Aspectos Gerais e Classificação de Caldeiras

MÁQUINAS TÉRMICAS Conrado Ermel 1 Aspectos gerais de caldeiras As caldeiras são dispositivos de alta complexidade e por lidarem com vapor de água sob alta pressão e alta temperatura são instalações de alta periculo sidade Esses equipamentos apresentam variadas características construtivas que diferem de modelo para modelo Entretanto algumas características são comuns a todas as caldeiras algumas dessas características serão apresen tadas nesta seção Classificação de caldeiras Existem diversos modelos de caldeiras desenvolvidos para atender a aplica ções específicas mas em linhas gerais é possível classificar as caldeiras com base em algumas de suas características principais Caldeiras são o coração de plantas termelétricas e diversos outros segmentos da indústria Segundo Woodruff Lammers H e Lammers T 2014 elas convertem energia prove niente de quatro fontes de energia básicas energia química de combustíveis fósseis energia nuclear e a partir da fissão ou da fusão de átomos Assim as caldeiras podem se destinar a suprir três demandas principais 1 aquecimento ou fornecimento de calor para processador 2 geração de energia elétrica 3 movimentação de máquinas e motores motores de barcos e navios por exemplo Essa definição é um pouco mais ampliada sob a visão de Rayaprolu 2009 que classifica as caldeiras segundo diversos aspectos A Figura 1 apresenta algumas dessas classificações Geradores de vapor caldeiras 2 Geradores de vapor caldeiras Figura 1 Classificações de caldeiras quanto aos seus diferentes aspectos Fonte Adaptada de Rayaprolu 2009 Quanto à disposição do sistema de água e do compartimento da fonte quente há dois grandes grupos de caldeiras as flamotubulares e as aquatubu lares Elas abrangem diferentes formas de acomodar a transferência de calor para a água e por serem muito relevantes serão tratadas nas seções seguintes A forma de alimentação também é utilizada como uma forma de classificação de caldeiras sendo que o sistema de alimentação é naturalmente dependente do combustível utilizado Nesse quesito caldeiras são bastante flexíveis pois necessitam apenas de uma fonte de calor capaz de fornecer energia suficiente para mudar o estado da água para vapor Por esse motivo podem operar com uma grande variedade de combustíveis e fontes de calor como é o caso de plantas geotérmicas e usinas térmicas solares 3 Geradores de vapor caldeiras Objetivos de aprendizado Potter e Somerton 2017 apresentam uma importante classificação de cal deiras que está relacionada com a pressão de operação do fluido de trabalho e afeta diretamente o estado do fluido Ciclos termodinâmicos operando em pressões inferiores a 200 bar são denominados subcríticos Em faixas de pressão entre 200 e 300 bar o ciclo passa a ser chamado de supercrítico e quando a pressão de trabalho passa de 300 bar temos o ciclo ultrasupercrítico Uma classificação não tão usual pode ser discutida em relação à utilização da caldeira sendo ela dividida entre industrial caldeira de utilidade e caldeira nuclear Segundo Rayaprolu 2009 outra classificação prática muito utilizada se refere ao sistema de montagem das caldeiras Sob esse aspecto as caldeiras podem ser classificadas em caldeiras prontas em inglês package boilers ou caldeiras montadas no local em inglês fielderected boilers A primeira é fornecida ao cliente já totalmente montada pronta para ser instalada no local de operação Esse tipo geralmente é utilizado para caldeiras de pequeno porte O segundo tipo geralmente referente a caldeiras de médio e grande porte tem suas peças fabricadas previamente para posterior montagem da estrutura e dos equipamentos da caldeira diretamente no lugar de operação Na Figura 2 são apresentadas as faixas de operação de cada tipo de caldeira em função da pressão de operação e da capacidade de geração Dentro de todo o espectro apresentado na Figura 2 ressaltamse as caldeiras flamotu bulares muito comuns em indústrias de pequeno e médio porte de diversos segmentos sendo usadas para fornecer vapor saturado à unidade industrial Temse também em destaque a região de operação de caldeiras subcríticas de combustível pulverizado PF do inglês pulverisedfuel operando com a finalidade tanto de gerar energia elétrica como de atender à demanda de vapor para determinados processos no parque industrial A sigla CFBC do inglês circulating fluidized bed boilers se refere às caldeiras com leito fluidizado circulante enquanto a sigla BFBC do inglês bubbling fluidized bed combus tion se refere às caldeiras com combustão em leito fluidizado borbulhante No campo de caldeiras supercríticas e ultrasupercríticas não apresentadas na figura temos exclusivamente caldeiras operando com o objetivo de