Geração de vapor e Geração de vapor e sistema de resfriamentosistema de resfriamento

Baseado em Trovati, J. Tratamento de águas: Baseado em Trovati, J. Tratamento de águas: sistema de resfriamento e geração de vapor. sistema de resfriamento e geração de vapor. Curso on-line. (Data não disponível)Curso on-line. (Data não disponível)

Geração de vapor: Geração de vapor: caldeirascaldeiras

Conceitos geraisConceitos gerais

Calor e TemperaturaCalor e Temperatura Mecanismos de Transferência de CalorMecanismos de Transferência de Calor

ConduçãoCondução ConvecçãoConvecção RadiaçãoRadiação

VaporVapor Combustão e CombustíveisCombustão e Combustíveis

Conceitos geraisConceitos geraisA geração de vapor é uma importante operação industrial, presente em uma A geração de vapor é uma importante operação industrial, presente em uma

infinidade de processos e segmentos. infinidade de processos e segmentos.

Geração de energia elétrica nas usinas termelétricas e nuclearesGeração de energia elétrica nas usinas termelétricas e nucleares Papel e CelulosePapel e Celulose Açúcar e Álcool Açúcar e Álcool Indústrias químicas e petroquímicas em geralIndústrias químicas e petroquímicas em geral Refinarias de petróleoRefinarias de petróleo Frigoríficos, abatedouros e laticíniosFrigoríficos, abatedouros e laticínios Indústrias têxteis e de tintas/ vernizesIndústrias têxteis e de tintas/ vernizes Cervejarias e bebidas em geralCervejarias e bebidas em geral Indústrias de processamento de madeira e borrachaIndústrias de processamento de madeira e borracha Navegação marítima e fluvialNavegação marítima e fluvial Diversas indústrias alimentícias e farmacêuticas, entre muitos outros.Diversas indústrias alimentícias e farmacêuticas, entre muitos outros.

Atualmente, o vapor constitui o modo mais econômico e prático de se transferir Atualmente, o vapor constitui o modo mais econômico e prático de se transferir calor, até certo limite, em processos industriais. Também pode ser usado calor, até certo limite, em processos industriais. Também pode ser usado para geração de trabalho mecânico.para geração de trabalho mecânico.

Um ditado popular no âmbito industrial diz que: “O vapor movimenta o mundo”.Um ditado popular no âmbito industrial diz que: “O vapor movimenta o mundo”.

Calor e temperaturaCalor e temperatura

Calor:Calor: É uma forma de energia térmica em trânsito, É uma forma de energia térmica em trânsito, ou seja, está sempre se transferindo de um corpo ou seja, está sempre se transferindo de um corpo com maior temperatura para um corpo de menor com maior temperatura para um corpo de menor temperatura. O calor não pode ser armazenado; o temperatura. O calor não pode ser armazenado; o que pode ser feito é apenas facilitar ou dificultar que pode ser feito é apenas facilitar ou dificultar sua transferência.sua transferência.

Temperatura:Temperatura: É uma medida da energia cinética, É uma medida da energia cinética, isto é, da energia de vibração das moléculas que isto é, da energia de vibração das moléculas que compõem um certo corpo. Quanto mais intensa é a compõem um certo corpo. Quanto mais intensa é a vibração das moléculas, maior será a temperatura vibração das moléculas, maior será a temperatura do corpo em questão. É justamente a diferença de do corpo em questão. É justamente a diferença de temperatura entre dois corpos que promove a temperatura entre dois corpos que promove a transferência de calor.transferência de calor.

Calor e temperaturaCalor e temperatura

Fluxo Força Motriz Observações

CalorDiferença de potencial térmico (Temperatura)

Quanto maior a diferença de temperatura, maior é o fluxo de calor.

Corrente Elétrica

Diferença de potencial elétrico(Voltagem)

Quanto maior é a diferença de voltagem, maior será a intensidade da corrente elétrica.

Fluido (líquido ou gás)

Diferença de potencial gravitacional (altura) ou de pressão

Quanto maior é a diferença de altura e/ou de pressão entre dois pontos do fluido, maior será a vazão do mesmo.

