Máquinas Térmicas: Definição de Combustão e Tipos de Combustíveis

Máquinas Térmicas LEANDRO DALLA ZEN PhD PROF UNIVERSIDADE DO VALE DO RIO DOS SINOS UNISINOS DEFINIÇÃO DE COMBUSTÃO ENERGIA QUE ENTRA COM O COMBUSTÍVEL ANÁLISE ELEMENTAR PODER CALORÍFICO ESTEQUIOMETRIA DACOMBUSTÃO OXIGÊNIO ARATMOSFÉRICO EXCMASSA DE AR REAL ESSO DEAR PRODUTOS DA COMBUSTÃO MASSA DOS GASES DE COMBUSTÃO VOLUME DOS GASES DE COMBUSTÃO GRÁFICO EXCESSO DE AR X TEORES DE CO2 eO2 BALANÇO DE MASSA E ENERGIA ENERGIA QUE ENTRA PELO AR ÁGUA E COMBUSTÍVEL ENERGIA QUE SAI PELOS GASES CO2 N2 O2 H20 SO2 COMBUSTÃO INCOMPLETA CO C FULIGEM ANALISE DA COMBUSTÃO TEMPERATURA TEÓRICA DECHAMA SUMÁRIO 2 ANÁLISE ELEMENTAR ANÁLISE ELEMENTAR TÍPICA BASEÚMIDA Lenha Candiota Óleo Comb GN Carbono 3724 Carbono 2793 Carbono 88 Carbono 75 Hidrogênio 420 Hidrogênio 178 Hidrogênio 10 Hidrogênio 25 Nitrogênio 004 Nitrogênio 063 Nitrogênio 0 Nitrogênio 0 Enxofre Enxofre 135 Enxofre 2 Enxofre 0 Oxigênio 2842 Oxigênio 854 Oxigênio 0 Oxigênio 0 Cinzas 016 Cinzas 4477 Cinzas 0 Cinzas 0 Umidade 3000 Umidade 1500 Umidade 0 Umidade 0 PCSbs 10800 PCSbs 14300 PCSbs 4700 PCSbs3300 PCS CALORÍMETRO BASE SECA KCALKG CIENTEC 3 COMBUSTÍVEIS Podemos classificar os combustíveis e fontes de energia de diversas maneiras sendo que as formas mais comuns são quanto as estado físico SÓLIDOS LÍQUIDOS GASOSOS quanto a sua origem FÓSSEIS NÃO RENOVÁVEIS NÃO FÓSSEIS RENOVÁVEIS FÍSSEIS fontes de energia HIDRÁULICA EÓLICA SOLAR ONDAS CORRENTES E MARÉS GEOTÉRMICA OUTRAS MENORES COMBUSTÍVEIS COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS CONVENCIONAIS carvão mineral de linhito a antracito turfa madeira in natura ou carvão vegetal resíduos agrícolas cascas folhas bagaços xisto COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS NÃO CONVENCIONAIS resíduos industriais polímeros lixos resíduos domésticos e comerciais COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS CONVENCIONAIS óleos combustíveis óleo diesel incluindo biodiesel gasolina álcoois etílico e metílico querosene COMBUSTÍVEIS COMBUSTÍVEIS GASOSOS CONVENCIONAIS gás liquefeito de petróleo GLP gás natural e gás natural sintético metano gás de coqueria COG BFG gás de carvão mineral CO H2 CH4 gases residuais de refinarias e petroquímicas biogás degradação biológica de biomassas COMBUSTÍVEIS GASOSOS NÃO CONVENCIONAIS hidrocarbonetos leves etano eteno acetileno propeno buteno butadieno hidrogênio COMBUSTÍVEIS OUTROS COMBUSTÍVEIS NÃO CONVENCIONAIS óleos vegetais comestíveis ou não óleos e gorduras animais hidrocarbonetos líquidos puros tolueno xilenos solventes COMBUSTÍVEL FÍSSEL URÂNIO fissão nuclear COMBUSTÍVEL FUSÍVEL HIDROGÊNIO DEUTÉRIO E TRÍTIO fusão nuclear COMBUSTÃO 8 DEFINIÇÃO REAÇÃO QUÍMICA VIOLENTA ENTRE COMBUSTÍVEL E COMBURENTE LIBERANDO LUZ E CALOR COMBUSTÍVEL COMBUSTÍVEIS ELEMENTARES CARBONO HIDROGÊNIO ENXOFRE COMBURENTE AR ATMOSFÉRICO OXIGÊNIO PURO AR ENRIQUECIDO ANALISE ELEMENTAR base seca e base úmida Base seca não leva em consideração a água presente no combustível C H S N O CINZAS UMIDADEH2O massa de cada elemento pôr kg de combustível c h s n o cinzas 1 base seca BS c h s n o cinzas H2O 1 base úmida BU BU BS x 1 H2O COMBUSTÃO REAÇÕES QUÍMICAS TÍPICAS DA COMBUSTÃO CO2CO2 combustão completa energia C12O2CO combustão incompleta energia 2H2O22H2O energia SO2SO2 energia NiO2NOx energia Nestas reações que ocorrem simultaneamente o ajuste do tempo ótimo para a reação da temperatura adequada para proceder e manter a queima e da mistura e turbulência adequada dos reagentes são os objetivos principais da combustão de forma que se obtenha o melhor compromisso entre custo de processamento do combustível e a minimização de custos ambientais para cada tipo de