sistemas térmicos ii - ciclos de potência - geradores de vapor

Universidade Federal do Par UFPA Instituto de Tecnologia - ITEC

Faculdade de Engenharia Mecnica - FEM

Ciclos de Potncia Geradores de Vapor

TE 04182 Sistemas Trmicos II: Mquinas e Sistemas a Vapor Aulas 9 e 10

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Prof. Eraldo Cruz dos Santos, Dr. Eng.

Prof. Eraldo Cruz dos Santos, Dr. Eng. 04/05/2015 2

TPICOS DA APRESENTAO

CICLO DE POTNCIA: GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS): Classificao das Caldeiras;

Quanto ao tipo de Construo o Caldeiras Aquatubulares; Caractersticas; Vantagens e Desvantagens;

Segurana de Caldeiras; o Caldeiras Eltricas; o Caldeiras de Fluido Trmico;

Quanto tiragem do ar; Quanto Montagem; Quanto Circulao da gua; Quanto a sustentao;

EXEMPLOS DE APLICAO DE GERADORES DE VAPOR; COMPONENTES DOS GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS); REVISO.


REVISO

Assuntos da Semana Passada

Ciclos de Potncia a Vapor: Caractersticas; Sistemas; Componentes; Esquema Bsico.

Ciclo de Potncia: Geradores de Vapor (Caldeiras): Conceitos e Definies;

Temperatura de saturao; Calor sensvel e calor latente; Capacidade do Gerador de vapor Caldeiras.

Aplicaes das Caldeiras; Princpio de Funcionamento de uma Caldeira; Classificao das Caldeiras;

Exemplos de Aplicao de Ciclos de Potncia; Reviso.


CICLO DE POTNCIA: GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)

Classificao das Caldeiras

Caldeira Aquatubular ou Aquotubular:

Neste tipos de caldeiras os gases de combusto

passam por fora de um banco de tubos, onde circula a gua

a ser vaporizada.

As caldeiras aquotubulares podem ser construdas nas seguintes disposies:

Tubos retos; Tubos curvos; Perfil A; Perfil D; Perfil O; Lmina, cortina ou parede dgua.




Caldeira

Aquatubular ou

Aquotubular:





As caldeiras aquatubulares tm as seguintes caractersticas:

A gua passa em tubos que cercam a regio de

combusto e de passagem dos gases;

Geralmente operando com grandes capacidades

e altas presses.

Apresenta maior capacidade de produo de

vapor por unidade de rea de troca de calor;

Maior superfcie de aquecimento;





Menor volume de gua por m de superfcie

de aquecimento;

Tem custo at 50% maior que uma

flamotubular de capacidade equivalente;

Construo mais complexa;

Pode produzir vapor superaquecido.





As principais vantagens das caldeiras aquotubulares so:

Trabalha com grandes presses ente 50 a 165

(bar);

Grandes produes de vapor;

Rapidez de arranque ou partida quando cheia;

Fcil adaptao a diferentes tipos de

combustvel.





As principais desvantagens das caldeiras deste

tipo so:

Grandes dimenses do conjunto;

So equipamentos sensveis s variaes bruscas

de carga;

Grandes exigncias na qualidade da gua de

alimentao devido elevada presso de

funcionamento;

Tem elevado custo de manuteno e operao;

Apresenta grande complexidade de montagem.


SEGURANA DE CALDEIRAS




Caldeira Eltrica:

Nestas caldeiras so utilizados dispositivos

eltricos para aquecimento da gua. Elas se dividem em:

Tipo eletrodo submerso: geralmente destinado a

trabalhar com presses de vapor no muito elevadas

(aproximadamente 15 kgf/cm2). So utilizados um

sistema de eletrodos submersos a baixa tenso (220 a

440 V), existe tambm nessa modalidade a alta tenso

(3800 a 13800 V).




Caldeira Eltrica:

1 - Corpo da Caldeira;

2 Eletrodo;

3 - Cmara de Vapor;

4 - Bomba de Circulao;

5 - Bomba de Alimentao de gua;

6 - Eliminador de gua;

7 - Vlvula de Segurana.




Caldeira Eltrica:

Tipo jato de gua (cascata): destinada a

presses de vapor elevadas e grandes quantidades

de vapor. Este tipo de caldeira esto disponveis

apenas para alta tenso (3,8 a 13,8 kV).




