Para o desenvolvimento do projeto de uma caldeira flamotubular os requisitos de projeto deverão estar definidos conforme a Tabela 1.

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1 1. Dimensionamento Caldeiras 1.1. Requisitos de Projeto Para o desenvolvimento do projeto de uma caldeira flamotubular os requisitos de projeto deverão estar definidos conforme a Tabela 1.1 Tabela 1.1 Requisitos para o projeto de uma caldeira flamotubular Parâmetro Símbolo Unidade Vazão mássica de vapor m v kg/h Qualidade do vapor - saturado seco/saturado Pressão manométrica de vapor P v kpa Eficiência térmica desejada η t % Combustível Temperatura da água de entrada T e C/K 1.2. Energia Calorífica Necessária Calor necessário por quilo de vapor gerado nas condições de operação Para o cálculo da quantidade de calor necessária (Q n) para gerar um quilo de vapor devem ser definidos parâmetros na Tabela 1.2. Tabela 1.2 Parâmetros para a determinação da quantidade de calor necessária Parâmetro Símbolo Unidade Temperatura de saturação na pressão de trabalho T s C/K Entalpia do vapor na saída h s,v kj/kg Entalpia da água na entrada h e,a kj/kg O cálculo de (Q n) é realizado utilizando-se a Equação

2 Q n = m v. ( h s,v h e,a ) η t kw Vazão Mássica de Combustível A vazão mássica de combustível (m c) é razão direta do Poder Calorífico (PC) desse combustível. O PC pode ser definido como Poder Calorífico Superior (PCS) quando a água de combustão se apresenta na fase líquida. Quando a água resultante da reação de combustão se apresenta na fase de vapor, o PC é definido como Poder Calorífico Inferior. De uma forma geral a relação entre PCI e PCS pode ser definida pela Equação 1.2, onde H é a quantidade de hidrogênio e W é a umidade do combustível, ambos em massa. PCI = PCS (9H + W) [kj/kg] 1.2 Para o bagaço de cana podem ser definidas as seguintes relações pelo método de HUGOT (GARCIA,2013), onde S é o teor de açúcar no bagaço que pode ser considerado constante (4%): PCS = S 46W) [kcal/kg] 1.3 PCI = S 48W [kcal/kg] 1.4 A Tabela 1.3 mostra o valor do PCI de alguns combustíveis (ELETROBRÁS, 2005). Características dos combustíveis poder ser encontradas com maior detalhamento em Garcia (2013). m c = Q n PCS kg/s 1.5 Q f = m c. PCI 3600 kw 1.6 2

3 Tabela PCI de alguns combustíveis (ELETROBRÁS,2005) Quantidade de Ar Necessário A quantidade de ar necessária para a combustão depende do tipo de combustível utilizado. Do excesso de ar e da relação ar combustível estequiométrica ( fest). A relação ar/combustível estequiométrica volumétrica em base seca é definida na Equação 1.7. f est,bs,vol = 4,76. (x + y 4 z 2 + k) 1.7 Sendo: x - teor molar de carbono; y - teor molar de hidrogênio; z - teor molar de oxigênio; e k - teor molar de enxofre. Para combustíveis sólidos e líquidos, a quantidade teórica de ar necessária à combustão de um combustível é usualmente apresentada em base mássica (kg de ar/ kg de combustível),podendo ser calculada pela Equação 1.8, valendo a mesma simbologia da Equação 1.7. f est,bs,mas = 137,28. (x + y 4 z 2 + k) 12x + y + 16z + 32k 1.8 3

4 Sendo conhecida a composição em massa do combustível, os teores molares (x, y, z e k) podem ser determinados dividindo-se, respectivamente, os teores mássicos ou em peso por 12, 1, 16 e 32, ou seja, pelos pesos molares destes elementos. Quando existirem inertes, como cinzas ou nitrogênio, a quantidade de ar requerida, determinada pelas expressões anteriores, deverá ser ajustada proporcionalmente. A Tabela 1.4 mostra alguns valores de coeficientes de combustíveis. Tabela 1.4 Coeficientes molares para alguns combustíveis (ELTROBRAS, 2005). O excesso mínimo de ar a ser adotado depende tanto do tipo de combustível como do sistema de combustão, já que se trata de buscar uma mistura adequada entre o combustível e o comburente. Em geral, gases combustíveis permitem uma mistura adequada sem dificuldade, e os excessos de ar situam-se usualmente entre 5 a 10%. Para um combustível líquido, em função da viscosidade e do sistema de atomização, pode ser requerido menos de 10 e mais de 30% de excesso de ar. No caso dos combustíveis sólidos o excesso de ar depende muito da granulometria e da forma de alimentação do combustível. 4