gerar energia elétrica ou seja centrais termelétricas Geradores de vapor caldeiras 4 Ao final deste texto você deve apresentar os seguintes aprendizados Figura 2 Tipos de caldeiras em relação à faixa de pressão de operação e sua capacidade de geração de vapor Fonte Adaptada de Rayaprolu 2009 Compreender as motivações para o desenvolvimento dos equipamentos a vapor e o seu aperfeiçoamento conhecendo o contexto local e cronológico é uma forma interessante de se analisar a evolução desses equipamentos Assista ao vídeo intitulado A História das máquinas térmicas e termodinâmica Ciência com um Q de História do canal Ciência do Q no YouTube e conheça a história de diversas máquinas térmicas e caldeiras bem como sua relação com a termodinâmica 5 Geradores de vapor caldeiras Reconhecer as características das caldeiras Aplicações dos modelos de caldeiras Podese encontrar caldeiras aquatubulares em empreendimentos de variadas proporções Não há limitação da capacidade de produção de vapor inerente à característica construtiva SABET 2016 Essas caldeiras são aplicadas em grande parte em centrais térmicas operando com ciclo Rankine para gerar energia elétrica como mostra a Figura 3 A letra a corresponde ao circuito termohidráulico do ciclo b é a área de combustão da caldeira juntamente com a destinação dos gases de combustão a área c apesar de também ser denominada circuito termohidráulico é tratada separadamente pois envolve circuitos complexos para tratar a água de resfriamento O gerador elétrico d é acoplado diretamente ao eixo da turbina a vapor para diminuir perdas mecânicas Figura 3 Esquema simplificado dos componentes de uma planta termelétrica a vapor Fonte Adaptada de Moran et al 2018 Geradores de vapor caldeiras 6 Relacionar os dados técnicos de caldeiras e qualificação da água Certamente o ciclo Rankine é o mais utilizado em centrais termelétricas Seu nome é uma homenagem à pessoa que calculou pela primeira vez o valor do máximo trabalho que poderia ser extraído de um ciclo operando entre os limites de uma caldeira e um condensador William John Macquorn Rankine Por outro lado caldeiras flamotubulares se destinam à geração de vapor saturado para atender à demanda de utilidades como vapor e água quente para processos industriais TEIR 2003 Podemos encontrar caldeiras flamotubula res em segmentos variados como a indústria de alimentos laticínios bebidas frigoríficos entre outros Esse tipo de indústria utiliza o vapor saturado para fins de aquecimento e também para limpeza de equipamentos e ambientes Na indústria de alimentos grande parte da utilização do vapor é dedicada a sistemas de aquecimento indireto Nesse caso o fluido de trabalho o vapor não entra em contato direto com o alimento Trocadores de calor geralmente construídos em aço inox promovem a troca de calor dentro de tanques e rea tores garantindo assim os níveis de cuidado sanitário e higiene necessários Em casos em que a injeção de vapor é feita diretamente no alimento caldeiras dedicadas são utilizadas De acordo com Lewis e Heppell 2000 nesses sistemas de distribuição de vapor existem cuidados especiais em relação ao tratamento da água para evitar corrosão e detritos na linha de vapor É comum nessas aplicações a utilização de caldeiras elétricas dedicadas Cada fabricante de caldeira adota seus procedimentos de segurança e seu knowhow tecnológico Em linhas gerais muitos utilizam as normas americanas da American Society of Mechanical Engineering para balizar seus projetos A inspeção de caldeiras industriais também é uma atividade de grande importância pois ela garante condições de operação seguras No Brasil a Norma Regulamentadora R13 dispõe sobre caldeiras e vasos de pressão Ela discrimina os procedimentos adequados e os formulários a serem preenchidos e também indica quais profissionais têm habilitação para desempenhar a função de inspetor de vasos de pressão 7 Geradores de vapor caldeiras Analisar a eficiência das caldeiras Processos industriais que requerem vapor saturado são caracterizados por variações no perfil de consumo Conforme apresentado por Teir 2003 essa característica é muito bem atendida por caldeiras flamotubulares tornando esse tipo de caldeira muito popular na indústria Seus custos de instalação e manutenção são muito menores se comparados aos custos de caldeiras aquatubulares Porém sua utilização acaba sendo limitada a indústrias com pequeno consumo de vapor Esse tipo de caldeira não é encontrado atualmente em plantas de geração de energia elétrica 2 Dados técnicos e qualificação da água de caldeiras Caldeiras são suscetíveis às condições ambientais especialmente às condições de tratamento da água utilizada Assim é necessário entender o princípio de funcionamento de cada modelo