolao externa da caldeira. O valor da perda do envoltrio (em kcal/h) no muda apreciavelmente com relao carga da caldeira. Em conseqncia, se esta perda for considerada como um percentual da energia do combustvel, a perda percentual aumenta quando a carga da caldeira diminui. As caldeiras pirotubular, tipicamente, tm percentual de perda no envoltrio muito menor que as caldeiras aquotubular de capacidade equiparvel. Em geral, isto ocorre porque o envoltrio externo de uma caldeira do pirotubular geralmente est em contato trmico com gua fervendo (temperatura relativamente baixa), melhor que nos gases de combusto em temperaturas elevadas. Conseqentemente, espera-se que a perda no envoltrio em uma caldeira pirotubular seja menor que a de uma caldeira aquotubular tpica de mesma capacidade da produo do vapor.

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1.2.6 - Recuperao de calor da descarga de fundo (blowndown) medida que a caldeira produz vapor, acumulam-se os sais minerais, que penetram no seu interior com a gua de reposio. A concentrao excessiva desses sais e a conseqente formao de incrustaes nas instalaes a jusante da caldeira comprometem o funcionamento eficiente de todo o sistema. Em muitas caldeiras, principalmente as de menor porte, suficiente instalar uma vlvula de descarga rpida (vlvula de fundo de caldeira) para se obter a extrao de lodo e sais. Mas as caldeiras de maior porte requerem um dispositivo adicional para a dessalinizao contnua e a automatizao da vlvula de descarga peridica. A extrao peridica de lodo e a dessalinizao contnua so procedimentos de importncia vital para o funcionamento perfeito de caldeiras de vapor. A dessalinizao contnua mantm a densidade da gua na caldeira dentro dos limites admissveis. J a extrao peridica do lodo serve para conservar o fundo da caldeira livre do lodo, microorganismos e outras impurezas que a se acumulam. Na maioria dos casos, necessrio adotar ambos os sistemas para se obter a otimizao de rendimento e a segurana das instalaes. Mesmo quando a gua de alimentao da caldeira for inteiramente abrandada e desmineralizada, recomendvel instalar vlvulas de descarga peridica e de dessalinizao contnua, pois qualquer falha nos equipamentos de tratamento da gua ou em seus acessrios pode provocar a entrada de gua no tratada na caldeira. A continuidade dos processos de vaporizao e reposio de gua acarreta aumento de concentrao de impurezas na caldeira. Para evitar a conseqente formao de incrustaes nas suas paredes, adicionam-se determinados produtos qumicos a gua que modificam a constituio de certas impurezas, dando origem a partculas que se depositam no fundo da caldeira em forma de lodo. A mistura desse lodo com o oxignio e gs carbnicos exerce ao corrosiva, danificando as paredes dos tubos da caldeira ou destruindo-os. O acmulo progressivo das incrustaes pode provocar tenses trmicas capazes de fender as paredes da caldeira ou rachar os rebites. Se as camadas de lodo atingirem os tubos, as tenses trmicas podem ser agravadas pela conseqente reteno de calor, causando a destruio do tubo. A descarga de fundo essencial para a operao contnua de toda a caldeira de vapor. Porm, esta uma fonte de perda de energia da caldeira. A reduo da perda associada com a descarga de fundo da caldeira obtida de duas formas. Primeiramente, as taxas de descarga so reduzidas com a melhoria da qualidade da gua de alimentao, principalmente o aprimoramento do tratamento da gua para a reduo do teor de slido dissolvido. A segunda forma concentra-se em recuperar a energia residente na gua da descarga de fundo.


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O calor perdido na descarga de fundo da caldeira pode ser recuperado com um trocador de calor, um tanque de re-evaporao ou ambos. A reduo da presso em um tanque de re-evaporao permite que uma parcela da descarga de fundo seja convertida em vapor de baixa presso. Este vapor de baixa presso usado mais tipicamente nos desaeradores. A gua do dreno do tanque de re-evaporao distribuda atravs de um trocador de calor.