Caldeira Eltrica:

1. Vlvula de Descarga de Fundo;

2. Bomba de Circulao;

3. Vlvula Controle de Vazo;

4.Vlvula de Segurana;

5. Haste do Condutor;

6. Isoladores;

7. Vlvula de Sada de vapor;

8. Eletrodo;

9. Cilindro com Injetores;

10. Injetores;

11. Contra eletrodos;

12. Aquecedor de Partida;

13. Entrada de gua de Alimentao.




Caldeira Eltrica:

Tipo resistncia: destinada, geralmente, a

pequenas produes de vapor. Na maioria das

vezes so do tipo horizontal, utilizando

resistncias de imerso.




Caldeira Eltrica:

As principais caractersticas das caldeiras

eltricas so:

No necessita de rea para estocagem de

combustvel;

Ausncia total de poluio (no h emisso de gases);

Baixo nvel de rudo;

Modulao da produo de vapor de forma rpida e

precisa;




Caldeira Eltrica:

Alto rendimento trmico (aproximadamente

98,0%);

Promove a melhora do fator de potncia e fator

de carga;

rea reduzida para instalao da caldeira;

Necessidade de aterramento da caldeira de

forma rigorosa;

Tratamento de gua rigoroso.




Caldeira de Fluido Trmico:

Nestes tipos de caldeira geralmente no ocorre

vaporizao do fluido trmico, mas apenas aquecimento nos

tubos.


EXERCCIO DE APLICAO DE CICLOS DE POTNCIA

Exerccio 1: A Figura abaixo mostra uma instalao de

potncia a vapor simples operando em regime

permanente com gua circulando nos componentes.

Dados relevantes em posies chave so fornecidos

na Figura. A vazo mssica da gua de 109 (kg/s).

Efeitos de energia cintica e potencial, juntamente

com a transferncia de calor perdidas para as

vizinhanas, podem ser desprezados. Determine:

(a) a eficincia trmica;

(b) a vazo mssica da gua de resfriamento que

passa pelo condensador, em kg/s.


EXERCCIO DE APLICAO DE CICLOS DE POTNCIA




Quanto a Tiragem do ar:

Quanto tiragem de ar as caldeiras podem ser:

Caldeira de tiragem mecnica forada;

Caldeira de tiragem mecnica induzida;

Caldeira de tiragem combinada ou

balanceada;

Caldeira a tiragem natural.






Caldeira de tiragem mecnica forada: o ar de

combusto soprado mecanicamente para a queima

de combusto do queimador, isto , o fluxo dos gases

obtido atravs da instalao de um ventilador na linha

de ar de combusto, forando-o a entrar na cmara de

combusto. A presso na cmara de combusto deste

tipo de equipamento normalmente positiva. Este o

tipo mais comum de caldeira utilizada;



Classificao das Caldeiras Quanto a Tiragem do ar:


Caldeira de tiragem mecnica forada





Caldeira de tiragem mecnica induzida: os gases de

combusto so aspirados mecanicamente para fora

da cmara e o ar de combusto aspirado pelo vcuo

da cmara de combusto, ou seja, o fluxo dos gases

obtido atravs da instalao de um ventilador na sada

de gases, induzindo, assim, os gases a percorrerem o

gerador de vapor;





Caldeira de tiragem mecnica induzida:





Caldeira de tiragem combinada ou balanceada: o

ar de combusto soprado e existe outro

ventilador que aspira aos gases de combusto, isto

, instalam-se dois ventiladores: um de tiragem

forada que vence as perdas de carga at a entrada

da cmara de combusto, e outro de tiragem

induzida que vence o restante das perdas de carga;





Caldeira de tiragem combinada ou balanceada:





Caldeira a tiragem natural: os gases de combusto

so aspirados pelo efeito chamin, ou seja, na

tiragem natural o fluxo de gases conseguido

unicamente pela ao da chamin devido diferena

de densidades ao longo da mesma, provocada pela

diferena de temperatura entre os gases de

combusto e o ar que entra.




Quanto Montagem:

Quanto montagem as caldeiras podem ser:

Caldeiras compactas (pr-montadas): so as que

tm pequena estrutura podendo ser montada em

locais com pouco espao;

Caldeiras montada no campo: que so mquinas que

ocupam grandes espaos impedindo assim a sua

movimentao.




Quanto montagem

Compactas Montadas no Campo




Quanto Circulao da gua:

Quanto circulao do ar nas reas internas

de uma caldeira podem ser:

Circulao natural;

Circulao forada;

Combinada.