de caldeira e como isso torna a caldeira vulnerável a diversos problemas de manutenção Aquatubular princípio de funcionamento De acordo com Sabet 2016 geradores de vapor aquatubulares são aqueles em que a água está contida dentro dos tubos enquanto a combustão e a passagem dos gases à alta temperatura ocorrem do lado de fora dos tubos Sob o ponto de vista da transferência de calor caldeiras aquatubulares são o oposto de caldeiras flamotubulares Entretanto as diferenças das caldeiras aquatubulares em relação às flamotubulares que são os geradores de vapor mais populares na indústria são muito mais expressivas Geradores de vapor caldeiras 8 Introdução A função de uma caldeira aquatubular assim como de qualquer outra caldeira é transferir energia térmica proveniente de alguma fonte para o fluido de trabalho A fonte de energia abrange combustíveis fósseis líquidos sólidos e gasosos além de fontes geotérmicas energia solar térmica ou rejeito de calor de outros processos Em todos os casos a fonte de calor está na parte externa dos tubos que conduzem a água Assim ocorre o processo de evaporação gradual da água que é posteriormente extraída de um reservatório situado na parte superior da caldeira TIER 2003 Conforme apresentado na Figura 4 existem duas correntes principais nas caldeiras aquatubulares A primeira é a corrente dos gases de combustão que é a fonte de calor do processo A outra grande corrente é o circuito de água Assim a caldeira pode ser vista como um grande trocador de calor em que a evaporação da água ocorre dentro dos tubos com três etapas denominadas evaporação nucleada zona de transição e evaporação de filme conforme apresentado por Buecker 2002 e mostrado na Figura 4c A Figura 4b apresenta apenas uma simplificação do processo Caldeiras aquatubulares são equipamentos complexos que possuem inúmeros trocadores de calor bombas e sistemas de segurança A Figura 4a dá uma noção mais realista de uma caldeira aquatubular que opera com combustível pulveri zado Nesse caso ela possui sistema de aquecimento de ar economizador e superaquecedor As paredes de água promovem a evaporação da água que retorna ao tubulão superior em sua fase gás Nesse processo contínuo segundo Buecker 2002 água e vapor são separados no tubulão e o vapor saturado seco é então forçado a passar por uma série de trocadores de calor que levam o fluido ao estado de vapor superaquecido Dessa forma ele pode ser expandido em uma turbina a vapor garantindo que não haja formação de condensado e consequentemente danos nas palhetas da turbina Após vários estágios de expansão o vapor condensado retorna para o sistema de abastecimento de água reiniciando o seu ciclo 9 Geradores de vapor caldeiras Não há uma definição universal sobre o equipamento conhecido como caldeira Esse dispositivo também conhecido como gerador de vapor possui várias definições apesar de fazer parte do cotidiano industrial Podese dizer que uma caldeira é um equipamento cuja finalidade é gerar vapor de água a partir de seu estado líquido recebendo energia de uma fonte externa Figura 4 Caldeira aquatubular a Caldeira aquatubular com combustível pulverizado aquecedor de ar economizador e superaquecedor SH superaquecedor do inglês su perheater AH preaquecedor do inglês air heater RH reaquecedor do inglês reheater ECON economizador b Diagrama simplificado das correntes quente e fria c Etapas da evaporação da água dentro do tubo DNB transição da zona de nucleação do inglês departure from nucleate boiling Fonte a Adaptada de Rayaprolu 2013 b Sarkar 2015 p 57 c Buecker 2002 p 29 a b c Geradores de vapor caldeiras 10 É importante entender que a caldeira pode ser vista como um conjunto como no caso de uma caldeira que queima carvão ou lenha ou apenas como o sistema que transfere calor de uma fonte qualquer produzindo vapor Essa diferenciação é importante pois a partir dela temse a clareza de que o equipamento gerador de vapor pode ser operado com diferentes combustíveis Caldeiras são utilizadas em plantas termoelétricas movidas a carvão gás natural ou energia nuclear e também transformam em eletricidade a energia recebida de fontes geotérmicas biomassa ou parques de energia solar térmica Características técnicas As caldeiras aquatubulares podem ser aplicadas em pequena média e grande escala mas são muito comuns em empreendimentos de grande porte tendo como objetivo gerar vapor superaquecido para posterior expansão em turbinas Há uma grande variedade de modelos construtivos de caldeiras aquatubulares O princípio de operação das caldeiras aquatubulares é o mesmo porém sua forma construtiva pode variar significativamente em relação à combustão utilizada ou em relação ao circuito termohidráulico sistema águavapor A combustão de