5 Um combustível bem moído e alimentado em suspensão pode comportar-se como um óleo pesado, enquanto lenha em pedaços grandes sobre uma grelha fixa pode requerer de 60 a 120% de excesso de ar. Uma vez definido o excesso de ar (e) para as condições de projeto, a razão ar/combustível real é definida pela Equação 1.9. f real,bs,mas = (1 + e). f est,bs,mas kg/kg 1.9 E então a vazão mássica de ar (m a) é calculada pela Equação 1.10 m a = f real,bs,mas. m c kg/s Quantidade de Gases que Atravessa a Caldeira Então a vazão mássica dos gases que atravessa a caldeira é definida pela Equação m g = (1 + f real,bs,mas ). m c kg/s

6 2. Flamotubulares 2.1. Dimensionamento da Fornalha Cilíndrica Volume da fornalha O diâmetro mínimo da fornalha é fornecido, em função da taxa de calor fornecida, pela Figura 2.1. Para caldeiras que queimam óleo ou gás recomenda-se que a entrega de calor por volume máxima seja de 1,8 MW/m³, não entram nessa relação o volume da câmara de reversão e o volume ocupado pelo cone refratário do queimador. A Figura 2.1 mostra ainda que a quantidade máxima de calor permitida para introduzir em uma fornalha é 12MW para caldeiras a óleo ou gás e de 8 MW para caldeiras que queimam combustível sólido sobre grelhas. Nas caldeiras mais modernas a fornalha representa apenas 6,5% da superfície de aquecimento total. Nas caldeiras mais antigas essa área chega a 13%. Nas caldeiras que queimam óleo, troca -se através da fornalha cerca de 40 a 50% do calor introduzido. Já nas caldeiras a gás essa troca é de 30 a 40%. (SANTOS, 2012). A principal finalidade da fornalha é abrigar o processo de combustão e reduzir a temperatura dos gases de combustão para um valor aceitável de 950 C, antes que alcancem o espelho de tubos na câmara de reversão. 6

7 Figura 2.1 Diâmetro mínimo da fornalha tubular em função da taxa de calor fornecido (BS2790:1986) Área de transferência de calor A área de transferência de calor a partir da quantidade de calor entregue e da temperatura de saída da fornalha (Tsf) pela Equação 2.1. T sf = k ( Q 0,25 C 2.1 f ) A rf A temperatura dos gases de saída da fornalha variam entre 900 C para o carvão até 1200 C para o gás. O coeficiente k é uma constante que depende do combustível e pode ser encontrada na Tabela 2.1 Constante k 7

8 Tabela 2.1 Constante k Combustível Gás natural 52,4 Óleos 46,0 Carvão e óleos pesados 38,0 k A área de transferência de calor da fornalha corresponde a aproximadamente 75% da área de referência. Portanto rearranjando a Equação 2.1. A f = 0,75. k 4. Q f A rf 4 m² 2.2 E a comprimento da fornalha calculado por : L f = A f π. D f m 2.3 A relação entre o comprimento e o diâmetro da caldeira deve estar entre 3:1 e 4:1. Caso essa relação não esteja satisfeita, um valor intermediário deve ser adotado e recalcular. A f = π. D f + R LD. D f m² 2.4 Para garantir a estabilidade da chama deve-se calcular a velocidade mássica dos gases da caldeira. Os valores da velocidade mássica deve estar entre 2 kg/m².s e 3 kg/m².s. Valores mais altos causam o descolamento da chama, pois nessa condição a velocidade do fluxo é maior que a velocidade de chama. A velocidade mássica de chama é calculada pela Equação