Figura 1: Analogia entre a transferência de calor, a corrente elétrica e o escoamento de fluidos

Mecanismos de transferência Mecanismos de transferência de calor: conduçãode calor: condução

É um método no qual o calor flui pelo É um método no qual o calor flui pelo contato direto, molécula a molécula, do contato direto, molécula a molécula, do corpo. Ocorre normalmente em corpos corpo. Ocorre normalmente em corpos sólidos. Nas caldeiras, a condução ocorre sólidos. Nas caldeiras, a condução ocorre no metal dos tubos e dispositivos de no metal dos tubos e dispositivos de troca térmica, onde o calor flui da face troca térmica, onde o calor flui da face de maior temperatura (em contato com de maior temperatura (em contato com os gases quentes ou fornalha) para a de os gases quentes ou fornalha) para a de menor temperatura (por onde circula a menor temperatura (por onde circula a água).água).

Mecanismos de transferência Mecanismos de transferência de calor: conduçãode calor: condução

Lei de Fourier:Tq > Tf

k=Condutividade térmica (W/h.m2.ºC)T = TemperaturaA = Áreal

TTAkq fq )(..

Figura 2: Ilustração mostrando transferência de calor por condução

Mecanismos de transferência Mecanismos de transferência de calor: convecçãode calor: convecção

É um processo que consiste basicamente É um processo que consiste basicamente na transferência de calor envolvendo na transferência de calor envolvendo corpos fluidos (líquidos ou gases). A corpos fluidos (líquidos ou gases). A convecção é sinal de movimento, convecção é sinal de movimento, podendo ser natural ou forçada. Nas podendo ser natural ou forçada. Nas caldeiras, ocorre transferência de calor caldeiras, ocorre transferência de calor por convecção dos gases quentes para por convecção dos gases quentes para as superfícies dos tubos e das as superfícies dos tubos e das superfícies aquecidas dos tubos para a superfícies aquecidas dos tubos para a água.água.

Mecanismos de transferência Mecanismos de transferência de calor: convecçãode calor: convecção

Lei do Resfriamento de NewtonT8 > Tph = Coeficiente de transferência de calor por convecção (W/m2.ºC)

)(.. pTTAhq

Figura 3: Ilustração mostrando transferência de calor por convecção

É um processo predominante em É um processo predominante em temperaturas mais elevadas (acima de temperaturas mais elevadas (acima de 500ºC). O calor neste caso é 500ºC). O calor neste caso é transmitido por meio de ondas transmitido por meio de ondas eletromagnéticas. Altamente eletromagnéticas. Altamente dependente da diferença de dependente da diferença de temperatura. Numa caldeira, ocorre temperatura. Numa caldeira, ocorre transferência por radiação do fogo para transferência por radiação do fogo para a área irradiada da fornalha.a área irradiada da fornalha.

Mecanismos de transferência Mecanismos de transferência de calor: radiaçãode calor: radiação

Mecanismos de transferência Mecanismos de transferência de calor: radiaçãode calor: radiação

Lei de Radiação = Emissividade = Cte. Stefan-Boltzman (5,669.10-8 W/m2.K4)

)(... 44fq TTAq

Figura 4: Ilustração mostrando transferência de calor por radiação

VaporVaporO vapor é a água no estado gasoso. Esta mudança de estado é O vapor é a água no estado gasoso. Esta mudança de estado é

proporcionada pelo efeito direto do calor e inverso da pressão. proporcionada pelo efeito direto do calor e inverso da pressão. Quanto maior for a pressão, mais elevada será a temperatura de Quanto maior for a pressão, mais elevada será a temperatura de vaporização da água e mais energia o vapor transportará pelas vaporização da água e mais energia o vapor transportará pelas moléculas de água que o constitui. Ao se condensar, a mesma moléculas de água que o constitui. Ao se condensar, a mesma energia que as moléculas absorveram para passar para fase vapor energia que as moléculas absorveram para passar para fase vapor é liberada para o meio, resultando aí na transferência de energia na é liberada para o meio, resultando aí na transferência de energia na forma de calor.forma de calor.

Existem basicamente dois tipos de vapor:Existem basicamente dois tipos de vapor:

Vapor saturado:Vapor saturado: É um vapor “úmido”, contendo pequenas gotículas É um vapor “úmido”, contendo pequenas gotículas de água, sendo obtido da vaporização direta da mesma. Quando de água, sendo obtido da vaporização direta da mesma. Quando este tipo de vapor se condensa, cede calor latente. É usado para este tipo de vapor se condensa, cede calor latente. É usado para aquecimento direto ou indireto.aquecimento direto ou indireto.