combustíveis pulverizados muito comum nesse tipo de caldeira é obtida por meio da moagem do combustível usualmente carvão e da posterior pulverização do combustível em pó ANNARATONE 2008 O carvão é reduzido a partículas que podem variar de 55 a 100 micro metros Uma parcela da energia inserida no ciclo é destinada aos moinhos equipamentos de grande porte e difícil manutenção A injeção de carvão pode ser feita em um esquema de queima frontal ou queima tangencial A câmara de combustão é revestida de tubos de água que formam a chamada parede de água onde ocorre a transferência de calor para gerar o vapor como mostrado na Figura 5 Figura 5 Paredes de água de uma caldeira aquatubular em estágio de montagem a Visão geral b Detalhe do nicho para inserção do queimador Fonte Teir 2003 p 58 a b 11 Geradores de vapor caldeiras Neste capítulo você vai estudar os diferentes modelos e classificações de caldeiras como as caldeiras flamotubulares e aquatubulares verificando os seus aspectos comuns e as suas diferenças Outro ponto de projeto que pode diferir em caldeiras aquatubulares está relacionado à forma de circulação da água nos dutos Segundo Woodruff Lammers H e Lammers T 2004 a classificação em relação a essa carac terística pode ser dividida entre esquema de circulação natural e esquema de circulação forçada Na circulação natural Figura 6a a bomba de alimentação apenas garante a manutenção do nível de água do tubulão à medida que ele diminui em função do consumo de vapor A circulação natural ocorre devido à variação da massa específica da água à medida que ela recebe o calor da fornalha O vapor de água apresentando massa específica muito menor do que a água líquida tende a retornar ao tubulão superior naturalmente Essa circulação então ocorre de forma permanente durante a operação da caldeira Na prática segundo Teir 2003 a pressão no sistema deve ser menor do que 170 bar para que haja uma circulação adequada No esquema de circulação forçada Figura 6b uma segunda bomba promove a circulação da água acelerando seu retorno ao tubulão superior BUECKER 2002 Figura 6 Esquemas de circulação de água em uma caldeira aquatubular a Circulação natural b Circulação forçada Fonte Adaptada de Teir 2003 a b Tubulão secundário Geradores de vapor caldeiras 12 O Quadro 1 apresenta uma comparação entre as vantagens e desvantagens desses dois sistemas com base em Teir 2003 Quadro 1 Comparação entre o esquema de circulação natural e forçada Figura 7 Diagrama de funcionamento de uma caldeira flamotubular de passe simples A denominação flamotubular é oriunda exatamente do fato de os tubos conterem em seu interior os gases quentes e em sua parte externa a água O queimador geralmente operando com óleo ou gás natural permite a formação de uma chama quase horizontal que percorre boa parte do tubo de chama ou câmara de combustão A Figura 8 mostra o resultado de uma simulação numérica computacional indicando o campo de temperatura esperado dando uma noção do formato de chama dentro da câmara de combustão de uma caldeira de três toneladas de consumo de vapor por hora Figura 8 Campo de temperatura de uma simulação computacional da combustão de óleo na câmara de uma caldeira flamotubular com produção de 3000 kgh de vapor a uma pressão de trabalho de 10 bar Geradores de vapor caldeiras 14 Circulação natural No anteparo existente na outra extremidade da caldeira os gases de com bustão à alta temperatura são direcionados ao feixe de tubos que os conduz até a chaminé Durante todo o caminho percorrido a transferência de energia para a água força a formação de vapor saturado na camada superior da caldeira O vapor é extraído pela tomada superior indicada na Figura 7 Características técnicas De acordo com Rayaprolu 2013 caldeiras flamotubulares são adequadas para utilização apenas com combustíveis limpos como é o caso do gás natural ou do óleo A estrutura interna por onde os gases de combustão circulam é complexa e naturalmente acumula sujeiras e incrustações As constantes mudanças de direção e os pequenos diâmetros dos tubos demandam uma rotina frequente de manutenção dessas caldeiras O formato cilíndrico característico das caldeiras flamotubulares tem sua origem no conceito de se ter um grande reservatório de mistura líquidovapor à alta pressão Sendo um vaso de pres são o formato cilíndrico garante uma distribuição homogênea das tensões e auxilia na integridade estrutural da caldeira Soldas e acessos devem seguir normas de segurança criteriosas SARKAR 2015 Combustíveis com alto nível de particulado ou formação de fuligem como carvão lenha ou mesmo biomassa não podem ser utilizados em função da maior exigência de manutenção Outra questão importante envolvendo caldeiras flamotubulares é o poder calorífico