9 G f = m g A ef kg/m².s 2.5 Sendo a área de escoamento dos gases da fornalha Aef calculada pela Equação 2.6 A ef = π. D f 2 4 m Passes Tubulares O comprimento dos passes tubulares deve ser igual ao da fornalha. L p = L f m 2.7 A temperatura dos gases na saída dos passes é dada por T sp = T m + T ep T m 0,012.R LD m (D t.g t ) 0,2 Onde: Tsp é a temperatura dos gases na saída do passe, C; Tm é a temperatura do metal, Tsat+20 C; Tep é a temperatura dos gases na entrada do passe; RLD é a relação comprimento/diâmetro; Dt é o diâmetro do tubo, m Gt é a taxa de fluxo mássico no tubo, 5 a 17 kg.m -2 s -1. Deve ser calculada a temperatura dos gases na saída do segundo passe. A temperatura dos gases na chaminé é a temperatura de saída dos gases no terceiro passe. A temperatura de entrada no terceiro passe é a temperatura de saída do segundo passe. A temperatura dos gases na chaminé deve ser 50 C superior à temperatura de saturação Perdas de Carga 9

10 A perda de carga de uma caldeira pode ser obtida depois de definido o comprimento dos tubos, o diâmetro interno dos tubos e a temperatura dos gases na entrada e na saída. utilizando as Figura 2.2, Figura 2.3 e Figura 2.4 desenvolvidos por Roderick, Murray e Wall Figura 2.2 Perda de carga na entrada dos tubos. 10

11 Figura Elevação de pressão nos tubos devido ao resfriamento dos gases. 11

12 Figura 2.4 Nomograma de perda de carga por atrito nos tubos. 12

13 A Figura 2.2 apresenta a perda de carga na entrada dos tubos. A Figura 2.3 apresenta a elevação de pressão devido ao resfriamento dos gases no tubo e a Figura 2.4 apresenta a resistência de atrito ao escoamento através do tubo. Além das perdas apresentadas nestas figuras, existirá aquela devida à mudança de direção do escoamento na câmara de reversão. Na câmara de reversão do fundo a velocidade do gás será igual à da saída da fornalha. A taxa de fluxo mássico é baixo, por volta de 2 kg.m-2.s-1; e conseqüentemente a perda de pressão será baixa, (menor que 0,1 mbar). A perda de carga na entrada do primeiro passe de tubos (segundo da caldeira) é encontrada entrando-se na Figura 2.2 com a temperatura de saída da fornalha e indose até à linha da taxa de fluxo mássico dos tubos; deste ponto, traça-se uma reta horizontal para a esquerda, sobre a escala da perda de carga. A perda de carga na entrada do segundo passe de tubos (terceiro da caldeira) é encontrada entrando-se na Figura 2.2 com a temperatura de saída do passe anterior e indo-se até à linha da taxa de fluxo mássico dos tubos, deste ponto, traça-se uma reta horizontal para a esquerda, sobre a escala da perda de carga. O limite superior da taxa de fluxo mássico proporciona maior perda de carga, isto é indesejável pois exigirá maior potência de ventilação e proporcionará maior erosão da tubulação. O escoamento dos gases no interior da tubulação sofre uma desaceleração devido à redução do seu volume específico por resfriamento. Essa desaceleração promove uma elevação de pressão que é determinada entrando-se na Figura 2.3, com a diferença de temperatura entre a entrada e a saída dos gases no tubo. Esta elevação de pressão deve ser abatida das perdas de carga. A perda de carga por atrito do escoamento dos gases nos tubos de cada passe é determinada com o uso do nomograma da Figura 2.4. Partindo-se do valor de temperatura média dos gases na escala correspondente ao diâmetro do tubo, traça-se uma perpendicular à linha de referência. 13

14 Em seguida, partindo-se da Taxa de fluxo mássico, passando pelo ponto determinado na linha de referência, atinge-se a escala de perda de carga (mbar/m). O valor da perda de carga tirado deste nomograma deve ser multiplicado pelo comprimento do tubo para obter-se a perda ao longo do tubo. A perda de carga total é a soma das perdas de carga parciais abatida da elevação de pressão por desaceleração. P d,t = P d,ef + P d,e1 + P d,e2 (P d,r1 + P d,r2 ) + L 1 P d,a1 + L 2 P d,a2 mbar 2.9 Onde os subscritos e, r e a significam entrada, resfriamento e atrito respectivamente. Fornalha, primeiro passe e segundo passe são designados por f, 1 e Referências SANTOS, A.M. Máquinas térmicas. EESC-USP 2012 Eletrobrás, Procel, FUPAI Eficiência Energética no Vapor, 2005 GARCIA, R, Combustíveis e Combustão Industrial. Editora Interciência, 2ª ed,