Máquinas térmicas Caldeiras
Definição - Introdução •
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Pode-se definir como caldeira de vapor todo equipamento que, utilizando a energia química liberada durante a combustão de um combustível promove a mudança de fase da água do estado líquido líquido para vapor. vapor. O vapor resultante é utilizado para acionamento de máquinas térmicas para geração de potência mecânica e elétri trica, ass assim como para fins de processos industriais
Definição - Introdução •
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Pode-se definir como caldeira de vapor todo equipamento que, utilizando a energia química liberada durante a combustão de um combustível promove a mudança de fase da água do estado líquido líquido para vapor. vapor. O vapor resultante é utilizado para acionamento de máquinas térmicas para geração de potência mecânica e elétri trica, ass assim como para fins de processos industriais
Caldeiras - Histórico
Caldeiras - Classificação •
Atendendo a aplicação principal Termelétrico Industrial Naval
e terciário
Caldeiras - Classificação •
Disposição relativa relativa dos gases e do fluído de trabalho Flamotubulares ou Aquotubulares
pirotubulares pirotubulares
Caldeiras - Classificação •
Atendendo a força motriz de circulação do fluído de trabalho De
circulação natural
De
circulação forçada
De
passe único
Caldeiras - Classificação •
Atendendo o nível de pressão de operação Baixa
e média pressão (< 10 MPa) Alta pressão (10 -16 MPa) : circulação natural e reaquecedor Super alta pressão (>17 MPa): circulação forçada e reaquecedor Supercríticas (> 22,1 MPa): passe único e com reaquecedor Pressão deslizante: operação a cargas parciais com uma pressão menor que a nominal. Objetivo: reduzir perdas nas válvulas de admissão na turbina quando se opera a cargas parciais
Caldeiras - Classificação •
Atendendo o tipo de combustível ou fonte de calor Sólidos:
carvão mineral, biomassa e resíduos sólidos urbanos
Líquidos: óleo combustível, e óleo diesel Gasosos:
residual
gás natural, gás de processo, calor
Caldeiras - Classificação •
Atendendo a tecnologia de combustão Grelha
fixa ou grelha rotativa para queima de biomassa ou resíduos agro-industriais em caldeiras de pequeno porte
Queima
em suspensão: para queima de combustível sólido pulverizado, óleo combustível e gás natural
Leito fluidizado (borbulhante e
circulante)
Caldeiras - Classificação •
Atendendo a organização do processo de tiragem do ar e gases de combustão Tiragem
natural – criada pelo efeito exclusivo da
chaminé Tiragem
forçada – exercida por sopradores na entrada da fornalha fornecendo ar sob pressão para a combustão e facilitando a remoção dos gases pela chaminé
Caldeiras aquotubulares Componentes •
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Tambor separador ou tubulão Coletor inferior Fornalha Paredes de água Superaquecedor Economizador ou aquecedor de água de alimentação Pré-aquecedor de ar
Balanço térmico eficiência e cálculo térmico
Balanço térmico eficiência e cálculo térmico
Caldeiras de recuperação •
A caldeira de recuperação é basicamente um trocador de calor em contracorrente, composto por uma série de secções: superaquecedor, evaporador e economizador; estes são montados geometricamente em sequencia desde a entrada do gás até sua saída, visando maximizar a recuperaçãp de calor dos gases de escape e a geração de vapor.
Classificação- Segundo o arranjo das superfícies de aquecimento •
Horizontais
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Verticais
Classificação- Segundo o arranjo das superfícies de aquecimento •
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Horizontais Permite a colocação das áreas de troca de calor sem reforço estrutural, maximizando a recuperação de calor e a geração de vapor. Porém a caldeira ocupa uma maior área no plano horizontal
Classificação- Segundo o arranjo das superfícies de aquecimento •
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Verticais Tem superfícies de calor dispostas no plano vertical. Necessidade de reforço estrutural, ficando maior o investimento.
Classificação- Segundo a força motriz para a circulação •
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Circulação natural Passe único (diferença de pressões gerada através de acionamento mecânico). Como desvantagem podese citar um incremento nos custos de investimento, operação e manutenção.