do combustível utilizado Esse tipo de caldeira apresenta dimensões reduzidas assim a área de transferência de energia dos gases para a água não é grande Dessa forma é necessário que a combustão esteja contida na região da câmara de combustão ou tubo de chama para que ao chegar no anteparo da outra extremidade apenas gases de combustão sejam transportados Segundo Rayaprolu 2013 caldeiras flamotubulares são projetadas para atenderem a consumos de vapor de até 35 toneladas por hora e pressões de trabalho menores do que 253 Bar ou 253 MPa A geometria desses geradores de vapor é tradicionalmente tubular disposta no sentido horizontal como mostrado na Figura 7 Entretanto caldeiras de pequeno porte podem ter seu arranjo construtivo no sentido vertical O design das caldeiras flamotubulares acaba dificultando o investimento em segurança de operação Por se tratar de um reservatório grande esse vaso de pressão contém uma grande quantidade de vapor saturado e pode representar grande risco de morte aos operadores no caso de um acidente Por ser uma caldeira de baixo custo compacta de rápida produção alguns fabricantes 15 Geradores de vapor caldeiras Vantagens Mais tolerante a impurezas na água podem não destinar a qualidade necessária para que esse equipamento suporte adequadamente as condições de operação A característica construtiva de caldeiras flamoto tubulares faz com que o grande reservatório de água seja também um grande reservatório térmico Dessa forma esse tipo de caldeira consegue suportar grandes variações no consumo instantâneo de vapor TEIR 2003 Em geral esse tipo de caldeira tem uma vida útil esperada de 25 anos sendo que há registros de operação de caldeiras com mais de 75 anos Além das rotinas de manutenção necessárias o tratamento da água de alimentação é um dos pontoschave para garantir o bom funcionamento do equipamento Caldeiras flamoto tubulares de médio e grande porte são montadas no local final de instalação Para atender a demandas menores alguns fabricantes oferecem uma solução de montagem compacta Essa solução reduz drasticamente o tempo e os custos de montagem e comissionamento da caldeira Caldeiras desse tipo também representam menor investimento inicial Os testes de qualidade são realizados no próprio fabricante e depois de entregue é necessário conectar o equipamento às linhas de vapor água e energia elétrica para o sistema de controle Todavia conforme Teir 2003 elas necessitam de intervalos menores de manutenção e limpeza para garantir a disponibilidade e a vida útil Tratamento da água de caldeira Independentemente do tipo de caldeira com que se esteja trabalhando os cuidados com o tratamento da água de alimentação que será transformada em vapor são comuns A água captada da natureza carrega consigo muito mais do que moléculas de H₂O Inúmeros minerais impurezas e componentes dissolvidos se encontram nela e são imperceptíveis ao olho humano quando a água se encontra em seu estado líquido sob pressão atmosférica e temperatura ambiente Porém quando é aquecida e transformada em vapor saturado ou vapor superaquecido esses componentes podem se tornar um grande problema para a operação de caldeiras SABET 2016 O tratamento de água para caldeiras é um assunto muito importante e cada uma das diversas fases em que a água se encontra recebe uma denominação específica como descrito a seguir RAYAPROLU 2013 Menor consumo de energia bombas Condensado retornado do processo sem misturas Água desmineralizada quase totalmente livre de sólidos dissolvidos Água de alimentação mistura pronta para entrar na caldeira Água da caldeira água dentro da caldeira Água de reposição adicionada para repor perdas Três processos recebem uma atenção especial em se tratando de cuidados com a água utilizada em caldeiras desareação condicionamento da água e do vapor e carryover A desareação visa a diminuir os níveis de oxigênio dissolvido na água O condicionamento se refere aos diversos parâmetros e componentes existentes na água não tratada Carryover é um termo em inglês que define o fenômeno de arraste de partículas de impurezas para fora do reservatório de água da caldeira Diversas propriedades da água devem ser controladas em todas as etapas mostradas anteriormente Algumas das principais impurezas encontradas na água são listadas no Quadro 2 assim como seus efeitos e a forma de tratamento Quadro 2 Impurezas encontradas na água seus efeitos e tratamento Item Descrição Efeito Tratamento Dureza Ca Mg e sais CaCO₃ Incrustação ABR DM limpeza e agentes de superfície Alcalinidade HCO₃ CO₃ OH CaCO₃ Espuma transporte de particulado corrosão em linhas com condensado CO₂ ABR DM HX AX Ácidos livres HCl H₂SO₄ CaCO₃ Corrosão NA CO₂ Corrosão em linhas com condensado Areação desareação