GERADORES DE VAPOR GERADORES DE VAPOR

Transcrição

1 Universidade Federal do Paraná Curso de Engenharia Industrial Madeireira MÁQUINAS TÉRMICAS AT-056 M.Sc. Alan Sulato de Andrade 1

2 DEFINIÇÃO: Geradores de Vapor (GV s) podem ser considerados como sendo trocadores de calor complexos que produzem vapor de água sob pressões superiores a atmosférica a partir da energia de um combustível e de um elemento comburente (Ar). DEFINIÇÃO: Estes equipamentos, são constituídos por diversos dispositivos associados estando estes perfeitamente integrados para permitir a obtenção do maior rendimento térmico possível. Estes equipamentos são conhecidos popularmente como caldeiras de vapor. Representação esquemática de um GV 2

3 DEFINIÇÃO: Caldeiras de vapor são essencialmente recipientes pressurizados no qual a água é introduzida e pela aplicação continua de energia é evaporada. A água evaporada é chamada de vapor, consistindo um dos fluídos de trabalho mais empregados na industria. Água Vapor Calor VAPOR: Fisicamente é a água no estado gasoso. Vapor de água 3

4 VAPOR: Vapor gerado Mudança de estado físico Transferência de energia Energia desprendida pelo combustível VAPOR: O vapor de água é usado como meio de geração, transporte e utilização de energia desde os primórdios do desenvolvimento industrial. Inúmeras razões colaboraram para a geração de energia através do vapor. A água é o composto mais abundante do planeta e portanto de fácil obtenção e baixo custo. Na forma de vapor tem alto conteúdo de energia por unidade de massa e volume. 4

5 UTILIZAÇÃO DO VAPOR: Utilizada em grande parte da geração de energia elétrica, pois utiliza vapor de água como fluído de trabalho em ciclos termodinâmicos, transformando a energia química de combustíveis fósseis ou nucleares em energia mecânica, e em seguida, energia elétrica. UTILIZAÇÃO DO VAPOR: Geração de energia elétrica. GV TV 5

6 UTILIZAÇÃO DO VAPOR: Indústrias e diversos processos tem vapor como principal fonte de aquecimento: reatores químicos, trocadores de calor, evaporadores, secadores e inúmeros processos e equipamentos térmicos. Mesmo outros setores industriais, como metalúrgico, metalmecânico, eletrônica, etc., podem-se utilizar de vapor como fonte de aquecimentos de diversos processos. UTILIZAÇÃO DO VAPOR: Indústrias e diversos processos. 6

7 UTILIZAÇÃO DO VAPOR: Indústrias e diversos processos. UTILIZAÇÃO DO VAPOR: Processos dimensionados para a utilização de: Vapor saturado, Vapor superaquecido. 7

8 UTILIZAÇÃO DO VAPOR: 22,09MPa, 374 C VAPOR SATURADO: Amplamente utilizado na grande maioria das industrias e processos, pois o vapor saturado tem a grande vantagem em manter temperatura constante durante a condensação a pressão constante. A temperatura pode variar entre 130ºC a 350ºC, porém a faixa de temperatura até 170ºC com 8kgf/cm², corresponde a grande maioria de pequenos e médios consumidores de vapor. 8

9 VAPOR SATURADO: Maiores temperaturas são possíveis a custa do aumento da pressão de saturação, o que implica num maior custo de investimento devido a necessidade de aumento da resistência mecânica e requisitos de fabricação e inspeção do gerador de vapor. VAPOR SUPERAQUECIDO: Utilizado em grandes complexos industriais e na geração de energia elétrica ou mecânica em ciclos termodinâmicos. Vapor superaquecido é aquele que possui temperatura mais elevada geralmente na faixa de 400ºC a 560ºC. Para obtê-lo, é necessário aquecer o vapor saturado, mantendo inalterada a sua pressão. 9