Vapor superaquecidoVapor superaquecido: É obtido através do aquecimento conveniente : É obtido através do aquecimento conveniente do vapor saturado, resultando em um vapor seco. É usado para do vapor saturado, resultando em um vapor seco. É usado para transferência de energia cinética, ou seja, para geração de trabalho transferência de energia cinética, ou seja, para geração de trabalho mecânico (turbinas).mecânico (turbinas).

CombustãoCombustão

A combustão nada mais é do que uma reação de oxidação de A combustão nada mais é do que uma reação de oxidação de um material denominado “combustível” com o oxigênio um material denominado “combustível” com o oxigênio (comburente), liberando calor. A equação genérica para o (comburente), liberando calor. A equação genérica para o processo é:processo é:

COMBUSTÍVEL + OXIGÊNIO COMBUSTÍVEL + OXIGÊNIO CALOR + Produtos (CO CALOR + Produtos (CO22, H, H22O, CO, O, CO, etc.)etc.)

Diversos combustíveis são usados para queima em caldeiras de Diversos combustíveis são usados para queima em caldeiras de produção de vapor. Entre eles destacam-se: lenha, óleos produção de vapor. Entre eles destacam-se: lenha, óleos pesados, óleo de xisto, gás (natural e GLP), gases de alto pesados, óleo de xisto, gás (natural e GLP), gases de alto forno ou de hulha, gases de escape de turbinas a gás, forno ou de hulha, gases de escape de turbinas a gás, carvão mineral, bagaço de cana, palha de arroz, resíduos em carvão mineral, bagaço de cana, palha de arroz, resíduos em geral, cavacos e cascas de madeira, licor negro (caldeira de geral, cavacos e cascas de madeira, licor negro (caldeira de recuperação), entre outros.recuperação), entre outros.

CaldeirasCaldeiras

IntroduçãoIntrodução Tipos de EquipamentoTipos de Equipamento

Caldeiras Fogotubulares (ou Caldeiras Fogotubulares (ou flamotubulares)flamotubulares)

Caldeiras AquatubularesCaldeiras Aquatubulares Equipamentos PeriféricosEquipamentos Periféricos

Pré-Aquecedor de ArPré-Aquecedor de Ar EconomizadorEconomizador Soprador de FuligemSoprador de Fuligem SuperaquecedorSuperaquecedor

CaldeirasCaldeiras

As caldeiras (“boilers” do inglês) são equipamentos As caldeiras (“boilers” do inglês) são equipamentos destinados basicamente à produção de vapor, destinados basicamente à produção de vapor, seja ele saturado ou superaquecido. seja ele saturado ou superaquecido.

Dentro de uma unidade de processo, a caldeira é Dentro de uma unidade de processo, a caldeira é um equipamento de elevado custo e um equipamento de elevado custo e responsabilidade, cujo projeto, operação e responsabilidade, cujo projeto, operação e manutenção são padronizados e fiscalizados por manutenção são padronizados e fiscalizados por uma série de normas, códigos e legislações. No uma série de normas, códigos e legislações. No Brasil, o Ministério do Trabalho é responsável Brasil, o Ministério do Trabalho é responsável pela aplicação da NR-13, que regulamenta todas pela aplicação da NR-13, que regulamenta todas as operações envolvendo caldeiras e vasos de as operações envolvendo caldeiras e vasos de pressão no território nacional. pressão no território nacional.

Caldeiras Fogotubulares (ou Caldeiras Fogotubulares (ou flamotubulares)flamotubulares)

São equipamentos derivados das caldeiras São equipamentos derivados das caldeiras antigas, onde o fogo e os gases quentes da antigas, onde o fogo e os gases quentes da combustão circulam no interior dos tubos e a combustão circulam no interior dos tubos e a água a ser vaporizada circula pelo lado de água a ser vaporizada circula pelo lado de fora. Ambos são contidos por uma carcaça fora. Ambos são contidos por uma carcaça cilíndrica denominada casco. Os tubos podem cilíndrica denominada casco. Os tubos podem ser verticais ou horizontais, dependendo do ser verticais ou horizontais, dependendo do modelo.modelo.