combustível COMO PRINCIPAL OBJETIVO DA COMBUSTÃO TEMOS A GERAÇÃO E USO DE ENERGIA A ENERGIA PODE SER USADA DIRETAMENTE EM AQUECIMENTOS EM GERAL SECAGEM COCÇÃO DE ALIMENTOS PROCESSAMENTOS TÉRMICOS INDUSTRIAIS FUSÃO DE METAIS E DE VIDROS COZIMENTO DE CERÂMICAS OBTENÇÃO DE CIMENTO E OUTROS USOS MENORES INDIRETAMENTE USADA PARA GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA EM MOTORES NO TRANSPORTE VEÍCULOS AVIÕES NAVIOS GERAÇÃO DE VAPOR DE PROCESSO OUTROS USOS MENORES COMBUSTÃO GERAÇÃO TERMELÉTRICA Muito embora o petróleo o gás natural a energia termonuclear e hidráulica tenham deslocado o carvão mineral como fonte de energia estas unidades não conseguiram diminuir drasticamente a participação do carvão principalmente porque a disponibilidade deste mineral é grande Na composição da matriz energética global o carvão fica apenas abaixo do petróleo sendo que especificamente na geração de eletricidade passa folgado à condição de principal recurso mundial Recurso Consumo global de energia Geração global de eletricidade CARVÃO 233 384 PETRÓLEO 357 89 GÁS NATURAL 203 161 NUCLEAR 67 171 HÍDRICOS 23 179 OUTROS 116 16 TÉCNICAS DE COMBUSTÃO COMBUSTÃO EM GRELHAS fixas ou móveis Existem certas condições para que combustível sólido possa ser apoiado em grelhas permitindo a área de contato entre o sólido e o ar em que o leito atua como reservatório de calor mantendo a combustão e promovendo a ignição Os voláteis queimam acima do leito e a transferência de calor é feita por radiação do leito e por convecção pelos gases quentes A remoção das cinzas é feita por baixo através da grelha TÉCNICAS DE COMBUSTÃO Corte de unidade típica de caldeira com grelha móvel TÉCNICAS DE COMBUSTÃO COMBUSTÃO EM FORMA PULVERIZADA A combustão em forma de carvão pulverizado é dentre as tecnologias comercialmente disponíveis aquela de maior difusão mundial sendo utilizada em praticamente todas usinas de carvão em operação no Brasil e em 90 das unidades ao redor do mundo Com a queima de partículas na forma pulverizada é possível chegar a uma eficiência de combustão próxima de 99 As caldeiras que usam combustão pulverizada são construídas para gerar na saída entre 50 e 1300 MWe e a maioria das novas unidades gera pelo menos 300 MWe e poucas são acima de 700 MWe TÉCNICAS DE COMBUSTÃO COMBUSTÃO EM LEITO FLUIDIZADO O leito fluidizado é sustentado por um dispositivo apropriado e o ar insuflado por baixo a uma certa velocidade mantém a massa de sólidos suspensa o que promove intensa agitação e contato íntimo entre ar e sólido A combustão do carvão em leito fluidizado é um processo eficiente e economicamente atrativo para a geração de energia elétrica vapor de processo São unidades mais flexíveis que as convencionais pois permitem além da queima de carvão a queima de biomassa e outros combustíveis sólidos Esta tecnologia permite o aproveitamento de combustíveis ricos em inertes o que inclui os carvões brasileiros UTE CICLO DE CARNOT Máquina Térmica Condensador Evaporador Reservatório Frio Q h Q C Reservatório Quente Turbina Bomba 1 2 3 4 T S Tq Tf 1 2 3 4 Qh Qc 1 2 Isotérmico e reversível 23 Adiabático e reversível 34 Isotérmico e reversível 41 Adiabático e reversível Reverter o ciclo Reservatório Frio Reservatório Quente Condensador Evaporador Q h Q l Turbina Bomba 1 2 3 4 3 4 1 2 T S Th Tf Qh Qc 21 Isotérmico e reversível 14 Adiabático e reversível 43 Isotérmico e reversível 32 Adiabático e reversível S 1 2 3 4 T Tq Tc Qh Qc CICLO DE CARNOT Refrigerador Reservatório Frio Reservatório Quente Recebe calor Libera calor Libera calor Recebe calor Refrigerador Máquina Térmica CICLO DE CARNOT Comparativo Máquina Térmica x Refrigerador Wliq 1Q2 3 4 1 2 1 3 3 4 4 3 4 3 3 3 4 4 3 4 3 s área s T s s