Caldeiras Manoel O. A. Méndez

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1 Caldeiras Manoel O. A. Méndez FEAU - Faculdade de Engenharia Arquitetura e Urbanismo 12 de agosto de 2015 Manoel Méndez Caldeiras 1/24

2 Sumário Introdução 1 Introdução 2 Descoberta do vapor Uso do vapor Primeira Máquina a Vapor Comercial Invenção das 3 4 Metodologia de projeto Manoel Méndez Caldeiras 2/24

3 Introdução Energia Necessidade básicas para o ser humano, fornecendo proteção e obtenção de alimentos Pré-Revolução Industrial Produção de bens de modo artesanal Utilização da energia obtida diretamente pela queima de combustíveis Pós-Revolução Industrial Produção de bens de modo industrial Utilização da energia obtida indiretamente pela queima de combustíveis Manoel Méndez Caldeiras 3/24

4 Introdução Vapor d água Indispensável em diversos setores industriais, pois é utilizado como meio de geração, transporte e utilização de energia Segundo a Babcock & Wilcox Company (2005), o vapor d água é o principal fluido térmico para geração de energia: Água é o composto mais abundante da Terra: fácil obtenção e baixo custo. Na forma de vapor tem alto conteúdo de energia por unidade de massa e volume Relações temperatura e pressão de saturação tecnologicamente favoráveis para uso industrial com a tecnologia existente na era da revolução industrial Steam/its generation and use. 41st edition. Editores: John B. Kitto and Steven C. Stultz. The Babcock & Wilcox Company, Barberton, Ohio, U.S.A., 2005 Manoel Méndez Caldeiras 4/24

5 Descoberta do vapor Descoberta do vapor Uso do vapor Primeira Máquina a Vapor Comercial Invenção das Século I d.c. Heron de Alexandria Século XVI d.c. Giovanni Branca (Itália) Eolípila Turbina a vapor Manoel Méndez Caldeiras 5/24

6 Uso do vapor Introdução Descoberta do vapor Uso do vapor Primeira Máquina a Vapor Comercial Invenção das Uso do vapor como fonte de energia Após quase 2000 anos a invenção de Heron (Século XVII) Estímulos para o desenvolvimento do uso do vapor em ciclos de potência Mineração Principal problema: Inundação das minas Manoel Méndez Caldeiras 6/24

7 Descoberta do vapor Uso do vapor Primeira Máquina a Vapor Comercial Invenção das Primeira Máquina a Vapor Comercial Primeira Máquina a Vapor Comercial 1698 Thomas Savery Bombeamento de água de minas de carvão Manoel Méndez Caldeiras 7/24

8 Descoberta do vapor Uso do vapor Primeira Máquina a Vapor Comercial Invenção das Máquina a vapor de Newcomen Usa o conceito proposto inicialmente por Savery Manoel Méndez Caldeiras 8/24

9 Descoberta do vapor Uso do vapor Primeira Máquina a Vapor Comercial Invenção das Contribuição de Watt Desenvolveu geradores de vapor de alta pressão Caldeira Waggon (vagão) Manoel Méndez Caldeiras 9/24

10 Invenção das Descoberta do vapor Uso do vapor Primeira Máquina a Vapor Comercial Invenção das Origens Fim de 1700 e começo de 1800 Desenvolvimento dos evaporadores do tipo kettle (chaleira) Invenção das caldeiras Meados de 1800 Caldeiras tubulares Stephen Wilcox, 1856 John Stevens, Porcupine steam boiler Manoel Méndez Caldeiras 10/24

11 Definição Caldeiras ou geradores de vapor são equipamentos destinados a produzir e acumular vapor sob pressão superior à atmosférica, utilizando qualquer fonte de energia Fontes de energia para caldeiras: Combustíveis convencionais Combustível nuclear (usinas nucleares) Energia elétrica Caldeiras de recuperação Manoel Méndez Caldeiras 11/24

12 Princípio O calor liberado na combustão é carregado pelos gases a altas temperaturas sendo transferido por troca térmica para a água que é aquecida e transformada em vapor. Manoel Méndez Caldeiras 12/24

13 Classificação em relação à localização da água e gases de combustão: Norma NR13 Categoria A: P > 20 kgf/cm 2 (1960 kpa) Categoria B: P < 20 kgf/cm 2 (1960 kpa) Categoria C: P < 6 kgf/cm 2 (588 kpa) e volume interno inferior a 100 litros Pressão de operação Baixa pressão: até 15 kgf/cm 2 Média pressão: de 15 a 50 kgf/cm 2 Alta pressão: acima de 50 kgf/cm 2 Manoel Méndez Caldeiras 13/24