10 VAPOR SUPERAQUECIDO: O vapor passa a condição de superaquecimento quando ultrapassa temperaturas de saturação de uma determinada pressão. O vapor superaquecido é isento de umidade e comporta-se nas tubulações como gás. Na geração do vapor superaquecido a limitação de temperaturas de trabalho fica por conta dos materiais de construção empregados. DESENVOLVIMENTO DOS GV s: O vapor foi a primeira maneira eficiente de produzir energia independentemente da força muscular do homem e do animal, e da força do vento e das águas correntes. Sua invenção e uso foi uma das bases tecnológicas da Revolução Industrial. Em sua forma mais simples, as máquinas a vapor usam o fato de que a água, quando convertida em vapor se expande e ocupa um volume de até vezes maior do que o original, quando sob pressão atmosférica. 10

11 DESENVOLVIMENTO DOS GV s: Foi somente no século XVII, mais precisamente em 1690, que o físico francês Denis Papin usou esse princípio para bombear água. Mas, a utilização efetiva dessa tecnologia só se iniciou com a invenção de Thomas Savery patenteada em 1698 e aperfeiçoada em 1712 por Thomas Newcomen e John Calley. DESENVOLVIMENTO DOS GV s: Bomba de água rudimentar que utiliza vapor 11

12 DESENVOLVIMENTO DOS GV s: Em 1711, Newcomen desenvolveu outro equipamento com a mesma finalidade, aproveitando idéias de Papin, um inventor francês. A caldeira de Newcomen era apenas um reservatório esférico, com aquecimento direto no fundo, também conhecida como caldeira de Haycock. DESENVOLVIMENTO DOS GV s: 12

13 DESENVOLVIMENTO DOS GV s: James Watt modificou um pouco o formato em 1769, desenhando a caldeira Vagão, a precursora das caldeiras utilizadas em locomotivas a vapor. Apesar do grande desenvolvimento que Watt trouxe a utilização do vapor como força motriz, não acrescentou muito ao projeto de caldeiras. DESENVOLVIMENTO DOS GV s: 13

14 DESENVOLVIMENTO DOS GV s: Todos estes modelos provocaram desastrosas explosões, devido a utilização de fogo direto e ao grande acúmulo de vapor no recipiente. A ruptura do vaso causava grande liberação de energia na forma de expansão do vapor contido. DESENVOLVIMENTO DOS GV s: 14

15 DESENVOLVIMENTO DOS GV s: Nos finais do século 18 e início do século 19 houveram os primeiros desenvolvimentos da caldeira com tubos de água. O modelo de John Stevens movimentou um barco a vapor no Rio Hudson. DESENVOLVIMENTO DOS GV s: Stephen Wilcox, em 1856, projetou um gerador de vapor com tubos inclinados, e da associação com George Babcock tais caldeiras passaram a ser produzidas, com grande sucesso comercial. 15

16 DESENVOLVIMENTO DOS GV s: Em 1880, Stirling desenvolveu uma caldeira de tubos curvados, cuja concepção básica é ainda hoje utilizada nas grandes caldeiras de tubos de água. DESENVOLVIMENTO DOS GV s: Nos últimos anos o desenvolvimento técnico dos geradores de vapor se deu principalmente no aumento das pressões e temperaturas de trabalho, no rendimento térmico, na utilização dos mais diversos combustíveis e principalmente em formas de controle automático dos equipamentos. 16

17 DESENVOLVIMENTO DOS GV s: DESENVOLVIMENTO DOS GV s: Monitoramento em tempo real 17

18 CLASSIFICAÇÃO DOS GV s: Fonte de aquecimento: Elétricas (Eletrodo submerso), Combustíveis, Sólidos (Carvão, Biomassa) Líquidos (Óleo combustível) Gasosos (GN e GLP) Reatores nucleares. CLASSIFICAÇÃO DOS GV s: Industrialmente, podemos arbitrar uma classificação de geradores de vapor em relação a pressão de trabalho: Baixa pressão: até 10kgf/cm² Média pressão: de 11 a 40kgf/cm² Alta pressão: maior que 40kgf/cm² 18