Q Q T s s T Q dS definiçãode entropia T Q dS 3Q4 Transferência de calor do reservatório quente Isotérmico Wliq 1Q2 3Q4 Wliq Área 1234 1 3 1 1 2 1 4 3 2 1 2 1 s s s área área Q w t liq t Calor rejeitado Calor injetado Trabalho Líquido fornecido pelo sistema Rendimento térmico do sistema T s 4 1 2 3 s1 s4 s2 s3 T1 T2 T3 T4 Caldeira Turbina Condensador Bomba 2 3 4 1 CICLO DE CARNOT 1 3 2 1 1 1 4 3 2 1 2 1 s s s área área Q w t liq t Análise da eficiência do Ciclo Carnot 1 3 2 1 1 1 4 3 2 1 2 1 s s s área área Q w t liq t a Diminuindo T3 e T4 T s 4 1 2 3 s1 s4 s4 s2 s3 s3 T1 T2 T3 T4 T3 T4 4 3 Resultado a eficiência do ciclo aumenta pois o calor rejeitado diminui CICLO DE CARNOT Qh T s 1 2 3 4 s1 s2 s3 s4 QL Calor injetado no sistema Qh Área s1223s3s1 Calor rejeitado do sistema QL Área s114s3s1 2 Caldeira Turbina Condensador Bomba 3 4 1 2 1 3 2 3 2 1 1 4 2 3 1 3 2 s s s área área Q w t liq t CICLO DE RANKINE T s 1 2 3 4 s2 s3 s4 s4 T1 T4 T2 T3 4 1 2 s1 s2 T2 T1 Pa Pb Efeito do vácuo no rendimento térmico Aumento do trabalho líquido Aumento do calor injetado inserido calor líquido Trabalho t Resultado aumento eficiência Atenção título diminuiu CICLO DE RANKINE COMBUSTÃO 24 Q1 8080 kcalkg de carbono Q2 34400 kcalkg de hidrogênio Q3 2250 kcalkg de enxofre REAÇÕES DE COMBUSTÃO C O2 CO2 Q1 H 12O2 H2O Q2 S O2 SO2 Q3 OUTRAS REAÇÕES IMPORTANTES C 12 O2 CO Q4 combustão incompleta do carbono Q4 Q1 SO2 12 O2 SO3 Q5 SO3 H2Oar H2 SO4 formação de ácido sulfúrico C fuligem carbono puro ESTEQUIOMETRIA DAS REAÇÕES PRODUTOS DA COMBUSTÃO COMPLETA kgkg de combustível C 12 O2 32 CO2 44 MCO2 4412 367 C H2 2 12O2 16 H2O18 MH2O 182 9 H S32 O2 32 SO264 MSO2 6432 2 S OXIGÊNIO ESTEQUIOMÉTRICO kg de O2kg de combustível CARBONO MO2 3212 C 267 C HIDROGÊNIO MO2 162 H 9 H ENXOFRE MO2 3232 1 S MASSAS E VOLUMES ESPECÍFICOS DOS PRODUTOS DE COMBUTÃO ρCO2 44224 196 kgNm³ ρSO2 64224 196 kgNm³ ρN2 28224 125 kgNm³ ρO2 32224 143 kgNm³ 𝓿O2 1143 07 Nm³ kg 𝓿CO2 1196 051 Nm³ kg 𝓿SO2 1196 051 Nm³ kg 𝓿N2 1125 08 Nm³ kg ESTEQUIOMETRIA DA COMBUSTÃO OXIGÊNIO ESTEQUIOMÉTRICO MO2o 267 C 8 H 1 S O2 kg O2 kg combustível MO2o massa de oxigênio estequiométrica O2 massa de oxigênio presente no combustível pôr kg AR ATMOSFÉRICO MARSo MO2o 023 116 C 348 H 435 S 435 O2 kgARSkg comb MARSo massa de ar secoestequiométrico VAR0 MARo 1293 Nm3 kg comb VAR0 volume de ar estequiométrico normal metro cúbicokg comb 26 ar T 3532 T massa específica do ar para T Kelvin V ar P 37084 T P volume do ar para T Kelvin e PPascal COMBUSTÃO PODER CALORÍFICO quantidade de calor liberada na combustão completa de um kg decombustível PC mcel Q123 CHS PCS PODER CALORÍFICO SUPERIOR não leva em consideração o calor necessário para evaporar a água formada na combustão de hidrogênio e da umidade do combustível PCI PODER CALORÍFICO INFERIOR PCS calor pevaporar água PCSbs 8080 C 34400 H O28 2250 S kcalkg H O28 calor formação da água O2 massa de oxigênio presente em um kg de combustível PCIbs PCS 9 H x 578 578 calor de vaporização da água a 0o Ckcalkg PCI base úmida PCS base úmida 9H H2O 578 H2O umidade do combustível 27 AR ATMOSFÉRICO AR ÚMIDO AR SECO VAPOR DAGUA MARÚMIDO MARSECO 1 x kg de ar úmido kg de comb x conteúdo de umidade kg h2ovapor kg de ar seco x diagrama de Molier para ar úmido valor médio Brasil 001 kg h2ovapor kg de ar seco EXCESSO DE AR quantidade de ar acima da estequiométrica a ser adicionada para garantir a mistura entre o combustível e o ar em processos de combustão realizados a pressão atmosférica depende do tipo de combustível e do processo de combustão exc massa de ar utilizada massa de ar estequiométrica massa de ar estequiométrica 28 EXCESSO DE AR RECOMENDADO o excesso de ar recomendado exc pode ser dividido resumidamente