1.2.7 - Reduo das perdas de calor associadas umidade do combustvel muito importante, particularmente para o caso de biomassas, que a umidade do combustvel empregado para a gerao de vapor seja a mais baixa possvel. A lenha recmcortada e o bagao sado das moendas apresentam cerca de 50% de umidade - portanto, a gua constitui metade da massa do combustvel. A evaporao dessa umidade vai consumir grande parte do calor liberado na combusto. Por isso, recomenda-se utilizar combustvel seco. A aplicao do programa CRC (consultar CD anexo) permite avaliar o impacto da adoo de um secador no rendimento de uma caldeira. Influncia da umidade no PCI do combustvel - A presena de umidade nos combustveis slidos provoca a queda do poder calorfico, pois a gua precisa ser evaporada pelo prprio combustvel, subtraindo calor do processo de combusto, como indicado na Tabela II.2. Tabela II.2 - Influncia da umidade da lenha no PCI e do tempo na umidadeUMIDADE (%) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 PCI [kcal / kg] 4438,3 4186,4 3934,5 3682,6 3430,7 3178,8 2926,8 2674,9 2423,0 UMIDADE (%) 45 50 55 60 65 70 75 80 85 PCI [kcal / kg] 2171,1 1919,2 1667,3 1415,3 1163,4 911,5 659,6 407,7 155,8 UMIDADE DA LENHA DE EUCALIPTO (dias aps) (%) No corte 45 30 36 % 60 30 % 90 27 % 120 25 % 23 % 150

1.3 - Exemplos1.3.1 - Clculo da eficincia de caldeiras pelo Mtodo DiretoDeterminar o rendimento de uma caldeira que produz 5.400 kg/h de vapor saturado a presso manomtrica de 12,0 kgf/cm2. Sabe-se que foram realizadas medies de consumo

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de leo combustvel, do tipo 2A, o que resultou em um valor mdio de 468 kg/h. No caso da temperatura da gua de alimentao, o valor mdio encontrado foi de 61C. Soluo: Como so conhecidos os valores das vazes de vapor e combustvel, a presso do vapor, o tipo de combustvel e as condies da gua na entrada da caldeira, pode-se utilizar o Mtodo Direto para o clculo do rendimento, ou seja:

MD =em que:

& mv (hv ha ) 100 & mc PC

MDhv ha & mcPC

- eficincia pelo mtodo direto (%); - vazo mssica de vapor (kg/s); - entalpia do vapor produzido (kJ/kg); - entalpia da gua de entrada (kJ/kg); - vazo mssica de combustvel (kg/s); e - poder calorfico do combustvel (kJ/kg).

a) Usando-se uma tabela das propriedades termodinmicas do vapor d'gua saturado, com a entrada pelas presses, verifica-se que para 13 bar abs. (considera-se a presso atmosfrica igual a 1,0 bar), corresponde um vapor saturado com entalpia igual a 2.785,18 kJ/kg. b) Tambm em tabelas termodinmicas, determina-se a entalpia da gua de alimentao. Nesse caso, uma temperatura de 61C corresponde a uma entalpia de 253,67 kJ/kg. c) O valor do poder calorfico do combustvel usado na caldeira pode ser obtido com o fornecedor do combustvel ou ento por meio de tabelas. O valor adotado para o presente caso igual a 39.960 kJ/kg. d) Basta agora substituir os valores dados e os retirados das tabelas na equao apresentada anteriormente. Observa-se que as vazes foram introduzidas com seus valores em kg/h, pois suas unidades se cancelam, e que no foi necessria a converso para kg/s.

MD

=

5400 ( 2785,18 253,67) 100 = 73,10 % 468 39960


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O valor encontrado um pouco abaixo do que poderia se esperar para caldeiras desse porte, em que os rendimentos normalmente esto na faixa de 80%.