19 CLASSIFICAÇÃO DOS GV s: Quanto a Natureza da aplicação: Fixas, Portáteis, Locomóveis (geração de força e energia), Marítimas. CLASSIFICAÇÃO DOS GV s: Quanto a posição dos gases quentes: Flamotubulares, Aquatubulares, Mistas. Quanto a posição dos tubos: Verticais, Horizontais, Inclinados. 19

20 CALDEIRAS FLAMOTUBULARES: Neste tipo de caldeira, os gases quentes circulam pelo interior de tubos e a água se encontra na parte externa aos tubos. CALDEIRAS FLAMOTUBULARES: 20

21 CALDEIRAS FLAMOTUBULARES: São caldeiras de fácil construção e operação, mas tendem a apresentar: Baixa produção de vapor cerca de 10 ton/h e Baixa pressão de operação 15kgf/cm² a 20kgf/cm². CALDEIRAS FLAMOTUBULARES: Podem ser classificadas como: Verticais, Horizontais, Geradores de chama direta. Geradoras de chama de retorno. 21

22 CALDEIRAS FLAMOTUBULARES: Verticais. CALDEIRAS FLAMOTUBULARES: Horizontais, Geradores de chama direta: Os gases percorrem um só sentido até a chaminé. 22

23 CALDEIRAS FLAMOTUBULARES: Horizontais, Geradores de chama direta: CALDEIRAS FLAMOTUBULARES: Horizontais, Geradores de chama de retorno: Os gases percorrem dois ou mais sentidos antes de seguir para a chaminé. 23

24 CALDEIRAS FLAMOTUBULARES: Horizontais, Geradores de chama de retorno: CALDEIRAS FLAMOTUBULARES: 24

25 CALDEIRAS FLAMOTUBULARES: Particularidades das flamotubulares: A fornalha deve ser projetada para que a combustão ocorra totalmente em seu interior, pois o contato da chama com partes metálicas pode danificar a caldeira. CALDEIRAS FLAMOTUBULARES: Particularidades das flamotubulares: Preferencialmente se utiliza combustíveis líquidos ou gasosos nessas caldeiras, pois é difícil a instalação de grelhas nesse tipo de caldeira. Recomendado para situações onde há variação da demanda de vapor. 25

26 CALDEIRAS FLAMOTUBULARES: Vantagens e desvantagens das caldeiras flamotubulares. As principais vantagens das caldeiras deste tipo são: custo de aquisição mais baixo; exigem pouca alvenaria; atendem bem a aumentos instantâneos de demanda de vapor. CALDEIRAS FLAMOTUBULARES: Vantagens e desvantagens das caldeiras flamotubulares. Como desvantagens, apresentam: baixo rendimento térmico; limitação de pressão de operação baixa taxa de vaporização (kg de vapor / m². hora); dificuldades para instalação de economizador, superaquecedor e pré-aquecedor. 26

27 CALDEIRAS AQUATUBULARES: Neste tipo de caldeira, os gases quentes circulam pela parte externa dos tubos e a água se encontra na parte interna dos mesmos, dispostos na forma de paredes d água ou de feixes tubulares. CALDEIRAS AQUATUBULARES: 27

28 CALDEIRAS AQUATUBULARES: São caldeiras mais difíceis de serem construídas e necessitam de maior controle na operação. Suas características operacionais são: Alta produção de vapor, chegando a 750ton/h normalmente entre 15 e 150ton/h e alta pressão de operação, normalmente entre 90kgf/cm² a 100kgf/cm². CALDEIRAS AQUATUBULARES: A produção de vapor ocorre nos tubos que interligam dois (paredes de água) ou mais reservatórios cilíndricos, chamados coletores ou tubulões: Tubulão superior onde ocorre a separação da fase líquida e do vapor; Tubulão inferior onde é feita a adição de água e decantação e purga do material sólido e em suspensão; 28

29 CALDEIRAS AQUATUBULARES: Tubulão Superior Tubulão Inferior Entrada de Água CALDEIRAS AQUATUBULARES: 29

30 CALDEIRAS AQUATUBULARES: A circulação de água entre o tubulão superior e inferior pode ser por: Convecção natural: Quando a diferença de densidade faz com que a água circule entre os tubulões; Circulação assistida: Quando se utiliza uma bomba para circular o líquido entre os tubulões; CALDEIRAS AQUATUBULARES: Convecção natural: Circulação assistida: 30