em função do tipo de combustível e máxima eficiência de combustão obtida na prática sólidos grelhas fixas 050 a 100 50 a 100 grelhas móveis 040 a 080 40 a 80 em suspensão pulverizados02 a 04 20 a 40 fluidizados 02 a 04 20 a 40 líquidos queimadores 01 a 03 10 a 30 gasosos queimadores005 a 01 5 a 10 Observação nos processos de secagem água ou evaporadores solventes onde as temperaturas são bem inferiores as de combustão há a orientação de que a temperatura de combustão seja de no máximo 850 C e então o excesso de ar pode ter valores bem mais elevados 120 a 250 dependendo do combustível 29 INFLUÊNCIA DO EXCESSO DE AR embora aumente o eficiência da mistura contribui para a diminuição da temperatura de chama fornalhas geração de gases quentes excesso de ar elevado pois na maioria das vezes a exigência é de temperaturas baixas podese utilizar grandes excessos de ar geralmente na faixa entre 800 e 900 graus Celsius diminuição dos custos de refratatamento e isolamento térmico normalmente utilizadas em processos de secagem direta ou indireta o excesso de ar é elevado geralmente maiores que 100 fornos transformações físicas e químicas em um determinado produto a partir do calor depende do tipo de forno direto ou muflado e da temperatura exigida pelo processo o excesso de ar deve ser compatível com a temperatura exigida pelo processo geradores de vapor tem efeito direto na temperatura de chama e influi exponencialmente na transferência de calor na zona de aquecimento direta radiante Qradiação Tc4 Tp4 e linearmente na zona de aquecimento indireta convectiva baixa o rendimento do gerador de vapor 30 MASSA DE AR REAL para o projeto de um sistema de combustão a massa de ar real a ser utilizada é calculada em função da análise elementar do combustível do excesso de ar recomendado para fornalhas e fornos o excesso que propicie a temperatura desejada da umidade do ar atmosférico e da massa de combustível MARREAL MCOMB 1 exc 1 x 116 C 348 H 435 S 435 O2 onde MARREAL massa de ar real kg MCOMB massa de combustível kg exc excesso de ar x conteúdo de umidade do ar kgh2o vapor kg arseco 31 APLICAÇÕES PRÁTICAS 32 1 Avaliar as condições básicas de combustão de um combustível resíduo industrial em termos de poder calorífico e necessidade de ar sabendose que o mesmo possui a seguinte análise elementar Serão consumidos 5000 kgh C 45 H 5 S 1 O 29 H2O 20 Combustão em grelha com 30 de excesso de ar PCSbu 41315 kcalkg PCIbu 37558 kcalkg MARR para 5000 kgh 377065 kgh Observação na prática industrial devemos especificar o ventilador conforme abaixo Pt pressão total Pdin Pest onde Pdin pressão dinâmica e Pest pressão estática Pascal ou mmH2O E o volume em Nm³ então Volumehora Mρh 3770651293 Nm³h 2 Verificar a viabilidade de substituição de lenha por GN em um forno industrial com potência de 9 Gcalh sabendose que a lenha tem um custo de 70 R por tonelada e o GN 2000 R 1000 m3 ρgn 069kgNm3 33 Lenha análise elementar na tabela PCSbu 3197 kcalkg PCIbu 2789 kcalkg Consumo de lenha 9 000 000 kcalh 2789 kcalkg 3227 kgh 3227 tonh Custo da Lenhahora 3227 x 70 226 Rhora Gás natural GN análise elementar C075 H025 PCS 14660 kcalkg PCI 13360 kcalkg 9218 kcalm3 Então Consumo de GN 9 000 000 9218 976 m3h Custo do GNh 0976 m3 x 20001000 Rm3 1952 Rh Observação na prática industrial utilizamos o PCIbu da lenha com 30 de umidade 2800 kcalkg e o PCIgn 9200 kcalm3 APLICAÇÕES PRÁTICAS BALANÇO DE MASSA E ENERGIA DE UMA COMBUSTÃO MARreal MCOMB MTGU MCO2 MN2 MO2 MSO2 MH2O MCz MTGU massa total de gases úmidos MTGU MentraMsai Ent gases Enentra En sai EntAr MPCIbu EntComb PERDAS PRODUTOS DA COMBUSTÃO massas a partir das reações de combustão podese determinar as massas dos produtos gerados kgkg de combustível