NA SO₄² Incrustação CaSO₄ DM Cl Aumento da corrosão DM Na Corrosão OH DM Fonte Adaptado de Rayaprolu 2003 Item Descrição Efeito Tratamento SiO2 Incrustação AX na DM Fe e Mn Deposição nos tubos e turbina Aeração abrandamento com calcário CX agentes de superfície O2 Corrosão na caldeira e trocadores de calor Desaeração Na2SO3 inibidor de corrosão Sólidos dissolvidos Espuma ABR CX DM Sólidos suspensos Depósito de impurezas na caldeira e nos trocadores de calor Filtragem Óleo Espuma e arrasto de impurezas Filtragem ativa com carbono Abreviações ABR abrandamento da água DM desmineralização HX abrandamento com trocadores de calor AX desalcalinização com trocador de ânions NA neutralização com alcalinos CX trocador de cátions Quadro 2 Impurezas encontradas na água seus efeitos e tratamento Continuação 3 Eficiência em caldeiras Assim como qualquer outro equipamento a caldeira deve ter sua operação avaliada sob diversos parâmetros como a capacidade de atender à demanda requisitada a segurança do dispositivo a velocidade de resposta e é claro a sua eficiência RAYAPROLU 2009 A eficiência de uma máquina pode ser determinada de diversas formas em geral não há uma definição única e absoluta sobre como a eficiência deve ser definida Em caldeiras dois métodos são bastante utilizados conforme descrito a seguir Geradores de vapor caldeiras 18 Grande reservatório de água o que facilita a estabilidade de controle inércia térmica Método direto Talvez uma das formas mais intuitivas para definir a eficiência seja relacio nar o somatório de toda a energia inserida no sistema com todo o trabalho extraído Para caldeiras essa abordagem é válida e conforme apresentado por Annaratone 2008 podemos avaliar a eficiência por meio da equação 1 1 O calor inserido Qinserido pode ser determinado como a soma da energia química do combustível com a energia necessária para aquecer o ar de entrada da caldeira Qaqar A energia do combustível pode ser estimada em função do poder calorífico do combustível e de sua vazão de entrada no sistema 2 onde a vazão de combustível mcomb é dada em kgs e o poder calorífico superior é dado em kJkg Nesse ponto podese utilizar também o poder calorífico inferior do combustível e a escolha dependerá do tipo de tratamento que será dado em relação à umidade do combustível Em caldeiras onde exista o preaquecimento do ar de entrada devese considerar a energia gasta para elevar a temperatura dele 3 onde mar é a vazão de ar admitido em kgs e CPar o calor específico do ar à pressão constante A energia extraída do sistema em se tratando de uma caldeira cujo produto é justamente a massa de vapor por unidade de tempo pode ser estimada de maneira semelhante à equação 3 mas considerando as propriedades do vapor entregue conforme a equação 4 4 onde hvapor é a entalpia do vapor extraído do sistema kJkg e hágua a entalpia da água admitida na caldeira 19 Geradores de vapor caldeiras Desvantagens Essa abordagem conhecida como método direto segundo Rayaprolu 2013 é adequada para resolver uma gama de avaliações envolvendo caldeiras como caldeiras de pequeno e médio porte Essas caldeiras costumam utilizar como combustível o óleo e o gás natural O método direto é adequado a esse tipo de caldeira porque os combustíveis citados apresentam um poder calorífico bastante estável o que torna as incertezas do método aceitáveis Ainda assim esse método apresenta incertezas significativas não podendo ser usado em caldeiras de grande porte que queimam combustível pulverizado por exemplo Método indireto heat loss O método indireto também conhecido como perda de calor em inglês heat loss é um teste de eficiência abrangente aceito em praticamente todo o mundo Tratase de uma rotina de testes complexa realizada após o início da operação da caldeira para registrar a sua assinatura ou seja a sua caracte rística de operação O método indireto se baseia nas perdas de calor previstas no funcionamento natural da caldeira Figura 9 e nos desvios que os valores calculados apresentam em relação ao estado ideal de operação dela Figura 9 Balanço de energia típico de uma caldeira RH reaquecedor SH superaque cedor ECON economizador AH aquecedor de ar Fonte Adaptada de Rayaprolu 2009 Geradores de vapor caldeiras 20 Vazão menor logo as dimensões da caldeira precisam ser muito grandes Dimensionamento mais criterioso Segundo Rayaproglu 2009 esse teste é mais criterioso e leva em consideração a incerteza de medição dos diversos instrumentos e dispositivos distribuídos pela caldeira Assim o método se torna menos sensível a eventuais problemas de medição durante os testes Se considerarmos uma caldeira com uma eficiência média de 80 um erro de leitura de 2 em algum parâmetro pode significar um erro de até 16 no cálculo