Quanto Sustentao:

Quanto sustentao uma caldeira

pode ser:

Autossustentadas;

Suspensas;

Sustentao mista.


COMPONENTES DOS GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)

Atualmente os geradores de vapor de grande

porte so constitudos de uma associao de

componentes de maneira a constiturem um aparelho

complexo. o exemplo mais completo que se pode

indicar principalmente quando destinado queima de

combustveis slidos.

A seguir sero listados alguns componentes da

caldeira por queima de combustvel que composta

essencialmente por:



Reservatrio de gua: utilizado para armazenar

gua fria ou quente estes so conhecidos por tanques

de alimentao ou condensados.

Reservatrio para o combustvel: este um

equipamento cuja capacidade varia de acordo com as

necessidades do trabalho, e deve possuir um sistema

de aquecimento dependendo do tipo de combustvel

utilizado, como por exemplo: BPF, TIPO E.



Resfriador

de Amostra

Troca de

Calor

Sada de

gua

Entrada

de gua

Dreno

Tanque de

Lavagem

de Vapor



Pr-Aquecedor de leo: um equipamento situado

antes da entrada do combustvel no queimador, serve

para aquecer o leo (somente os que necessitam de

aquecimento) fazendo-o atingir uma viscosidade ideal

de escoamento.

Tubulaes: interligam os reservatrios gua s

caldeiras, devem ser projetadas e executadas

adequadamente utilizando materiais apropriados e

normalizados.



A) Cinzeiro; B) Fornalha; C) Cmara de combusto; D) Tubos evaporadores; E) Superaquecedor; F) Economizador;

G) Pr-aquecedor de ar; H) Canais de gases; I) Chamin..



Vlvulas: So dispositivos destinados ao controle

do fluxo de gua para a alimentao da caldeira

So classificadas de acordo com a finalidade

operacional conforme segue:

Vlvulas de Regulagem de vazo;

Vlvulas de Reteno;

Vlvulas de Alvio;

Vlvulas de Derivao.



Vlvula Regulagem de vazo Vlvula de Controle

Vlvula de Bloqueio Vlvula de Controle e Alvio



Grelha: o local de deposio do combustvel slido

para queima; para os geradores de vapor que utilizam

combustveis lquidos ou gasosos, substitudo pelo

atomizador.

Cinzeiro: o local onde se depositam cinzas e ou,

eventualmente, restos de combustveis que

atravessam o suporte de queima sem completarem sua

combusto.



Cinzeiro



Fornalha: o local onde se inicia o processo de

queima seja de combustvel, slido liquido ou

gasoso:

Fornalhas para queima de combustvel slido;

Fornalha com grelhas basculantes;

Fornalha com grelha rotativa;

Fornalhas para queima de combustvel em

suspenso.



Fornalha



Corpo da caldeira de ao: constituindo-se de um

reservatrio dentro do qual a gua alimentada se

transforma em vapor.

Tubos internos (Feixe tubular): normalmente

produzidos em tubos de ao, por onde passam os gases

muito quentes, provenientes da combusto, ou passa

gua que sofre o aquecimento, envolvida pelos gases

que circundam os tubos cheios de gua.



Feixe Tubular



Alimentador de combustvel (manual ou automtico):

construdo por um conjunto de equipamentos destinados

a direcionar o combustvel para o queimador;

Ventilador: utilizado para aumentar a circulao do ar

dentro do queimador;

Queimador de combustvel: os queimadores so peas

destinadas a promover, de forma adequada e eficiente,

a queima dos combustveis em suspenso, ou seja, um

aparelho destinado a atomizar o combustvel,

misturando-o convenientemente com o ar, a fim de

obter uma boa combusto.



Componentes dos Queimadores



Queimador Ciclnico



Queimador de combustvel:

Cmara de combusto: o local onde o

combustvel queimado. Neste local o deve existir

um volume onde se deve consumir todo o

combustvel antes de os produtos de combusto

atingir e penetrar no feixe de tubos ;

Cmara de gua: contm a gua a ser aquecida;

Cmara de vapor: o local situado acima do nvel

de gua que recebe o vapor formado.



Tubos evaporadores: correspondem ao vaso

fechado e pressurizado com tubos contendo gua no

seu interior, a qual, ao receber calor, transforma-se

em vapor.

Superaquecedor: responsvel pela elevao da

temperatura do vapor saturado gerado na caldeira

produzindo vapor superaquecido.