MCO2 massa de CO2 367 C MSO2 massa de SO2 2 S MH2O massa de água combustão do hidrogênio 9H umidade do combustível w proveniente do ar massa de ar úmido massa de arseco MN2 massa de N2 proveniente do ar 077 da massa de arseco combustível N MO2 massa de O2 023 EXC 100 MARSO MTGU MCO2 MN2 MO2 MSO2 MH2O MTGU massa total de gases úmidos 35 36 Elaborar um balanço de massa para a combustão de 1 kg de um combustível C5340 O 406 H 6 base seca com 35 de umidade e 40 de excesso de ar Massa Entrada Saída kgh kgh Combustível Ar Seco Vapor dàgua O2 N2 CO2 Gases de SO2 saída Água cbtível Água cbtão Água do ar Cinzas Soma Diferença MCO2 4412 367 C MH2Ocbtão 182 9 H MH2Ocbvel H2O MH2Oar MARum MARseco MARum MARseco 1 x MH2Ogases MH2Ocbtão MH2Ocbvel MH2Oar MSO2 2 S MO2 023 EXC 100 MARSO MN2 077 da massa de arseco Ncbvel Para Brasil x 001 kg de águakg de ar seco MARREAL MCOMB 1 exc 1 x 116 C 348 H 435 S 435 O2 Base úmda Base seca x 1 H2 O C H O2 H2 O 035 ANÁLISE E CONTROLE DA COMBUSTÃO Volumes dos gases de combustão de extrema importância para a avaliação e otimização da combustão a partir da análise dos gases verificação qual a relação arcombustível para adequação do excesso de ar e presença de produtos de combustão incompleta 37 VCO2 MCO2 0509 VO2 MO2 07 VSO2 MSO2 035 VN2 MN2 08 Nm3 kg comb Nm3 kg comb Nm3 kg comb Nm3 kg comb VTGS VCO2 VO2 VSO2 VN2 Nm3 kg comb VTGS VOLUME TOTAL DE GASES SECOS VOLUME independente da temperatura GASES SECOS analisadores de gases na temperatura ambiente condensação necessidade deresfriamento para garantir que o vapor dagua condense antes de entrar no analisadpr degases volumes referidos percentualmente em relação ao volume total de gases secos VTGS para diversos excessos de ar utilizados permitem a elaboração da tabela que relaciona o excesso de ar com os teores de CO2 TCO2 ou de O2 TO2 nos gasescomo 38 TO2 VO2 VTGS 100 TCO2 VCO2 VTGS 100 a partir da análise elementar de qualquer combustível deve ser elaborada o gráfico que relaciona os teoresde CO2 e O2 com o excesso de ar utilizado na combustão a otimização da combustão passa diretamente pela análise dos gases incluindo o monóxido de carbono CO para a determinação do rendimento da mesma comoabaixo c 1 TCO TCO2 TCO x 100 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 000 0 20 40 60 80 100 120 140 Excesso de ar Teores de CO2 e O2 VTGS Teor de CO2 39 Teor de O2 GRÁFICO TCO2 E TO2 X EXCESSO DE AR TEMPERATURA TEÓRICA DE CHAMA 1 arbitrar tc 2 determinar Cp médio dos gases entre tc etr 3 calcular o termo ES na equação 4 comparar EE com ES 5 se ES EE arbitrar tc mais baixa e recalcular a partir de 2 6 se ES EE arbitrar tc mais alta e recalcular a partir de 2 7 se ES EE tc arbitrada temperatura teórica dechama na prática a temperatura de chama é dependente da absorção da fornalha do excesso de ar da mistura das condições do isolamento das paredes da fornalha do tempo de residência e do turbilhonamento 3 Tsda combustão para aumento da temperatura de chama préaquecimento do ar de combustão préaquecimento do combustível enriquecimento do ar atmosférico com oxigênio 40 TEMPERATURA TEÓRICA DE CHAMA energia entalpia associada aos gases de combustão Egases mgases Cpgases tg tr 41 mgases massa dos gases produtos Cp gases calor específico médio dos gasesprodutos tg temperatura dos gases tr temperatura dereferência kg kgcomb kcal kgoC oC oC temperatura teórica de chama aplicação das equações da conservação da massa Me Ms e da energia Ee Es em um volume de controle gases pgases c r C t t e s E E Mcomb x PCI m sendo Cp médio dos gases função da temperatura devese resolver a equação acima pelo método iterativo ar estequiométrico ar e combustível na temperatura de referência COMBUSTÃO dimensionamento