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Termodinâmica II
Trabalho de Termodinâmica
Alunos:
Rodrigo Ribeiro – 206949
Bruno Paviani – 210250
Deivid Moreti – 200156
Valdir Junior - 205975
Sistemas de Geração de Vapor - CaldeiraSistemas de Geração de Vapor - Caldeira
Produz vapor (Saturado e Superaquecido)
Variedade de formatos e tamanhos
Ampla gama de pressões de operação
Variedade de combustíveis
Turbinas das moendas
Turbo gerador de energia elétrica
Turbo bombas para recalque de água
Ventiladores / exaustores
Aquecimento da matéria prima para a fabricação de açúcar e álcool
É constituído de vasos fechados submetidos à pressão e contendo água que se transforma em vapor. Sua finalidade é gerar vapor para acionamento de:
Sistemas de Geração de Vapor - CaldeiraSistemas de Geração de Vapor - Caldeira
Deaerador
Água BrutaClarificador
Filtro
Reservatório
Vapor de Flash para usuários de baixa pressão
Tanque de Flash da purga Vapor para usuários
Purga contínua
Purga de fundo
Água de alimentação desaerada
Turbina
Condensador
Processo de aquecimento
Processo de aquecimento
Reservatório de condensado
Tanque de Flash de condensado
Tanque de Flash de condensado
Reservatório geral
Água para desaerador
Reposição
Vent
Reposição
Para desaerador
Fluxograma SimplificadoTratamento de água
Geração de Vapor
Consumidores
Vapor
Saturado – É o vapor cuja temperatura é exatamente a mesma da água em fase de vaporização. É empregado emprocessos de aquecimento onde o calor latente demudança de fase é o principal atributo. Exemplos:aquecimento indireto, esterilização, estufas de secagem,cozimento, catalizador de reações, etc.
Superaquecido – Trata-se do vapor que sofreu um acréscimo de temperatura a pressão constante. Seu comporta-mento assemelha-se ao de um gás e o principal atributo é sua energia potencial mecânica. Usadobasicamente para acionar elementos mecânicos eturbinas.
Os combustíveis são classificados em :
Sólido;
Líquido;
Gasoso
Bagaço de cana
Lenha
Carvão
Álcool
Óleo
Gás
Principais combustíveis Principais combustíveis
O tamanho das partículas do combustível. (quanto menor mais facilmente se combinam com o ar.).
A umidade do combustível.
Quantidade de ar.
Quantidade de combustível.
Temperatura do ar.
Relação de distribuição entre ar/combustível
Fatores que influenciam a eficiência.Fatores que influenciam a eficiência.
Classificação de acordo com o formato
A classificação mais abrangente e usual está relacionada como fluido situado no interior dos tubos de troca térmica.
Fogotubular – Caldeira onde os gases de combustão circulamno interior dos tubos e a água situa-se na região exterior. SãoEquipamentos para baixas pressões e produções de vapor. Já vem montadas e testadas da fábrica.
Aquatubular – Quando a água a ser vaporizada encontra-se nointerior dos tubos de troca térmica e os gases de combustão contatam a região oposta. São equipamentos geralmente de grande porte e necessitam ser montados no local de instalação.
Caldeira do tipo Fogotubular
As caldeiras fogotubular são assim classificadas pela forma que os gases, provenientes da combustão, trocam calor. Nesta configuração de caldeira, os gases passam pelo interior dos tubos do evaporador.
Caldeira do tipo Aquatubular
As caldeiras aquatubulares são classificadas pela vaporização da água que circula dentro dos tubos. No processo de produção de vapor das caldeiras aquatubulares, a água presente no interior dos tubos absorve calor da combustão dos gases que circulam do lado externo aos tubos.
Caldeira do tipo Aquatubular
Combustível
Oxigênio (Ar pré-aquecido)
Gases provenientes da Combustão
Caldeira do tipo Aquatubular
Troca de calorGases >>> Água
O ar é formado basicamente dos
componentes Oxigênio (O) e Nitrogênio (N)
que ficam agrupados em pares.
