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Termodinâmica e Otimização de Energia Térmica

Curso de Especialização em Eficiência Energética – DAELT - UTFPRProfº Fábio José Horta Nogueira

EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM CALDEIRAS E FORNOS

Curitiba, 23 e 24 de novembro de 2012



Sumário

• HISTÓRICO

• INTRODUÇÃO

• ÁGUA E VAPOR

• TIPOS DE CALDEIRAS

• COMBUSTÍVEIS E COMBUSTÃO

• ANÁLISE DE GASES

• EFICIÊNCIA DA CALDEIRA

• TRATAMENTO DA ÁGUA

• ASPECTOS SOBRE SEGURANÇA

• MEDIDAS DE ECONOMIA

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• HISTÓRICO

• INTRODUÇÃO

• ÁGUA E VAPOR








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O história do uso do calor se confunde com a própria história do homem.

É certo que um dos aceleradores da evolução humana foi o uso do fogo, pois isso possibilitou melhor alimentação, proteção e conforto.

Na antiga Grécia Idade existiam “engenhocas” que já usavam o vapor como fonte como fonte motriz.

O calor passou a ser usado maior intensidade na Século XVII, no início da Revolução Industrial com o aumento da mineração e avanço da metalurgia.

Depois disso o crescimento foi exponencial ...

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• Histórico


Curso de Especialização em Eficiência Energética – DAELT - UTFPRProfº Fábio José Horta Nogueira 5

Aeolipile - Heron de Alexandria

• Histórico



Aeolipile - Heron de Alexandria

• Histórico



Panela de pressão - Denis Papin

• Histórico



Elevador a vapor - Denis Papin

• Histórico



Elevador a vapor - Papin

• Histórico



Miner’s Friend - Thomas Savery

• Histórico



Máquina a vapor atmosférica - Newcomen

• Histórico



Máquina a vapor com condensador - James Watt

• Histórico




• Histórico



Hoje ...

• Histórico



• HISTÓRICO

• INTRODUÇÃO

• ÁGUA E VAPOR








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Segundo o BEN estima-se que 54% da demanda total de energia na indústria, que corresponde à cerca de 20% da demanda total de energia do país, cerca de 35 milhões de toneladas equivalentes de petróleo, esteja associada à produção de vapor.

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• Introdução



A utilização de calor a temperaturas relativamente baixas é muito freqüente em vários setores industriais e comerciais, como por exemplo na fabricação de alimentos e bebidas, nas indústrias têxtil, química e em praticamente todas agroindústrias.

É através do calor que se desidrata ou que se concentram produtos, é aquecendo reatores que se aceleram reações químicas e se eliminam agentes patogênicos.

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• Introdução



O uso de vapor como vetor de transporte de energia térmica traz grandes vantagens, que explicam sua grande disseminação. A água é uma substância facilmente disponível, pouco agressiva quimicamente e com grande capacidade de transportar energia.

Além disso, a transferência de calor com mudanças de fase, como via de regra acontece na geração e na utilização de vapor implica em elevadas taxas de transferência de energia por unidade de área, devido particularmente às variações de volume que ocorrem na vaporização e na condensação.

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• Introdução



Em média, cerca de 15 kg de vapor contém a energia de um kg de óleo combustível ou 3 kg de lenha.

Portanto, o vapor conjuga de forma muito interessante um baixo preço, alta densidade energética e elevada taxa de transferência de energia.

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• Introdução



• HISTÓRICO

• INTRODUÇÃO

• ÁGUA E VAPOR








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• Água e vapor



• HISTÓRICO

• INTRODUÇÃO

• ÁGUA E VAPOR








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www.chestofbooks.com/crafts/popular-mechanics/Things-To-Make

Quick Boiling Kettles

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• Tipos de caldeiras



Fogotubular Aquatubular

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a – corpo da caldeira b – câmara de inversãoc – tubo de fogo d – câmara de descargae – câmara anterior f – ciclone g – chapas de choque h – tubo de descarga i – queimador copo rotativo j – ventoinhak – quadro infeiror l – bombas de óleom – pré-aquecedor de óleo n – painel de comandoo – bombas de alimentação p – passarela 31




a – câmara de combustão

b – superaquecedor

c – feixe de tubos

d – tubos de queda

e – tambor superior

f – tambor inferior

g – acessórios do tubulão

h – economizador

i – pré-aquecedor de ar32




1 - corpo da caldeira

2 - eletrodo

3 - câmara de vapor

4 - bomba de circulação

5- bomba de alimentação de água

6 - eliminador de água

7 - válvula de segurança

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1- válvula de descarga de fundo2 - bomba de circulação3 - válvula controle de vazão4 - válvula de segurança5 - haste do condutor6 - isoladores7 - válvula de saída de vapor8 – eletrodos9 - cilindro com injetores10- injetores11- contra eletrodos12- aquecedor de partida13- entrada de água de alimentação

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• HISTÓRICO

• INTRODUÇÃO

• ÁGUA E VAPOR








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Combustíveis são substâncias, naturais ou

artificiais, que ao se combinar quimicamente com outra,

geram uma reação exotérmica rápida, desprendendo

calor e luz.