de fornalhas 42 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 TEMPERATURA ºC TEMPERATURA DE REFERÊNCIA 0 ºC 060 43 050 040 030 020 010 CALOR ESPECÍFICO MÉDIO kcalkg ºC N2 AR TEMPERATURA TEÓRICA DE CHAMA GÁS NATURAL C075 H025 PCI 13360 Kcalkg MCO2 kgkgcomb MN2 kgkgcomb MH20 COMB HIDROGÊNIO 9H kgkgcomb COMBUSTÍVEL H2O kgkgcomb H2O AR do AR MaruO MarsO kgkgcomb MH2OTOTAL kgkgcomb OBS1 na realidade pode ser calculada a entalpia dos gases em uma determinada temperatura abaixo da teórica combustão com excesso de ar adicionar O2 e N2 do excess e SO2 se o combustível tiver enxofre En Entrada Kcalh Temp T1 o C Temp T2 o C Temp T3 o C Temp media 1 o C Temp media 2 o C Temp media 3 o C Cp CO2T1T2T3 Cp N2T1T2T3 Cp H2OT1T2T3 Mcomb x PCI En Saída mgases Cpgases Tg Tr MCO2 X CpCO2 MN2 x CpN2 MH2O x CpH2O MSO2 x CpSO2 MO2 x CpO2 x Tg Tr PROCESSOS DE COMBUSTÃO GRELHAS FIXAS PLANAS 45 PROCESSOS DE COMBUSTÃO GRELHAS FIXAS INCLINADAS 46 PROCESSOS DE COMBUSTÃO GRELHAS MÓVEIS BASCULANTES 47 PROCESSOS DE COMBUSTÃO GRELHAS MÓVEIS ROTATIVAS 48 PROCESSOS DE COMBUSTÃO PULVERIZADO 49 PROCESSOS DE COMBUSTÃO LEITO FLUIDIZADO CLÁSSICO 50 PROCESSOS DE COMBUSTÃO LEITO FLUIDIZADO CIRCULANTE 51 FLUIDIZAÇÃO Figura 1 Classificação de leito segundo Karppanen2 a Leito fixo b Leito borbulhante c Leito turbulento e d Leito circulante 52 FLUIDIZAÇÃO Figura 2 Movimento típico das partículas dentro de um reator de leito fluidizado proposto por Karppanen 53 Densidade Velocidade FLUIDIZAÇÃO Figura 3 Tipos de contato entre os sólidos e o fluido em um leito 54 CARACTERÍSTICAS DE COMBUSTÃO 55 Combustão pulverizada granulometria do carvão 80 200 m moagem crítica logo após deve ir para o queimador para evitar absorção de umidade dificuldade de dessulfuração só póscombustão necessidade de ar para transporte do carvão moído grandes caldeiras até 600 MWel temperatura de chama 1400o C maior emissão de NOx chama suporte rendimento de combustão 99 Combustão em grelhas granulometria do carvão 12 mm somente móveis em operação algumas com mais de 50 anos projetos abandonados dessulfuração póscombustão CARACTERÍSTICAS DE COMBUSTÃO 56 Leito fluidizado Clássico borbulhante granulometria do carvão 6 mm dessulfuração durante a combustão multicombustível e misturas velocidades de fluidização 15 a 3 ms baixas temperaturas de chama 850o C geração elétrica para pequenas centrais térmicas 30 MWel Circulante granulometria do carvão 6 mm dessulfuração durante a combustão multicombustível e misturas velocidades de fluidização 7 a 10 ms baixas temperaturas de chama 850o C geração elétrica para médias e grandes centrais térmicas 30 MWel COMBUSTÃO 57 OBJETIVOS APLICAÇÃO PRÁTICA DA TEORIA DE COMBUSTÃO Elaboração de balanços de massa e energia aplicados a um processo de secagem de cereais Determinação do poder calorífico de um combustível sólido Determinação do consumo de combustível Massa de ar de combustão Energia necessária para secagem Entalpia dos gases de combustão Massa do ar para resfriamento dos gases de combustão Dimensionamento de uma fornalha a grelha BALANÇO DE MASSA E ENERGIA SECADOR DE CEREAL 58 massa cereais úmidos 22 fornalha misturador secador mcomb mgases combustão mgases secagem marfrio marcomb massa gases secagem úmidos massa cereais secos 14 MarFrio COMBUSTÃO 3 PROJETO INDUSTRIAL processo de secagem de milho real Um Engenheiro Mecânico EADMT especialista mundial em secagem pela FAO foi contratado para elaborar um fluxograma mássicoenergético de um processo de secagem de milho utilizando um combustível com a seguinte análise elementar em base seca C H O2 N2 0 Cinzas A umidade de equilíbrio do combustível umidade que a partir da qual mantemse constante é igual a Esse combustível deverá ser