31 CALDEIRAS AQUATUBULARES: A circulação da água nas caldeiras ocorre por diferenças de densidade, provocada pelo aquecimento da água e vaporização, ou seja circulação natural. Se a circulação for deficiente, poderá ocorrer um superaquecimento localizado, com conseqüente ruptura dos tubos. CALDEIRAS AQUATUBULARES: Algumas caldeiras com circulação positiva podem apresentar bombas externas, dependendo da vazão exigida, ou seja, da demanda de vapor para forçar a circulação de água ou vapor, independentemente da circulação natural,isto é, por diferença de densidade. 31

32 CALDEIRAS AQUATUBULARES: Há duas seções distintas de transferência de calor nesse tipo de caldeira: Seção de radiação: A troca de calor ocorre por radiação direta da chama aos tubos de água, os quais geralmente delimitam a câmara de combustão. Seção de convecção: A troca de calor se dá por convecção forçada, dos gases quentes que saíram da câmara de combustão atravessando um banco de tubos de água. CALDEIRAS AQUATUBULARES: 32

33 CALDEIRAS AQUATUBULARES: Paredes de água Totalmente integrais: Quando um tubo esta encostado no outro formando uma parede impermeável aos gases; Tubos aletados: Quando há aletas soldadas nos tubos, interligando um tubo ao outro; Tubos espaçados e parede refratária: O calor que não atinge diretamente o tubo é re-irradiado pelo revestimento refratário; CALDEIRAS AQUATUBULARES: Paredes de água Totalmente integrais: Tubos aletados: Tubos espaçados e parede refratária: 33

34 CALDEIRAS AQUATUBULARES: CALDEIRAS AQUATUBULARES: 34

35 CALDEIRAS AQUATUBULARES: Particularidades das aquatubulares: Não existe preferência ao se utilizar combustíveis. Recomendado para situações onde há grande demanda de vapor. CALDEIRAS AQUATUBULARES: Vantagens e desvantagens das caldeiras flamotubulares. Como vantagens, apresentam: alto rendimento térmico; altas pressões de operação; relativa facilidade de inspeção; relativa facilidade para instalação de economizador, superaquecedor e pré-aquecedor. 35

36 CALDEIRAS AQUATUBULARES: Vantagens e desvantagens das caldeiras aquatubulares. As principais desvantagens das caldeiras deste tipo são: custo de aquisição alto; custo de manutenção alto; exigem muita alvenaria; demorada a partida e a parada do equipamento. CALDEIRAS MISTAS A necessidade de utilização de combustíveis sólidos para caldeiras pequenas fez surgir as caldeiras mistas. Basicamente são caldeiras flamotubulares com uma antecâmara de combustão com paredes revestidas de tubos de água. Na antecâmara se dá a combustão de sólidos usando grelhas de diversos tipos e possibilitando o volume de câmara necessários aos combustíveis sólidos, como: lenha em toras, cavacos, etc, 36

37 CALDEIRAS MISTAS: CALDEIRAS MISTAS: Não possuem todas as vantagens da aquatubular, como: segurança, maior eficiência térmica, etc. É uma solução prática e eficiente quando se tem disponibilidade de combustível sólido a baixo custo. Podem usar combustível líquido ou gasoso, com queimador apropriado. 37

38 CALDEIRAS MISTAS: Equipamentos que apresenta relativa facilidade na construção e operação, apresentam: Média produção de vapor cerca de 3 até 25 ton/h. Pressão de operação 15kgf/cm² a 30kgf/cm². CR 38

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40 PONTOS COMPLEMENTARES. NÃO DISCUTIDOS EM AULA. PRINCIPAIS FABRICANTES DE EQUIPAMENTOS. VALOR DO INVESTIMENTO PARA AQUISIÇÃO. PRINCIPAIS COMBUSTIVEIS UTILIZADOS. CONSULTAR EMPRESAS MADEIREIRAS. 40