Normalmente este tipo de caldeira tem produção Normalmente este tipo de caldeira tem produção de vapor limitada a cerca de 40 t/ h e pressão de vapor limitada a cerca de 40 t/ h e pressão de operação máxima de 16 Kgf/ cmde operação máxima de 16 Kgf/ cm22. .

Figura 5: Representação

de uma caldeira flamotubular

tubulão câmara de retorno

queimador

saída de gases para chaminé

Caldeiras AquatubularesCaldeiras Aquatubulares

Surgiram da necessidade de maiores Surgiram da necessidade de maiores produções de vapor e maior pressão produções de vapor e maior pressão de operação. Nestes modelos, a água de operação. Nestes modelos, a água ocupa o interior dos tubos, enquanto ocupa o interior dos tubos, enquanto que o fogo e os gases quentes ficam que o fogo e os gases quentes ficam por fora. Existem modelos com por fora. Existem modelos com produção de vapor superiores a 200 t/ produção de vapor superiores a 200 t/ h e pressão de operação da ordem de h e pressão de operação da ordem de 300 Kgf/ cm300 Kgf/ cm22 (caldeiras supercríticas). (caldeiras supercríticas).

tanque de smelt

Saída de smelt

bullnose

economizadores

coletores de cinzas

saída de smelt

convector

balão de vapor

superaquecedor

entradas de ar

fornalha

screen

saída de gases de combustão

distribuidores de água

Figura 6: Representação

de uma caldeira aquatubular

entrada de combustív

el

seção de transferência

de calor convectiva

Figura 7: Fluxograma de

uma caldeira de recuperação aquatubular

Dados técnicos de exemplos Dados técnicos de exemplos de caldeiras de recuperaçãode caldeiras de recuperação

Pré-aquecedor de arPré-aquecedor de ar

Tem por finalidade aquecer o ar que Tem por finalidade aquecer o ar que será alimentado na fornalha, de modo será alimentado na fornalha, de modo a conseguir um aumento na a conseguir um aumento na temperatura do fogo e melhorar a temperatura do fogo e melhorar a transferência de calor por radiação. transferência de calor por radiação. Com isto também se consegue Com isto também se consegue aumento na eficiência do equipamento aumento na eficiência do equipamento e economia de combustível.e economia de combustível.

Tem por objetivo pré-aquecer a água Tem por objetivo pré-aquecer a água que alimentará a caldeira usando o que alimentará a caldeira usando o calor dos gases de combustão que calor dos gases de combustão que saem do equipamento. Consegue-se, saem do equipamento. Consegue-se, assim, melhor rendimento na assim, melhor rendimento na produção de vapor, respostas mais produção de vapor, respostas mais rápidas e economia de combustível.rápidas e economia de combustível.

EconomizadorEconomizador

Trata-se de um dispositivo que Trata-se de um dispositivo que penetra no interior do feixe tubular, penetra no interior do feixe tubular, fazendo um jateamento de vapor na fazendo um jateamento de vapor na parte externa do feixe. Com isso, parte externa do feixe. Com isso, consegue-se remover possíveis consegue-se remover possíveis depósitos de fuligem aderidos aos depósitos de fuligem aderidos aos tubos que podem prejudicar as tubos que podem prejudicar as operações de troca térmica.operações de troca térmica.

Soprador de fuligemSoprador de fuligem

São equipamentos destinados a aquecer o vapor São equipamentos destinados a aquecer o vapor saturado produzido na caldeira e torná-lo seco, saturado produzido na caldeira e torná-lo seco, apropriado para ser usado em operações de apropriado para ser usado em operações de geração de energia mecânica, como acionamento geração de energia mecânica, como acionamento de turbinas. O superaquecedor normalmente é de turbinas. O superaquecedor normalmente é construído com vários conjuntos em paralelo de 2 a construído com vários conjuntos em paralelo de 2 a 4 tubos em forma “U”, formando uma serpentina 4 tubos em forma “U”, formando uma serpentina colocada no alto da fornalha. Pelo fato de trabalhar colocada no alto da fornalha. Pelo fato de trabalhar somente com vapor, qualquer fluxo de água da somente com vapor, qualquer fluxo de água da caldeira que atinge o superaquecedor irá caldeira que atinge o superaquecedor irá imediatamente vaporizar-se e, caso a mesma imediatamente vaporizar-se e, caso a mesma contenha certa quantidade de sais dissolvidos, os contenha certa quantidade de sais dissolvidos, os mesmos se incrustarão no equipamento.mesmos se incrustarão no equipamento.