utilizado na fornalha com um excesso de para atingir a temperatura de combustão 850º C para garantir combustão completa para o cálculo do excesso de ar utilizar o Cpprático COMBUSTÃO 4 Dados do processo massa específica do combustível 450 kgm³ massa de milho úmido 40 tonh umidade do milho na entrada do secador 22 umidade do milho na saída do secador 14 Cp cereal úmido 051 kcalkgoC inclui milho seco e água temperatura máxima desejável que o grão de milho pode atingir dentro do secador 40º C Q EVAP40o C 560 kcalkg temperatura dos gases na entrada do secador 80º C todas as temperaturas de entrada são iguais a temperatura de referência 20º temperatura do combustível temperatura do ar de combustão temperatura do ar do resfriador temperatura de entrada do cereal no secador o ar úmido do local TBS ºC TBU ºC To ºC UR xs kgH2Ovap kgarseco xkgH2Ovap kgarseco DETERMINAR TAMBÉM A TEMPERATURA TEÓRICA DE COMBUSTÃO PROJETO INDUSTRIAL APLICADO processo de secagem de mlho real determinação do conteúdo de umidade x do ar kgH2Ovaporkgarseco massa do ar real de combustão kgh Volume do ar fornecido pelo ventilador nas condições normaisNm³h massa de ar real estequiométrico kgkgcomb PCSbu k c a l k g kJkg PCIbu k c a l k g kjkg Temperatura de combustão 850ºC consumo de combustível kgh custo horário R 100 m³ Rh marfrio no misturador kgh mgases secagem antes do secador kgh massa de gases de secagem úmidos após secador kgh massa de cereais úmidos 40000 kgh umidade 22 massa de cereais secos kgh umidade 14 61 volume dos gases de secagem considerar ar em m3heNm³h rendimento do secador de milho En Necessária EnAdicionada 55 dimensionamento da fornalha sólido considerar em toras ou picada Área da grelha Volume da fornalha COMBUSTÃO Características do Ar Ar respirável nível do mar até 2 da espessura total da atmosfera 500 km Ar ambiente ar contido em recintos limitados destinados a convivência humana salubre propriedades físicas pressão temperatura umidade e movimento propriedades químicas de O2 que possibilitem vida em seumeio Principais propriedades massa específica densidade mássica 1293 kgNm3 peso específico 1293 NNm3 1293 kgfNm3Pressão atm 760 mmHg 101300 Pa 1013 hPa 103mCA 3300 metros de altitude ar 089kgm3 Características do Ar Composição 79 em volume 77 em massa 21 em volume 23 em massa Nitrogênio Oxigênio Gases nobres Outros Asfixia 10 Morte 7 Ar para metabolismo básico 16 litroshora patm 760mmHg 101325 kPa 273 K 0 C real 300 litros por hora 03 m3hora inspiração 21 expiração 154 55 Características do ar Condições ambientais para conforto térmico temperatura e umidade ar úmido ar seco N2 O2 vapor dagua vapor dagua condensação pressão pressão de saturação temperatura temperatura de orvalho concentração saturação x massa de água vapor kilograma de ar seco xs massa de água vapor que satura 1 kilograma de ar seco umidade relativa x xs x 100 Características do ar umidade relativa x xs x 100 UR condições de conforto interno inverno shoppings RS Temp 20o C a 22o C UR 35 a 65 verão shoppings RS máx 27o C máx 65 Temp 24o C a 26o C UR 40 a 60 condições externas verão PoA tbs 34o C e tbu 26oC inverno PoA 8o C e 80 Características do ar PSICROMETRIA estudo das características do ar temperatura debulbo seco tbs temperatura debulbo úmido tbu umidade relativa UR conteúdo de umidade umidade específica x xs temperaturade orvalho to calor doar entalpia H Diagrama psicrométrico análise para tratamento do ar obtenção de conforto térmico umidificação desumidificação aquecimento resfriamento condicionamento ESCOLA Politécnica SISTEMA MÉTRICO INTERNACIONAL CARTA PSICROMÉTRICA BASEADA NA PRESSÃO BAROMÉTRICA DE 101325 kPa AO NÍVEL DO MAR 10 5 0 5 15 20 25 30 35 TEMPERATURA DO BULBO SECO BSºC 40 50 55 