1.3.2 - Clculo da eficincia de caldeiras pelo Mtodo DiretoRefazendo o exemplo anterior, considerando, no entanto, que seja produzido vapor superaquecido a 40 bar e temperatura de 350C, e que a temperatura gua de alimentao seja igual a 80C. Soluo: Ser utilizada a planilha CRC para a determinao do rendimento de caldeiras, usando-se o Mtodo Direto. O procedimento para o preenchimento da planilha est apresentado, passo a passo, a seguir: a) Abrir a aplicativo CRC, Clculo de Rendimento Caldeiras. Assegurar que as macros sejam ativadas, como pede a tela de entrada. Pressionar, na tela de incio, o boto "Mtodo Direto" (a tela para esse caso mostrada). Caso os dados de exemplos anteriores tenham sido salvos, eles so apresentados. Pressionar o boto "Novos dados" para iniciar outros clculos de rendimento. De forma automtica, os dados sero pedidos em caixas de entrada. b) Escolher o tipo de vapor produzido pela caldeira. Existem trs opes: vapor saturado com entrada pela presso; vapor saturado com entrada pela temperatura; e vapor superaquecido. Em cada caso solicitada a entrada apropriada. Na hiptese de entrada de dados equivocada ou estranha, so dados alertas ao usurio. c) Informar a produo do vapor. Observar as unidades empregadas. d) Informar a temperatura da gua de alimentao. e) Proceder escolha do tipo de combustvel. Caso seja utilizado um tipo de combustvel presente na lista de opes, no necessrio conhecer seu poder calorfico, pois o valor retirado de uma tabela. Se o combustvel for de um outro tipo, o valor do poder calorfico dever ser informado. f) A ltima entrada de dados a vazo do combustvel. Depois desse passo, o rendimento da caldeira calculado. Para novos clculos, deve-se usar o boto "Novos dados". O boto "Dados padro" insere um conjunto de dados fixos e o boto "Menu inicial" retorna a tela de incio do aplicativo (Figura II.1).

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Figura II.1 - Tela do aplicativo usando o Mtodo Direto Esta planilha permite determinar de forma expedita o impacto de diversas alteraes operacionais na gerao de vapor, evidenciando seu efeito energtico e econmico. Vale observar que tambm se pode definir a eficincia de caldeiras com base no Poder Calorfico Superior do combustvel e incluir diversos outros efeitos.

1.3.3 - Clculo da eficincia de caldeiras pelo Mtodo IndiretoClculo do rendimento de uma caldeira queimando bagao de cana com 50% de umidade, para a produo de vapor com 12 bar abs. e com gases de sada temperatura de 180C. (Os demais dados sero fornecidos adiante.) a) Abrir o aplicativo CRC, Clculo de Rendimento Caldeiras. Tomar todos os cuidados, como explicado anteriormente. Pressionar, na tela de incio, o boto "Mtodo Indireto". b) Escolher o tipo de combustvel usado. H seis tipos de combustvel, com dados padro,


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ou escolher opo "Outro combustvel". Nesse caso, deve-se informar o PCI do combustvel e tambm entrar com a sua composio em base seca. Pode ser feita a opo por base mssica percentual ou ento base molar. Para o exemplo, faz-se a escolha de nmero 4, "Bagao de cana 50% de umidade". c) O prximo passo entrar com o tipo de gs que foi analisado na chamin. H duas opes: gs carbnico (CO2) ou oxignio. Feita a seleo, deve-se introduzir o teor medido do gs analisado. Neste exemplo, considerou-se que o gs analisado o gs carbnico e o teor medido igual a 17%. d) Na seqncia, deve-se informar a temperatura de referncia. Para o exemplo, adotou-se a referncia igual a 25C. Depois, pedida a temperatura dos gases, 180C. e) Informa-se a presso de trabalho da caldeira. Para o caso, 12 bar abs. f) Neste ponto, pode ser feita a opo para o tipo de clculo das perdas pelo costado da caldeira. O valor pode ser adotado ou ento obtido por meio de clculos. Neste exemplo, adota-se um valor fixo igual a 5%. g) O aplicativo pede agora a vazo de purgas da caldeira. O valor deve ser dado em kg de purgas por kg de combustvel queimado. Este valor de difcil determinao. De preferncia, deve ser feito durante os ensaios de rendimento, em que as purgas podem ser bloqueadas. Isso tambm se considera neste exemplo. Desse modo, a vazo de purgas igual a zero. h) O prximo dado a ser inserido a vazo de vapor de utilidades. Por exemplo, o vapor usado na atomizao do leo combustvel nos queimadores a vapor, o valor tambm deve ser expresso em kg de vapor por kg de combustvel queimado. Neste exemplo, considera-se que a vazo de vapor de utilidade igual a zero. i) Neste exemplo, foi suposto que no existe combustvel no queimado nas cinzas. Ento, o prximo valor a ser inserido tambm igual a zero. j) O aplicativo agora apresenta o rendimento da caldeira calculado pelo Mtodo Indireto: 58,87% para os dados desse exemplo. As perdas detalhadas podem ser mostradas pressionando-se o boto "Detalhamento das perdas". Verificam-se neste exemplo as seguintes perdas: - Pelos gases na chamin - Pelo costado da caldeira - Nas purgas de fundo e contnua - No vapor de utilidades 17,19% 5,00% 0,00% 0,00%