Princípios da CombustãoPrincípios da Combustão
A combustão é uma reação de uma substância (combustível) com o oxigênio (O2) (comburente) presente na atmosfera, com liberação de energia.
Princípios da CombustãoPrincípios da Combustão
A liberação ou consumo de energia durante uma reação é conhecida como variação da entalpia (ΔH), isto é, a quantidade de energia dos produtos da reação (Hp) menos a quantidade de energia dos reagentes da reação (Hr):
ΔH = Hp - Hr
Princípios da CombustãoPrincípios da Combustão
ΔH = Hp - Hr
Quando ΔH > 0 isto significa que a energia do(s) produto(s) é maior que a energia do(s) reagentes(s) e a reação é endotérmica, ou seja, absorve calor do meio ambiente. Quando ΔH < 0 o processo denomina-se exotérmico (o prefixo “exo” significa “para fora”), pois há liberação de calor.
Princípios da CombustãoPrincípios da Combustão
Queima de combustível
Transformação de água liquida
em vapor
Para transformação
do estado físico da água líquida, precisa absorver
44 kJ
Endotérmico
Para reação é fornecido O2 e combustível
Exotérmico
Principais componentes de uma Principais componentes de uma
caldeira Aquatubularcaldeira Aquatubular
É o elemento de ligação
dos tubos para possibilitar a
circulação de água na
caldeira, tem por função de
acumular lama formada pela
reação dos produtos
químicos com a água da
caldeira.
Tubulão de água (inferior)
EQUIPAMENTOS
Tubulão de água (inferior)
EQUIPAMENTOS
Tubulão de água externo
É um corpo cilíndrico contendo em seu interior água e vapor formado pela troca térmica entre os gases da combustão e a água em circulação na caldeira.
Tubulão de Vapor (Superior)
EQUIPAMENTOS
A principal função:
É a separação da
água do vapor.
Tubulão de vapor
EQUIPAMENTOS
Tubulão de vapor externo
Consiste em chicanas e
filtros que destinam-se
a reter água do vapor,
de maneira que esse
entre “seco” no
superaquecedor.
Separadores de vapor
EQUIPAMENTOS
Tubulão de água interno
Tubulão de vapor
EQUIPAMENTOS
Este equipamento é destinado a aumentar a temperatura de vapor saturado que sai do tubulão de vapor, tornando este mais seco sem aumentar sua pressão.
É constituído de tubos em forma de serpentina onde o vapor circula internamente e os gases externamente, recebendo diretamente a radiação da fornalha.
Superaquecedor
EQUIPAMENTOS
Radiação proveniente da calor emitido pela fornalha
É um dispositivo de segurança que deve atender de forma confiável e precisa como;
Válvula de Segurança
Abrir a uma pressão pré-determinada
Descarregar o volume previsto no dimensionamento e na sobre pressão permitida.
Fechar dentro do diferencial de alivio permitido, com a vedação inicial.
Seu funcionamento é
automático e comandado por
instrumentos.
Válvula de Controle
EQUIPAMENTOS
Tem por objetivos a remoção de resíduos sólidos
resultantes da combustão que aderem na parte externa
da tubulação do feixe tubular ou mesmo no
superaquecedor, dificultando a troca térmica /
eficiência do gerador de vapor (caldeira).
Podem ser retrátil ou rotativo fixo. É constituído de
tubo com vários furos ou bocais por onde o vapor é
soprado.
Sopradores de fuligem
Sua finalidade é de
aspirar o ar ambiente
e insufla-lo para
dentro da fornalha,
onde a combustão se
realiza.
Ventiladores de ar forçado
Sua função é retirar da caldeira todo o gás
formado pela combustão e criar pressão negativa
para entrada de ar(Oxigênio) para a
combustão permanecer ativa.
Ventilador de tiragem induzida (I.D.F.)
Destina-se a fazer o aquecimento do ar de combustão, através da troca térmica entre o gás passando por dentro dos tubos e o ar por fora.
Pré-aquecedores de ar
Localiza-se na saída de gases da caldeira logo após o feixe tubular.