da eficiência quando o método direto é utilizado Esse mesmo erro de leitura de 2 quando computado pelo método indireto é reduzido para um erro acumulado de apenas 04 no cálculo da eficiência Perdas e ineficiências Um grande desafio é determinar os somatórios da energia de entrada e de saída do sistema Maior ainda é o desafio de identificar e localizar as perdas de forma a agir efetivamente no aumento da eficiência Segundo Rayaproglu 2013 as principais perdas em caldeiras industriais podem ser definidas conforme descrito a seguir Perdas de energia nos gases de combustão compreendem de 70 a 80 de todas as perdas em uma caldeira Ocorrem porque é necessário que os gases de combustão saiam da chaminé com temperatura relativamente alta para evitar condensação e problemas com corrosão Incombustos a combustão incompleta é reduzida aumentandose o excesso de ar da mistura Porém isso aumenta as perdas no gás de combustão Há uma região de máxima eficiência a ser buscada nesse sentido Perdas por radiação perdas diretas da caldeira para o meio Valores de referência de 1 para caldeiras pequenas e 03 para caldeiras de grande porte podem ser adotados Perda por calor sensível existe apenas em caldeiras que operam com combustíveis sólidos Referese à energia perdida pelas cinzas pesadas e cinzas volante leves Perdas não contabilizadas geralmente são pequenas perdas difíceis de computar como é o caso de erros de instrumentos Teir 2003 estima as perdas de calor por incombustos para cada tipo de caldeira conforme apresentado no Quadro 3 Fonte Adaptado de Teir 2003 Tipo de caldeira Percentual de perda de calor por unidade de combustível inserida Caldeira a óleo 02 a 05 Caldeira a carvão com remoção de cinzas secas 3 Caldeira a carvão com remoção de cinzas fundidas Aproximadamente 2 Caldeira com queima em grelha 4 a 6 Quadro 3 Estimativa de perda de calor por combustível incombusto para diferentes ti pos de caldeiras Para se garantir a operação segura e eficiente de qualquer caldeira é preciso conhecer os seus princípios de funcionamento e as fontes de perdas mais importantes Conhecer essas fontes é a melhor forma de trabalhar o aumento da eficiência da caldeira A operação de caldeiras é complexa e resulta na interligação de diferentes sistemas que precisam operar em perfeito ajuste Além de projetos ousados esses equipamentos requisitam manutenção detalhada constantemente Aspectos como o tratamento da água são de grande importância para garantir a vida útil do equipamento e uma operação segura Ainda segundo Woodruff Lammers H e Lammers T 2004 o tratamento adequado da água utilizada na caldeira afeta diretamente a sua eficiência Os depósitos de sujeira reduzem a efetividade da troca de calor o que a longo prazo reduz significativamente a eficiência de qualquer caldeira seja ela aquatubular ou flamotubular Nas centrais termelétricas onde caldeiras aquatubulares são muito em pregadas o ciclo Rankine é o mais utilizado Embora o ciclo ideal considere processos como a expansão na turbina e o bombeamento para a caldeira como sendo isentrópicos no ciclo real as irreversibilidades do processo alteram significativamente o rendimento do ciclo como mostrado no Quadro 4 Geradores de vapor caldeiras 22 Apenas ciclos subcríticos 170 bar Fonte Adaptado de Sarkar 2015 Parâmetro Ciclo de Carnot Ciclo Rankine saturado ideal Ciclo Rankine saturado real Calor adicionado kJkg 14418 253158 256016 Eficiência do ciclo 4401 3661 2919 Trabalho líquido kJkg 63476 93791 74729 Consumo específico de vapor kgkWh 567 384 482 Quadro 4 Comparação de desempenho entre os ciclos de potência As irreversibilidades do processo reduzem a eficiência do ciclo de Rankine de 3661 para 2919 no caso estudado por Sarkar 2015 Para melhorar a eficiência e compensar essas perdas diversos arranjos são desenvolvi dos no ciclo Çengel e Boles 2013 mostram que ao consultar o diagrama temperaturaentalpia do ciclo concluise que é possível aumentar a eficiência do ciclo ao se reduzir a pressão no condensador O aumento da pressão e da temperatura mantendo o reservatório da fonte fria também causa uma elevação na eficiência entretanto limitações físicas não permitem grandes variações nesses parâmetros Na prática o ciclo Rankine é equipado com sistemas de reaquecimento que inserem novamente energia no vapor expandido no primeiro estágio da turbina Esse vapor novamente superaquecido passa por mais estágios da turbina Outro sistema a ser incorporado é o regenerador ou aquecedor de água Dessa forma a eficiência da caldeira é elevada na medida em que a água já entra no tubulão com uma temperatura mais próxima do ponto de ebulição RAYAPROLU 2013 Ganapathy 2003 diz que em geral caldeiras flamotubulares apresentam baixos índices de eficiência