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- No calor nas cinzas - No combustvel no queimado - Na umidade do combustvel

0,63% 0,00% 18,31%

Observa-se neste exemplo que as perdas na umidade do combustvel so expressivas, pois a umidade do bagao de 50%, um valor bastante alto. A Figura II.2 mostra a tela do aplicativo com os resultados detalhados.

Figura II.2 - Resultados do exemplo 3, Mtodo Indireto, usando o aplicativo CRC

1.3.4 - Clculo da eficincia de caldeiras pelo Mtodo IndiretoRefazer o exemplo anterior considerando uma caldeira queimando bagao de cana com 25% de umidade e PCI igual a 8430 (kJ/kg). Os demais dados so os mesmos. a) Escolher "Outro combustvel". b) Inserir o valor do PCI.


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c) Inserir os valores da composio (so os mesmos do exemplo anterior, pois a anlise sempre deve ser dada em base seca). d) Inserir os dados faltantes. e) O rendimento calculado de 71,20%. Pode-se verificar que a reduo da umidade do bagao de cana de 50% para 25% produziu um aumento de rendimento da caldeira de 58,87% para 71,20%. A parcela de perda de rendimento da caldeira na umidade do combustvel foi reduzida de 18,31% para 8,08%. Fica evidente a melhoria do rendimento da caldeira quando se usa um combustvel com menor teor de umidade.

1.3.5 - Influncia da temperatura da gua de alimentao no consumo de combustvelUtilizando o Mtodo Direto, calcular a variao do consumo de combustvel em uma caldeira queimando leo combustvel 2A para a gua de alimentao com temperaturas de 25C e 95C, para produo de 1,5 kg/h de vapor superaquecido com presso de 22 kg e temperatura de 280C. a) Vapor superaquecido: (22 kg e 280C) e vazo de vapor: 1,5 kg/s (5.400 kg/h), com gua de alimentao a 25C e vazo de combustvel de 0,13 kg/s (468 kg/h). Resulta em um rendimento de 83,13 %. - Entalpia do vapor - Entalpia da gua = 2.982,27 - 103,48 = 2.878,79 kJ/kg - Energia do vapor: 1,5 kg/s * 2.878,79 kJ/kg = 4318,19 kJ/s - Energia do combustvel = PCI combustvel * vazo = 0,13 kg /s * 39.960,0 kJ/kg = 5.194,5 kJ/s - Rendimento = Energia do vapor / Energia do combustvel = 4318,19 / 5.194,5 = 83,13% b) Vapor superaquecido (22 kg e 280C) e gerao de vapor 1,5 kg/s, com a temperatura da gua de alimentao em 95C. Agora, a vazo de combustvel determinada considerando inalterado o rendimento de 83,13 % da caldeira: - Entalpia do vapor - Entalpia da gua = 2.982,27 - 397,12 = 2585,15 kJ/kg - Energia do vapor: 1,5 kg/s * 2.878,79 kJ/kg = 4318,19 kJ/s - Energia do combustvel = PCI combustvel * vazo = (mc * 39.960,0) kJ/kg - Rendimento = Energia do vapor / Energia do combustvel = 3877,72 / (mc * 39.960,0) = 83,13% - mc = 0,1167 kg/s ou 420,2 kg/h