SuperaquecedorSuperaquecedor

Sistemas de resfriamentoSistemas de resfriamento

Refrigeração e resfriamentoRefrigeração e resfriamento Sistemas Abertos de ResfriamentoSistemas Abertos de Resfriamento Sistemas Semi-Abertos (ou Abertos de Sistemas Semi-Abertos (ou Abertos de

Recirculação)Recirculação) Sistemas Fechados (“Closed-Systems”)Sistemas Fechados (“Closed-Systems”) Processos que Exigem Operações de Processos que Exigem Operações de

ResfriamentoResfriamento Torres de ResfriamentoTorres de Resfriamento

Conceitos geraisConceitos gerais

IntroduçãoIntrodução

A água é largamente utilizada em A água é largamente utilizada em vários processos como agente de vários processos como agente de resfriamento. Além de sua resfriamento. Além de sua abundância em nosso planeta, a abundância em nosso planeta, a água apresenta um calor específico água apresenta um calor específico relativamente elevado, tornando-a relativamente elevado, tornando-a própria para as operações de própria para as operações de resfriamento.resfriamento.

Resfriamento e refrigeraçãoResfriamento e refrigeração

““Resfriamento” indica uma redução Resfriamento” indica uma redução de temperatura, em qualquer de temperatura, em qualquer intervalo que seja, intervalo que seja,

““Refrigeração” indica, Refrigeração” indica, especificamente, a redução de especificamente, a redução de temperatura a valores abaixo de 0º C temperatura a valores abaixo de 0º C (273 K).(273 K).

Sistemas abertos de Sistemas abertos de resfriamentoresfriamento

Também chamado de sistema de uma só passagem (“once-Também chamado de sistema de uma só passagem (“once-through”), é empregado quando existe disponibilidade de água through”), é empregado quando existe disponibilidade de água suficientemente alta, com qualidade e temperatura satisfatórias suficientemente alta, com qualidade e temperatura satisfatórias para as necessidades do processo. A água é captada de sua para as necessidades do processo. A água é captada de sua fonte, circula pelo processo de resfriamento e é descartada ao fonte, circula pelo processo de resfriamento e é descartada ao final, com uma temperatura mais elevada.final, com uma temperatura mais elevada.

Neste tipo de sistema não há como proceder um tratamento Neste tipo de sistema não há como proceder um tratamento químico conveniente da água, uma vez que volumes muito altos químico conveniente da água, uma vez que volumes muito altos estão envolvidos. Além disso, este processo tem o estão envolvidos. Além disso, este processo tem o inconveniente de gerar a chamada “poluição térmica”, que inconveniente de gerar a chamada “poluição térmica”, que pode comprometer a qualidade do curso de água onde é pode comprometer a qualidade do curso de água onde é despejada.despejada.

Emprega-se este sistema em locais próximos a fontes Emprega-se este sistema em locais próximos a fontes abundantes e/ ou pouco onerosas de água. abundantes e/ ou pouco onerosas de água.

Sistemas semi-abertos de Sistemas semi-abertos de resfriamentoresfriamento

É utilizado quando existe demanda elevada e É utilizado quando existe demanda elevada e disponibilidade limitada de água.disponibilidade limitada de água.

Após passar pelos equipamentos de troca térmica Após passar pelos equipamentos de troca térmica que devem ser resfriados, a água aquecida que devem ser resfriados, a água aquecida circula por uma instalação de resfriamento (torre, circula por uma instalação de resfriamento (torre, lagoa, “spray”, etc.) para reduzir sua temperatura lagoa, “spray”, etc.) para reduzir sua temperatura e tornar-se própria para o reuso.e tornar-se própria para o reuso.