Inúmeros elementos e compostos químicos

possuem esta propriedade, principalmente quando a

reação é feita entre eles e o oxigênio.

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• Combustíveis e combustão



Classificação:

Naturais - Lenha, carvão mineral

Artificiais - Coque

Sólidos - Briquetes

Líquidos - Petróleo

Gasosos - Gás natural

Coloidais - Polpa de carvão37




Equipamentos de queima:

Grelhas fixas Grelhas móveis 38





Maçarico com pulverização a vapor 39





Queimador para gases 40




Sistemas de tiragem:

Tiragem forçada 41





Tiragem induzida 42





Tiragem balanceada 43




Equações de combustão:

Reação Calor Liberado

(kJ/kg)

Tipo de combustão

C + O2 CO232.600 Completa

2CO + O2 2CO210.100 Incompleta

2C + O2 2CO 9.990 Incompleta

2H2 + O2 2H2O 142.120 Completa

S + O2 SO29.190 Completa

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Reação estequiométrica com oxigênio:

CxHyOzSk + A (O2)

x CO2 + (y/2) H2O + k SO2

Onde:A = x + y/4 - z/2 + k coeficiente estequiométrico

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CxHyOzSk + A (O2 + 3,76 N2)

x CO2 + (y/2) H2O + k SO2 + 3,76 (A)N2

Reação estequiométrica com ar atmosférico:


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Relações Ar / Combustível estequiométricas:

A76,41

)76,31(A

c

a

z16yx12

A28,137

z16yx12

)28.76,332(A

c

a

Em volume:

Em peso:


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CxHyOz Sk + A (O2 + 3,76 N2)

x CO2 + (y/2) H2O + A 3,76 N2 + (-1) A O2

Reação com ar atmosférico em excesso:


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• HISTÓRICO

• INTRODUÇÃO

• ÁGUA E VAPOR








49



Determinação do excesso:

A76,4

)1CO%

100(xA

2

)100O%76,4(A

A100)xA(O%

2

2

Análise de gás carbônico

Análise de oxigênio

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• Análise de gases



Analisadores portáteis para gases de combustão




Controle do excesso de ar:

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• HISTÓRICO

• INTRODUÇÃO

• ÁGUA E VAPOR








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Cálculo da eficiência – Método Direto

f

u

Q

Q

fc

avvMD qm

hhm

.

)(

54

MD

vm

vh

ah

cmfq

Onde:

eficiência térmica pelo método direto

vazão em massa de vapor

entalpia do vapor

entalpia da água de alimentação

vazão em massa de combustível

poder calorífico do combustível




Cálculo da eficiência – Método Indireto

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MI

Kca /pc

fq

eficiência térmica pelo método indireto

outras perdas

excesso de ar

relação ar combustível

vazão em massa de combustível

temperatura dos gases

temperatura de referência

poder calorífico do combustível

f

CHpMI q

TTccaK

).()1(1 fRe

CHT

fReT

Onde:




• HISTÓRICO

• INTRODUÇÃO

• ÁGUA E VAPOR








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A água de uma determinada fonte pode ser potável e adequada ao consumo humano, mas provavelmente é imprópria para ser usada em caldeiras.

As águas naturais contem em dissolução sais minerais que vão se acumulando no interior caldeira e nos tubos prejudicando as trocas de calor, diminuindo a eficiência do equipamento e prejudicando a segurança da operação.

• Tratamento da água



• Tratamento da água



• HISTÓRICO

• INTRODUÇÃO

• ÁGUA E VAPOR








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No início do desenvolvimento das caldeiras os acidentes eram muito comuns, pois os primeiros fabricantes eram os carpinteiros e ferreiros !!

Com a evolução da técnica e a introdução dos códigos e normas esse problema foi reduzido.

No Brasil a NR-13 legisla sobre a segurança da operação, manutenção e inspeção desses equipamentos

• Aspectos sobre segurança



• Aspectos sobre segurança



• HISTÓRICO

• INTRODUÇÃO

• ÁGUA E VAPOR








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Redução dos vazamentos

Purgadores adequados

Recuperação do condensado

Uso do vapor flash

Uso do vapor direto

Cobertura dos recipientes aquecidos

Manutenção constante

Etc…

• Medidas de economia



Instalação de pré-ar 2%

Instalação de economizador 5%

Tratamento de água 5%

Limpeza de fuligem 2%

Isolamento externo 3%

Controle do excesso de ar até 15%

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• Medidas de economia



Façam um bom uso ...

Obrigado !!

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(35) 3622 3114

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