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Tabela II.3 - Aplicao do Mtodo Direto para gua de alimentao a 25,0CRENDIMENTO DE CALDEIRAS MTODO DIRETO Tipo de vapor Presso do vapor Temperatura do vapor Entalpia do vapor Vazo de vapor Temperatura da gua de alimentao Entalpia da gua de alimentao Tipo de combustvel Poder calorfico do combustvel Vazo de combustvel Rendimento da caldeira Vapor superaquecido 22,0 280,0 2982,27 1,50 25,0 103,48 leo combustvel 2A 39960 0,13 83,13

(bar) (C) (kJ/kg) (kg/s) (C) (kJ/kg) (kJ/kg) (kg/s) (%)

Tabela II.4 - Aplicao do Mtodo Direto para gua de alimentao a 95,0CRENDIMENTO DE CALDEIRAS MTODO DIRETO Tipo de vapor Presso do vapor Temperatura do vapor Entalpia do vapor Vazo de vapor Temperatura da gua de alimentao Entalpia da gua de alimentao Tipo de combustvel Poder calorfico do combustvel Vazo de combustvel Rendimento da caldeira

Vapor superaquecido 22,0 280,0 2982,27 1,50 95,0 397,12 leo combustvel 2A 39960 0,1167 83,13

(bar) (C) (kJ/kg) (kg/s) (C) (kJ/kg) (kJ/kg) (kg/s) (%)

Segundo este exemplo, pode-se verificar que o pr-aquecimento da gua de alimentao utilizando os gases quentes de escape da caldeira resulta em uma economia de combustvel. Economia = (0,1300 - 0,1167) / 0,1300 ou (468,0 - 420,2) / 420,2 = 10,2%, Considerando que a caldeira opere 24 h/dia e 7 dias/semana e 50 semanas/ano (8400 h), a economia em um ano ser: 8400 h/ano x (468,0 - 420,2) kg/h = 401.520 kg/ano. Com o preo do leo combustvel de R$1,07 / kg, a reduo do custo com consumo de combustvel = R$ 429.626,40 / ano.


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1.4 - Sugestes para identificar oportunidades na geraoa) Avalie a eficincia da caldeira (%). - Determine a temperatura dos gases de escape aps a caldeira ser ajustada s especificaes do fabricante. A caldeira deve operar com nveis de excesso de ar prximo ao timo e com todas as superfcies de transferncia de calor limpas. - Determine a temperatura mnima a que os gases da pilha podem ser resfriados, submetidos a critrios tais como o ponto de orvalho, corroso da extremidade fria e superfcie econmica de transferncia de calor. b) Verifique pontos quentes no costado (estrutura externa). c) Determine a taxa de descarga de fundo da caldeira (% do fluxo da gua de alimentao, kg/h). d) Investigue as oportunidades de melhoria na qualidade da gua de alimentao da caldeira. e) Avalie as oportunidades de recuperao de calor da descarga de fundo da caldeira. f) Monitore o teor de oxignio nos gases da chamin (%). g) Monitore a temperatura dos gases de exausto na chamin com respeito demanda de vapor da caldeira, temperatura ambiente e teor de oxignio nos gases de exausto. h) Monitore os gases combustveis na chamin (ppm). - Estude o custo efetivo da instalao de um economizador para aquecer a gua de alimentao ou um pr-aquecedor para aquecer o ar de combusto em sua caldeira. i) Avalie a perda de carbono no queimados (%). j) Compare os valores observados com os de referncia ou timos (benchmark).

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2

IDENTIFICAO DE OPORTUNIDADES NA DISTRIBUIO DE VAPOR

A eficincia na distribuio de vapor determinada pela capacidade de conduzi-lo desde a caldeira at os pontos de uso com a menor perda de energia possvel. O uso de vapor de gua como vetor de transporte de energia trmica traz grandes vantagens, que explicam sua grande disseminao, pois a gua uma substncia facilmente disponvel, pouco agressiva quimicamente e com grande capacidade de transportar energia. Porm, h muitas perdas na distribuio que se no forem identificadas e corrigidas podem comprometer todo o sistema de vapor.