Cmara de Combusto



Economizador: componente onde temperatura da

gua de alimentao sofre elevao, aproveitando o

calor sensvel residual dos gases da combusto

direcionados chamin, ou seja, este um

equipamento que aproveita o calor residual dos

gases de combusto para aumentar a temperatura

da gua de alimentao.



Esquema do Economizador



Pr-aquecedor de ar: o componente cuja funo

aquecer o ar de combusto para introduzi-lo na fornalha,

aproveitando o calor sensvel dos gases da combusto.



Canais de gases: so trechos ou finais de circulao

dos gases de combusto at a chamin. Podem ser de

alvenaria ou de chapas de ao, conforme a

temperatura dos gases que neles circulam.

Tubulao de sada de vapor ou Tubulo de vapor:

o vapor produzido dentro da caldeira deve ser enviado

aos pontos de utilizao. Isso feito por uma

tubulao que se inicia na caldeira e vai at os pontos

de interesse.



Tubulao de sada de gases queimados: depois de

aquecer a gua da caldeira, os gases queimados saem

desta, sendo dispostos na atmosfera.

Balo de vapor de dgua ou Tubulo de gua: o

dispositivo que coleta e conduz o vapor produzido na

caldeira. um tambor horizontal localizado na parte

inferior da caldeira, normalmente com dimenses

menores do que o tubulo de vapor, ficando sempre

cheio dgua.



Isolamento e refratrios: Isolam a cmara de

combusto dos elementos estruturais, irradiando o

calor no absorvido pelos tubos de volta para dentro

da cmara, o que evita perdas de calor para o exterior

e protege a carcaa metlica.

Estrutura e carcaa metlica: A estrutura e a

carcaa de chapas metlicas, que envolvem a caldeira,

sustentam o isolamento e os refratrios, alm de

todos os internos, garantindo a estanqueidade.

Formam tambm chicanas para direcionamento do

fluxo de gases de combusto. As chicanas podem ser

apenas paredes de refratrios.



Chamin: que realiza a descarga dos vapores para a

atmosfera, ou seja, a parte que garante a

expulso dos gases de combusto com velocidade e

altura determinadas para o ambiente e,

indiretamente promove a boa circulao dos gases

quentes da combusto, atravs de todo o sistema

pelo chamado efeito de tiragem.

Vlvulas de descarga (extrao) de fundo: para

esvaziamento, tirar resduos e dispor o lodo criado

pelo tratamento de gua;



Vlvulas de segurana: um dispositivo utilizado

contra excesso de presso: atuam no caso de a

presso do vapor na caldeira se elevar mais do que

o desejado;

Dispositivos ou instrumentao de controle:

controlam a entrada de gases combustveis, a

ligao do acendedor da queima dos gases e o

acionamento do motor da bomba de gua que

alimenta a caldeira;



Sistemas auxiliares de manuseio de combustvel:

dependendo do tipo de combustvel utilizado este

sistema pode ser composto por picadores, esteiras,

filtros, grelhas, etc., destinados a preparao do

combustvel a ser utilizado pelos queimadores da

caldeira;

Dreno: o dispositivo utilizado para retirada de

condensados e produtos da combusto.


EXEMPLOS DE APLICAO DO CICLO DE CARNOT

Exerccio 2: Em uma mquina cclica o vapor saturado se forma

presso de 10 (kgf/cm2) e se condensa a 0,1 (kgf/cm2).

Considerando uma vazo mssica de 10000 (kg/h) e que o

ttulo da irreversibilidade de 0,9 e na sada do condensador

de 19,8 (%). Determinar:

a) Se a mquina reversvel;

b) Em que parte do ciclo se processa a irreversibilidade e

c) Qual a quantidade de calor perdida em virtude da

irreversibilidade.


REVISO

Assuntos da Semana Ciclo de Potncia: Geradores de Vapor (Caldeiras): Classificao das Caldeiras;

Quanto ao tipo de Construo o Caldeiras Aquatubulares; Caractersticas; Vantagens e Desvantagens;

Segurana de Caldeiras; o Caldeiras Eltricas; o Caldeiras de Fluido Trmico;

Quanto tiragem do ar; Quanto Montagem; Quanto Circulao da gua; Quanto a sustentao;

Exemplos de Aplicao de Geradores de Vapor; Componentes dos geradores de vapor (Caldeiras); Reviso.


AGRADECIMENTO

MUITO OBRIGADO!

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