térmica e como os gases de combustão deixam a caldeira com uma temperatura aproximada de 400 a 450C o uso de eco nomizadores não é comum Entretanto em situações em que o aumento da eficiência da caldeira é muito importante essa pode ser uma solução 23 Geradores de vapor caldeiras Circulação forçada Atemperadores são dispositivos que injetam água fria em linhas de vapor superaque cido para modular a pressão e a temperatura do fluido Figura 10 Figura 10 Atemperador de vapor Fonte Adaptada de Buecker 2002 Uma válvula de controle regula a vazão de água controlando assim a temperatura do vapor O atemperador também conhecido como dessuperaquecedor serve como um freio na planta térmica Porém seu uso excessivo implica em perdas de eficiência significativas uma vez que ele resfria o vapor gerado Todo o calor necessário para superaquecer o vapor é literalmente desperdiçado no momento em que o atemperador entra em ação Acesse o vídeo Desuperheating Animation no canal SpiraxSarcoUSA no YouTube e confira uma animação de um atemperador em operação A área de estudo de geradores de vapor é antiga e ampla Conceitos do século XVIII são ainda utilizados e dão origem a plantas de geração de ener gia que fornecem eletricidade para cidades atuais Esses conceitos muitas vezes complexos são a base para o entendimento da termodinâmica e dos equipamentos utilizados Ainda que os vários segmentos de estudo exijam aprofundamento e dedicação uma visão geral e o entendimento básico dos princípios é o mínimo necessário para qualquer profissional que atue com a grande área de caldeiras Novas tecnologias e equipamentos são apresentados constantemente É preciso estar atento a tendências de melhoria na eficiência de operação assim como aos cuidados com o meio ambiente Entretanto qualquer nova tecnologia invariavelmente se apoia nos pilares da termodinâmica e nos conceitos já sedimentados Geradores de vapor caldeiras 24 Tubos com diâmetros menores ANNARATONE D Steam generators description and design Berlin Springer 2008 BUECKER B Basics of boiler HRSG design Tulsa PennWell 2002 ÇENGEL Y A BOLES M A Termodinâmica 7 ed Porto Alegre AMGH 2013 GANAPATHY V Industrial boilers and heat recovery steam generators New York Marcel Dekker 2003 LEWIS M HEPPELL N Continous thermal processing of foods Maryland ASPEN Publi shers Inc 2000 MORAN M J et al Fundamentals of engineering thermodynamics 9 ed Hoboken Wiley 2018 POTTER M C SOMERTON C W Termodinâmica para engenheiros 3 ed Porto Alegre Bookman 2017 Coleção Schaum RAYAPROLU K Boilers a practical reference Boca Raton CRC Press 2013 RAYAPROLU K Boilers for power and process Boca Raton CRC Press 2009 SABET M Industrial steam systems fundamentals and best design practices Boca Raton Taylor Francis Group 2016 SARKAR D K Thermal power plant design and operation Amsterdan Elsevier 2015 TEIR S Steam boiler technology 2 ed Helsink Helsink University of Technology 2003 WOODRUFF E B LAMMERS H B LAMMERS T F Steam planta operation 8 ed New York McGrawHill 2004 Leitura recomendada DESUPERHEATING animation S l s n 2015 1 vídeo 1 min 20 seg Publicado pelo canal SpiraxSarcoUSA Disponível em httpswwwyoutubecomwatchvw6sf3sZ7vug Acesso em 13 ago 2020 Os links para sites da web fornecidos neste capítulo foram todos testados e seu fun cionamento foi comprovado no momento da publicação do material No entanto a rede é extremamente dinâmica suas páginas estão constantemente mudando de local e conteúdo Assim os editores declaram não ter qualquer responsabilidade sobre qualidade precisão ou integralidade das informações referidas em tais links 25 Geradores de vapor caldeiras Flexibilidade no desenho construtivo Não depende da massa específica da água Conteúdo saGAH SOLUÇÕES EDUCACIONAIS INTEGRADAS Maior consumo de energia Não adequada para variações bruscas no consumo de vapor É necessário um tubulão de vapor dedicado que apresenta custo elevado Fonte Adaptado de Teir 2003 Flamotubulares princípio de funcionamento Caldeiras flamotubulares são assim chamadas por sua característica construtiva em que feixes de tubos são dispostos dentro de um reservatório de água Como os tubos estão imersos seu lado externo está em contato com a água enquanto o lado interno é percorrido pelos gases de combustão Em geral são caldeiras de pequeno e médio porte utilizadas na maioria dos processos industriais para fornecer vapor saturado além de água quente ANNARATONE 2008 O arranjo construtivo de caldeiras flamotubulares é concedido de forma que um grande vaso de pressão age como um reservatório que contém a mistura águavapor como mostra a Figura 7 A combustão que ocorre na câmara gera gases de combustão quentes que transferem energia para o líquido que o rodeia através dos tubos de passagem