2.1 - Identificao dos fatores que afetam a eficincia na distribuio de vapor Perdas durante o perodo de pr-aquecimento. Sempre que o sistema de vaporpermanece desligado acima de um determinado tempo, h um resfriamento de toda a massa metlica que constitui as tubulaes, conexes e assessrios do sistema de distribuio. No re-ligamento do sistema de vapor h um grande consumo de calor para pr-aquecer o sistema.

Perda em operao contnua. H tambm as perdas de calor atravs das tubulaes eisolamentos durante a operao do sistema, que podem ser minimizadas com a instalao de isolamento com espessura adequada e revestimentos removveis para vlvulas e conexes moveis.

2.2 - reas de oportunidade de melhoria de eficincia na distribuioAs perdas em um sistema de distribuio de vapor podem ser dividas em categorias, de acordo com as reas: - vazamento de vapor; - radiao de perda de calor atravs da isolao trmica; - recuperao do condensado; - perda de vapor flash (vapor de re-evaporao); e - reduzindo os ciclo de partida e parada.


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2.2.1 - Vazamento de vaporA reduo dos vazamentos de vapor constitui uma rea de grande potencial de economia para as instalaes industriais. Dois tipos principais de falhas que resultam em vazamento de vapor so: (a) falha na tubulao; e (b) falha nos purgadores de vapor. Geralmente, as falhas nos purgadores constituem uma grande parcela de perdas dentro de uma instalao. As perdas de vapor nas tubulaes tambm podem ser uma das maiores fontes de perdas nas instalaes. Entretanto, esta geralmente identificada por uma avaliao visual e eliminada com facilidade. As falhas nos purgadores de vapor so mais difceis de serem observadas, especialmente em sistema de condensado fechado. a) Reparo de falhas na tubulao de vapor Os componentes de uma tubulao de vapor falham devido a projeto inadequado, corroso, fatores externos e muitas outras razes. As falhas nas tubulaes representam a perda direta de recursos e de combustvel (Tabela II.5). Tabela II.5 - Perdas causadas por vazamentos

VAZAMENTO Dimetro (mm) 0,8 1,5 3,0 6,0 Superfcie (mm2) 0,5 1,8 7,0 28,0

PRESSO DE 7 KGF/cm2 (PERDAS ANUAIS) Toneladas de vapor 5,0 95,0 160,0 2.900,0

PERDAS DE LEO COMBUSTVEL kg/ano 380,0 7.300,0 12.300,0 223.000,0

b) Reparo de falhas nos purgadores de vapor Em sistemas de vapor nos quais no so se realizam manuteno h 3 ou 5 anos, entre 15% a 30% dos purgadores instalados podem apresentar defeitos, como o escape de vapor vivo para a linha de retorno de condensado. Em sistemas cujos programas de manuteno so regularmente executados os nveis de perdas em purgadores so menores que 5% para o conjunto de purgadores. Se o sistema de distribuio de vapor incluir mais de 500 purgadores, um exame nos purgadores provavelmente revelar perdas significativas de vapor (Tabela II.6).

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Tabela II.6 - Taxa de perda de vapor por vazamento em purgadorDIMETRO DO ORIFCIO DO PURGADOR (mm) 0,8 1,6 3,2 4,8 6,4 9,5 1 0,4 1,5 6,2 13,9 24,8 55,8 PERDA DE VAPOR (kg/h) PRESSO DO VAPOR (kgf/cm2) 6,8 1,5 6,0 24,0 54,0 95,7 215,5 10 2,2 8,6 34,4 77,1 137,4 309,4 20 16,4 65,8 147,9 262,6 591,0

Testes de purgadores de vapor. Os purgadores de vapor devem ser testados paradeterminar se esto funcionando adequadamente, se no obstruindo a passagem de condensado ou se no esto falhando na posio aberta, permitindo a fuga de vapor vivo para a linha de retorno de condensado. H quatro mtodos bsicos para testar os purgadores de vapor: temperatura, sonoro, visual e eletrnico. Em seguida, deve-se estabelecer um programa de inspeo, testes e manuteno sistemtica dos purgadores vapor, incluindo um mecanismo indicador para assegurar a eficcia e fornecer meios de documentar as economias de energia e de dinheiro. Intervalos recomendados de teste para purgadores de vapor

Alta presso (10 kgf/cm2 e acima): semanal a mensal Media presso (2 a 10 kgf/cm2): mensal a quadrimestral Baixa presso (Abaixo de 2 kgf/cm2): anual2.2.2 - Reduo de perda de calor atravs da isolao trmicaO isolamento trmico reduz a perda de calor da tubulao para o ambiente. Quanto maior a sua espessura, menor ser a perda, porm maior ser o custo de instalao.