Apresenta um custo inicial elevado, porém Apresenta um custo inicial elevado, porém resolve o problema de eventual escassez de resolve o problema de eventual escassez de água, possibilita menor volume de captação e água, possibilita menor volume de captação e evita o transtorno da poluição térmica. Pode ser evita o transtorno da poluição térmica. Pode ser submetido a um tratamento químico adequado, submetido a um tratamento químico adequado, capaz de manter o sistema em condições capaz de manter o sistema em condições operacionais satisfatórias e, com isto, pode-se operacionais satisfatórias e, com isto, pode-se reduzir os custos operacionais do processo.reduzir os custos operacionais do processo.

Sistemas fechados de Sistemas fechados de resfriamentoresfriamento

É aplicado em processos nos quais a água deve ser É aplicado em processos nos quais a água deve ser mantida em temperaturas menores ou maiores do que mantida em temperaturas menores ou maiores do que as conseguidas pelos sistemas semi-abertos.Também as conseguidas pelos sistemas semi-abertos.Também é empregado em instalações pequenas e móveis. é empregado em instalações pequenas e móveis.

Neste sistema, a água (ou outro meio) é resfriada em Neste sistema, a água (ou outro meio) é resfriada em um trocador de calor e não entra em contato direto um trocador de calor e não entra em contato direto com os demais fluidos do processo (ar, gases, etc.)com os demais fluidos do processo (ar, gases, etc.)

Alguns exemplos que utilizam este sistema são: Alguns exemplos que utilizam este sistema são: circuitos fechados para resfriamento de compressores, circuitos fechados para resfriamento de compressores, turbinas a gás, instalações de água gelada, radiadores turbinas a gás, instalações de água gelada, radiadores de motores a combustão interna (automóveis, de motores a combustão interna (automóveis, caminhões, tratores, máquinas estacionárias) e caminhões, tratores, máquinas estacionárias) e algumas instalações de ar condicionado e algumas instalações de ar condicionado e refrigeração.refrigeração.

Processos que Exigem Processos que Exigem Operações de ResfriamentoOperações de Resfriamento

Operações siderúrgicas, metalúrgicas, fundições, usinagens, Operações siderúrgicas, metalúrgicas, fundições, usinagens, resfriamento de fornos, moldes, formas, etc.resfriamento de fornos, moldes, formas, etc.

Resfriamento de reatores químicos, bioquímicos e nucleares.Resfriamento de reatores químicos, bioquímicos e nucleares.

Condensação de vapores em operações de destilação e Condensação de vapores em operações de destilação e evaporadores, colunas barométricas, descargas de turbinas de evaporadores, colunas barométricas, descargas de turbinas de instalações termelétricas e nucleares, etc.instalações termelétricas e nucleares, etc.

Resfriamento de compressores e gases frigoríficos em circuitos de Resfriamento de compressores e gases frigoríficos em circuitos de refrigeração (condensadores evaporativos), incluindo operações refrigeração (condensadores evaporativos), incluindo operações de ar condicionado e de frio alimentar.de ar condicionado e de frio alimentar.

Arrefecimento de mancais, peças, partes móveis, lubrificantes, Arrefecimento de mancais, peças, partes móveis, lubrificantes, rotores e inúmeras máquinas e equipamentos.rotores e inúmeras máquinas e equipamentos.

Resfriamento dos mais variados fluidos (líquidos e gases) em Resfriamento dos mais variados fluidos (líquidos e gases) em trocadores de calor, entre muitas outras aplicações.trocadores de calor, entre muitas outras aplicações.

Torres de ResfriamentoTorres de Resfriamento

Existem vários modelos e disposições Existem vários modelos e disposições diferentes de torres e sistemas de diferentes de torres e sistemas de resfriamento de água, cada qual com resfriamento de água, cada qual com suas aplicações mais usuais e suas aplicações mais usuais e respectivas vantagens e respectivas vantagens e desvantagens.desvantagens.

Torres de resfriamentoTorres de resfriamento

Figura 8: Modelo clássico de torre de resfriamento, mostrando seus Figura 8: Modelo clássico de torre de resfriamento, mostrando seus principais componentes.principais componentes.

Torres de resfriamentoTorres de resfriamento

Figura 9: Torres de resfriamento de águas diversas

Sistema de resfriamento do Sistema de resfriamento do tipo “spray-pond”.tipo “spray-pond”.

Figura 10: Sistema de resfriamento do tipo spray-pond