Classificação- Segundo o modo de recuperação •
Sem queima suplementar
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Com queima suplementar
Classificação- Segundo o número de níveis de pressão •
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As caldeiras de recuperação podem ser de 1, 2 ou 3 níveis de pressão. A utilização de 2 ou 3 níveis de pressão reduz as irreversibilidades inerentes a troca de calor entre os gases e o vapor já que diminui a diferença de temperatura entre ambos. Deve-se considerar a possibilidade de que planta necessite vapor a vários níveis de pressão e temperatura.
Caldeiras de recuperação – Parâmetros a considerar para projeto •
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Pressão do gás disponível para recuperação de calor (valores recomendados 2,5 a 3,7 kPa) Níveis de pressão, temperatura e capacidade desejada para a caldeira Pinch point – Diferença mínima de temperaturas entre a temperatura do gás na saída do evaporador e a temperatura de saturação do vapor Temperatura de aproximação no economizador e no superaquecedor (ΔTE e ΔTSa) Temperatura de saída dos gases de combustão e temperatura de entrada no economizador
Efeito do valor do Pinch Point e operação em Off-design •
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O valor do Pinch point afeta diretamente a quantidade de vapor gerado. Reduzindo o Pinch Point (e mantendo constantes outros parâmetros) aumenta a potência gerada no ciclo de turbina a vapor No entanto a superfície de troca aumenta exponencialmente (e consequentemente os custos).
Efeito do valor do Pinch Point e operação em Off-design •
Além disso um baixo valor de Pinch Point propicia a geração de vapor no economizador em condições de off-design o que pode acarretar problemas durante a operação
Vantagens do emprego de vários níveis de pressão •
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Maior flexibilidade de aplicação. Para aplicação não termoelétrica, em alguns casos há necessidade de gerar vapor a diferentes pressões de trabalho. Assim, a geração de vapor a diferentes níveis de pressão aumenta a eficiência térmica da instalação e diminui os custos específicos de investimento, operação e manutenção. Nas centrais termoelétricas de ciclos combinados também pode se aumentar a eficiência da instalação. (Desaerador, reaquecimento, regeneradores etc.)
Recuperação de calor a pressões supercríticas •
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A geração de vapor a parâmetros supercríticos em uma caldeira de recuperação é realizada empregando a circulação forçada de passe único. Pode se observar que para parâmetros supercriticos a mudança de fase não é mais realizada a temperatura constante, neste caso o Pinch point desloca-se para uma região de maior temperatura do gás. A redução do ΔT na troca de calor leva à redução de perdas e ao aumento da quantidade de energia transferida à mistura líquido vapor. Dechamps e Galopin (1998) apud Lora e Nascimento (2004) realizaram estudos comparativos, dos resultados eles concluíram que a geração de vapor com parâmetros supercriticos tem um aumento na eficiência de 2,33 pontos percentuais.
Recuperação de calor mudando o fluído de trabalho: Ciclo Kalina •
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Mudança do fluído de trabalho empregando uma mistura H2O-NH3. O uso desta mistura faz com que a mudança de fase não seja a temperatura constante. Aumento da potência produzida na faixa de 1030% (Korobitsyn, 1998 apud Lora e Nascimento 2004)
Recuperação de calor com queima suplementar •
A queima suplementar tem a finalidade de aumentar a temperatura e/ou disponibilidade energética do gás, visando atender: –
A demanda de vapor,
–
Controlar a temperatura de superaquecimento,
–
Reduzir as áreas de superfície de troca de calor
–
Atingir os parâmetros de vapor requeridos para um determinado processo
Recuperação de calor com queima suplementar •
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A quantidade de combustível queimado é função da concentração de oxigênio no gás, vazão do gás, temperatura do gás e temperatura do gás a ser atingida. Combustíveis gasosos são preferencialmente empregados para a queima suplementar. No setor siderúrgico por exemplo, pode ser usado o CO obtido de alto forno.
Balanço energético e eficiência de caldeiras de recuperação
Especificação de caldeiras de recuperação • •
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Aplicação Composição do gás (em base mássica volumétrica) Limpeza do gás Queda de pressão Temperatura da saída do gás Controle de emissão de poluentes Concentração de oxigênio no gás Requerimentos de qualidade de vapor Superfícies de troca de calor
e