Exemplo de determinao de perdas de calor em uma linha de vapor. Um sistemade distribuio de vapor consistindo de 100 m de ao carbono com dimetro 100 mm, o qual inclu nove pares de unies flangeadas PN40 e uma vlvula de isolamento. Com temperatura ambiente de partida de 20C e o vapor com 14,0 bar de presso e 198C de temperatura e ar ambiente praticamente parado, determinar:


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a) massa de vapor condensado para um pr-aquecimento de 30 minutos. b) taxa de condensao na operao para uma espessura de isolamento trmico de 50 mm.

Parte 1 - Clculo da taxa de condensao no pr-aquecimentoEsta taxa de condensao no pr-aquecimento ser usada para selecionar a vlvula de controle apropriada para o pr-aquecimento. Quando selecionar os purgadores, esta taxa de condensao dever ser multiplicada por um fator de 2 para permitir a reduo da presso de vapor, que ocorrer at que o pr-aquecimento esteja completo. Ento, dividida pelo nmero de purgadores utilizados para dar a capacidade necessria para cada purgador. Usando a equao:

& m=em que:

60 W (Tv Tamb ) c p h fg t

kg/h

& m - Vazo de vapor condensado (kg/h); W - Massa (peso) da tubulao e acessrios (kg|); Tv - Temperatura do vapor (C); Tamb - Temperatura ambiente (C); cp - calor especfico do material da tubulao (kJ/kgC); hfg - entalpia do vapor (kJ/kg); t - tempo de pr-aquecimento (min); e Calor especifico cp p/ ao carbono = 0,49 kJ/kgC (Tabela II.7).Tabela II.7 - Calor especfico tpico para metais de tubulaesMATERIAL DA TUBULAO Cobre Ao carbono Ao cromo AISI 302 Ao inox AISI 304 Ao inox AISI 316 Ao inox AISI 347 Ao inox CALOR ESPECFICO A 300 C (K J/kgC) 0,385 0,490 0,443 0,480 0,477 0,468 0,480

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Para encontrar W, encontre a massa dos principais itens da linha de vapor na Tabela II.8. Tabela II.8 - Massa tpica de tubos de ao, flanges e vlvulas de isolamento em kg Tubo mm 15 20 25 32 40 50 65 80 100 150 Tubo Sch. 40 Kg / m 1,3 1,7 2,5 3,4 4,1 5,4 8,6 11,3 16,1 28,2 Massa dos flanges por par PN40 ANSI 150 ANSI 300 1,7 1,8 2 2,3 2,2 3 2, 6 2,4 4 4,0 3,0 6 5,0 4,0 8 6,0 6,0 9 9,0 8,0 12 11,0 11,0 15 16,0 16,0 23 28,0 26,0 32 Vlvula Flangeada PN40 4 5 6 8 11 14 19 16 44 88

Tubos principais de ao ( 100 mm) = 16,1 kg/m Flanges PN40 ( 100 mm) = 16,0 kg por par Vlvula de isolamento ( 100 mm) = 44,0 kg cada Assim: W = (100 x 16,1) + (9 x 16) + (1 x 44) = 1.798 kg Para determinar a entalpia de vaporizao hfg para o vapor com a presso de 14,0 bar (198C), verificar em tabelas de vapor saturado. Tabela II.9 - Propriedades de vapor 14,0 bar (198C)Temperatura Presso Saturao bar 14 C 198 gua hf 845 Vaporizao hfg 1.947 Vapor hg 2.792 Entalpia (energia) em kJ / kg Volume especfico de vapor saturado seco m3 / kg 0.132

Obs.: As tabelas completas encontram-se no CD

Da Tabela II.9, obtm-se: hfg = 1.947 kJ / kg A carga de pr-aquecimento mdia ser:

& m=

60 1789 (198 20) 0,49 = 161 kg /h 1947 30


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Parte 2 - Clculo da carga de operaoO vapor ir condensar com a perda de calor da tubulao para o ambiente. A taxa de condensao depende dos seguintes fatores: temperatura do vapor, temperatura do ambiente e eficincia do isolamento. A Tabela II.10 fornece taxas tpicas de emisso de calor estimada para tubulaes de ao sem isolamento a 20C. Tabela II.10 - Emisso de calor de uma tubulao de ao livremente exposta ao ar 20C (W/m)DIFERENA DE TEMPERATURA VAPOR P/ AR 50 60 70 80 100 120 140 160 180 200 220 DIMETRO DA TUBULAO (mm) 15 56 69 84 100 135 173 216 263 313 368 427 20 68 85 102 122 164 210 262 319 381 448 520 25 82 102 124 148 199 256 319 389 464 546 634 32 100 125 152 180 243 313 391 476 569 670 778 40 113 140 170 202 272 351 439 535 640 754 877 50 136 170 206 245 330 426 533 651 780 919 1069 65 168 208 252 299 403 522 653 799 958 1131 1318 80 191 238 289 343 464 600 751 918 1100 1297 1510 100 241 298 360 428 577 746 936 1145 1374 1623 1892 150 332 412 500 594 804 1042 1308 1603 1925 2276 2655

A linha principal de distribuio, normalmente, isolada, e se os flanges e outros itens da linha de vapor tambm forem isolados ser uma vantagem. Se a linha principal flangeada, cada par de flanges ter, aproximadamente, a mesma rea superficial de uma linha de tubos de 300 mm de comprimento e mesmo dimetro. A taxa de transferncia de calor aumenta quando a superfcie de transferncia est submetida ao ar em movimento. Nestes casos, o fator de multiplicao, mostrado na Tabela II.11, dever ser considerado.

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Tabela II.11 - Aumento na emisso devido ao movimento do ar sobre a tubulaoVELOCIDADE DO AR (m/s) 0,00 0,50 1,00 1,5 2,00 2,50 3,00 4,00 6,00 8,00 10,00 FATOR DE EMISSO ( - ) 1,0 1,0 1,3 1,5 1,7 1,8 2,0 2,3 2,9 3,5 4,0

Em termos dirios, a velocidade do ar de at 4 ou 5 m/s representa uma leve brisa; entre 5 e10 m/s, uma brisa mais forte. A velocidade tpica do ar de trabalho est em torno de 3 m/s. A reduo na perda de calor depende do tipo e da espessura do material de isolamento usado, em condies gerais. Para propsitos prticos, o isolamento da linha de vapor reduzir a emisso de calor por um fator de isolamento mostrado na Tabela II.12. Note que estes fatores so somente valores nominais. Para um clculo especfico, consultar o fabricante do isolamento trmico. A perda de calor pelo isolamento principal pode ser expressa como na equao:

& mv =em que:

& 3,6 Q L f kg/h h fg

& mv - Taxa de condensao (kg/h); & Q - Taxa de emisso de calor da tabela II.10 (W/m);L - Comprimento efetivo total da tubulao (m); hfg - Entalpia especfica de vaporizao na presso de operao (kJ/kg); e f - Fator de Isolamento (Tabela II.12). Nota: f = 1,0 para tubulao no isolada. (O fator 3,6 na equao acima fornece uma soluo em kg/h.)


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Tabela II.12 - Fator Isolamento (f) TUBO NB (mm) 15 20 25 32 40 50 65 80 100 150 15 20 25 32 40 50 65 80 100 150 15 20 25 32 40 50 65 80 100 150 PRESSO DO VAPOR 1 bar 5 bar 15 bar Espessura de isolamento = 50 mm 0,16 0,14 0,13 0,15 0,13 0,12 0,14 0,12 0,11 0,13 0,11 0,10 0,12 0,11 0,10 0,12 0,10 0,09 0,11 0,10 0,09 0,10 0,10 0,08 0,10 0,09 0,08 0,10 0,09 0,07 Espessura de isolamento

manual vapor

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