Sua finalidade permitir ao operador verificar
o nível de água no tubulão de vapor, fator
este indispensável na SEGURANÇA de
operação da caldeira.
Indicadores de nível
EQUIPAMENTOS
Indicadores de nível
Tem por objetivo conduzir para
atmosfera os gases formados na
combustão. Quando a tiragem não é
efetuada por exaustores, sendo
portanto do tipo natural, são as
chaminés que mantém a depressão na
fornalha, portanto nesta condição eles
são de grande diâmetro e altura
elevada.
Chaminé
Estratégias de Controle de caldeiras
Em caldeiras aquatubulares onde a dinâmica de geração de vapor
é complexa e envolve diversas variáveis, é possível considerar duas
como sendo as de maior importância para a composição de uma
estratégia de controle eficiente: a pressão de vapor na saída do
equipamento e o nível de água no tubulão superior.
Controle de pressão da caldeira
A pressão deve ser controlada, pois normalmente o vapor gerado
no equipamento é utilizado em turbinas, evaporadores e
aquecedores, e sua pressão deve ser mantida numa faixa de variação
restrita para garantir a estabilidade destes equipamentos e do
processo de produção, também pontua que o controle de pressão é
realizado atuando diretamente no sistema de combustão, que por sua
vez é função das vazões de combustível e de ar que são inseridas na
caldeira, já que quanto maior a queima, maior a vaporização.
Controle de pressão da caldeira
Controle de nível da caldeira
É muito importante termos um controle de nível eficaz da
caldeira pois, a faixa de controle desta variável deve ser estreita o
bastante para que o equipamento não sofra com os dois extremos de
medição. O nível baixo poderia deixar os tubos internos da caldeira
sem água, o que possivelmente causaria a fusão do material devido
às altas temperaturas da chama dos queimadores. Já o nível alto
poderia promover o arraste de água líquida através da corrente de
vapor, reduzindo a qualidade do produto final e a eficiência do
equipamento e de seus consumidores.
Controle de nível da caldeira – 3 elementos
Exemplo de cálculo do consumo de combustível em relação a vazão de
vaporExemplo do cálculo do consumo de combustívelConsidere uma caldeira que aquece água inicialmente a 23,7ºC, gerando vapor com pressão absoluta de 7,0 kgf/cm2 a uma taxa de 1000 kg de vapor por hora com o uso de lenha como combustível. Uma amostra desta lenha foi levada a um laboratório e constatou-se que ela possui poder calorífico PCI = 3800 kcal/kg. O fabricante da caldeira estima que a eficiência energética do equipamento é de cerca de 55% com o uso da lenha.
Solução:
Na TAB. 1, procure pela linha cuja pressão seja 7,0 kgf/cm2. Obtém-se:
Hv = 659,9 kcal/kg
Solução:Subtraia deste valor, o valor de referência, que é em razão de a água de entrada estar a:
23,7ºC: (água saturada a 23,7ºC possui entalpia 23,81 kcal/kg.)
Ho = 23,81 kcal/kg
Obtém-se:
DHvap = Hv - Ho = 659,9 – 23,81 = 636,1 kcal/kg
Solução:A partir das demais informações fornecidas: Vazão de vapor = 1000 kg/h,PCI = 3800 kcal/kg,% Eficiência da caldeira = 55%,
calcula-se a taxa de entrada de combustível necessária utilizando a fórmula:
Solução:Tem se:
Logo Vazão de combustível = 304,3 kg/h.
Portanto, a cada hora são necessários 304,3 kg de lenha para cada 1000 kg de vapor gerados nesta caldeira, nas condições apresentadas
Exercícios proposto
Considere uma caldeira que aquece água inicialmente a 30ºC, gerando vapor com pressão absoluta de 8,0 kgf/cm2 a uma taxa de 1750 kg de vapor por hora com o uso de lenha como combustível. Uma amostra desta lenha foi levada a um laboratório e constatou-se que ela possui poder calorífico PCI = 3500 kcal/kg. O fabricante da caldeira estima que a eficiência energética do equipamento é de cerca de 47% com o uso da lenha.
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