14 Classificação em relação à localização da água e gases de combustão: Flamotubular Água circula ao redor dos tubos Gases da combustão circulam por dentro dos tubos, com dois ou mais passes Construção mais simples, Podem ser classificados quanto à distribuição dos tubos Tubos verticais Tubos horizontais Aquatubular Água circula no interior dos tubos Gases da combustão circulam ao redor dos tubos Empregado para obter pressões e rendimentos elevados Podem ser classificados quanto o tipo de tubos Tubos retos Tubos curvos Manoel Méndez Caldeiras 14/24

15 Manoel Méndez Caldeiras 15/24

16 Anatomia de caldeiras flamotubulares Corpo: também chamado de casco ou carcaça. Diâmetro e comprimento definem a capacidade de produção de vapor Diâmetro limita a pressões de trabalho (normalmente máximo de 20 kgf/cm 2 ) Espelhos: chapas planas cortadas em forma circular, por onde os tubos de fumaça são fixados Feixe tubular: tubos usados para o aquecimento da água., podendo ser de um, dois ou três passes Manoel Méndez Caldeiras 16/24

17 Vantagens e desvantagens das caldeiras flamotubulares Desvantagens Baixo rendimento térmico; Principais vantagens Custo de aquisição mais baixo; Exigem pouca alvenaria; Atendem bem a aumentos instantâneos de demanda de vapor Partida lenta devido ao grande volume interno de água; Limitação de pressão de operação (máx. 15 kgf/cm 2 ); Baixa taxa de vaporização (kg de vapor/m 2. hora); Capacidade de produção limitada; Dificuldades para instalação de economizador, superaquecedor e pré-aquecedor de ar. Manoel Méndez Caldeiras 17/24

18 Manoel Méndez Caldeiras 18/24

19 Anatomia de geradores aquatubulares Cinzeiro: depositam as cinzas ou pequenos pedaços de combustível não queimado Paredes d água: paredes da câmara de combustão revestidas internamente por tubos de água Superaquecedor: produção de vapor superaquecido. Economizador: aquecedor da água de alimentação. Pré-aquecedor de ar: aquecedor do ar de combustão Exaustor: fornece energia para vencer as perdas de carga devido a circulação dos gases. Chaminé: garante a dispersão dos gases de combustão na atmosfera Outros: equipamentos de limpeza dos gases (filtros, ciclones ou precipitadores eletrostáticos) para captação de material particulado ou ainda lavadores de gases para captação de gases ácidos. Manoel Méndez Caldeiras 19/24

20 Anatomia de geradores aquatubulares Manoel Méndez Caldeiras 20/24

21 Vantagens e desvantagens dos geradores aquatubulares Principais vantagens Facilidade de substituição dos tubos; Facilidade de inspeção e limpeza; Não necessitam de chaminés elevadas ou tiragem forçada; Maior rendimento térmico; Partida mais rápida; Maiores pressões de trabalho; Desvantagens Custo de aquisição mais alto de operação; Exigem mais alvenaria; Não atendem bem a aumentos instantâneos de demanda de vapor Manoel Méndez Caldeiras 21/24

22 Metodologia de projeto Para dimensionar caldeiras tubulares deve-se levar em conta os diversos processos termodinâmicos e mecanismos de transferência de calor que ocorrem dentro da caldeira, de modo a atender os seguintes restrições Vazão de vapor Pressão de operação Temperatura do vapor superaquecido Combustível a ser utilizado Temperatura ambiente Temperatura do ar pré-aquecido Excesso de ar Temperatura do economizador Manoel Méndez Caldeiras 22/24

23 Metodologia de projeto Processos termodinâmicos e mecanismos de transferência de calor que ocorrem dentro de uma caldeira Água Processos termodinâmicos Aquecimento da água de alimentação de caldeira Mudança de fase Aquecimento do vapor d água Transferência de calor Convecção sem mudança de fase de líquido Convecção com mudança de fase líquido-vapor Convecção sem mudança de fase de vapores Ineficiências dos processos Gases de combustão Processos termodinâmicos Pré-aquecimento do ar Combustão Resfriamento dos gases de combustão Transferência de calor Convecção sem mudança de fase de gases Radiação Ineficiências dos processos Manoel Méndez Caldeiras 23/24

24 Metodologia de projeto Metodologia de projeto A metodologia de projeto de caldeiras consiste em: 1 Determinar as necessidades térmicas 2 Determinar as necessidade hidráulicas 3 Definir o projeto de caldeira 4 Definir as dimensões da caldeira 5 Determinar calor trocado, calor requerido e calor disponível 6 Verificar se as dimensões da caldeira satisfazem as necessídade térmicas do projeto. Se insuficiente, redefinir projeto e/ou dimensões 7 Verificar se as dimensões da caldeira satisfazer as necessidades hidráulicas do projeto. Se insuficiente, redefinir projeto e/ou dimensões Manoel Méndez Caldeiras 24/24

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