UMIDADE ESPECÍFICA kgkg AR SECO 025 024 023 022 021 020 019 018 017 016 015 014 013 012 011 010 009 008 007 006 005 004 003 002 001 000 033 032 031 030 029 028 027 026 FATOR DE CALOR SENSÍVEL QS QT 036 040 045 050 055 060 065 070 075 080 085 090 095 100 120 125 130 135 140 145 35 40 45 50 55 11 VOLUME ESPECÍFICO m 3kg DE AR SECO 075 10 080 085 45 090 Análise 101 Análise Bioclimática Pressão 101 kPa 21 TBS O C 24 18 30 20 TBU O C 24 20 24 t o OC 10 UR 60 80 x kgh2okgarseco 001 xs kgh2okgarseco 002 AULA 01 DIAGRAMA PSICROMÉTRICO EXERCÍCIO Determinar as características do ar a partir dos dados tabelados abaixo 1 2 3 4 5 6 UR Xs TBU to X TBS Arquitetura Bioclimática A arquitetura bioclimática busca utilizar por meio de seus próprios elementos as condições favoráveis do clima com o objetivo de satisfazer as exigências de conforto térmico do homem TBS º C Obs TBS temperatura de bulbo seco temperatura ambiente TBU temperatura de bulbo úmido Porto Alegre 23 Confort climate analysis and building design guidelines In Energy and Building Lansanne1992 VAPOR INDUSTRIAL 74 VAPOR DAGUA TIPOS CARACTERÍSTICAS CALOR TOTAL TÍTULO DO VAPOR TABELA TERMODINÂMICA DO VAPOR DAGUA GERADORES DE VAPOR PARTES PRINCIPAIS TIPOS DISTRIBUIÇÃO E CONSUMO DE VAPOR TRAÇADO DE LINHAS DIMENSIONAMENTO DE TUBULAÇÕES CONSUMO DE VAPOR EQUIPAMENTOS USUAIS GERAÇÃO E UTILIZAÇÃO DE VAPOR 1 Utilização do Vapor Os principais usos do vapor Fluido motriz para acionamento de bombas compressores tubogeradores etc Agente de aquecimento Transporte de fluidos através de ejetores de vapor Transferência de energia dentre as quais se destacam aquecimento alto poder de armazenamento de energia transferência de energia à temperatura constante capacidade de possibilitar transformações de energia de calor para outras formas turbinas uso cíclico e em vários níveis de pressão e temperaturas passível de ser gerado em equipamentos com alta eficiência limpo inodoro insípido e não tóxico matériaprima água de baixo custo e de fácil distribuição e controle suprimento farto 75 GERAÇÃO E UTILIZAÇÃO DE VAPOR 2 Título do Vapor Na região de duas fases entre os pontos 1 e 2 da figura a seguir coexiste uma mistura de líquido e vapor em equilíbrio O título ou qualidade do vapor x pode ser definido como a relação entre a massa da fração de vapor e a massa total de líquido e vapor X MASSA DE VAPOR MASSSA DE LÍQUIDO MASSA DE VAPOR Obviamente o título só é definido para a mistura em equilíbrio varia entre x 0 e x 1 líquido saturado x 0 vapor saturado seco x 1 ou 100 vapor úmido intermediário vaporização incompleta presença de liquido L vapor V 76 GERAÇÃO E UTILIZAÇÃO DE VAPOR GERAÇÃO E UTILIZAÇÃO DE VAPOR 3 Calor do vapor Para vapor saturado A quantidade de calor será composta por dois tipos Calor sensível entalpia sensível MCpΔT Calor de vaporização entalpia de vaporização MQlv Calor total entalpia total do vapor saturado Qtvs Para vapor superaquecido Qtvsaq Qtvs MxCpvsaqx Tsaq Ts Grau de superaquecimento Gsaq TsaqTs 78 4 Pressão de geração NR13 redação aprovada pela portaria23 de 260495 define caldeira a vapor com todo equipamento destinado a produzir e acumular vapor sob pressão superior à atmosféricautilizando qualquer fonte de energiaQuanto à pressão de operação podem ser classificadas como caldeiras de baixa pressão 6 a 16 kgfcm²2 caldeiras de média pressão 22 a 39 kgfcm²2 caldeiras de alta pressão 60 kgfcm² ou superioires GERAÇÃO E UTILIZAÇÃO DE VAPOR Balanço de massa e energia de um gerador de vapor determinação do rendimento 79 GERAÇÃO E UTILIZAÇÃO DE VAPOR Folha de dados Balanço de massa eenergia Massa Energia Entrada Saída Entrada Saída Vazão th Temperatura C kgh kgh kcalh kcalh Combustível mPCI Composição PCS kcalkg m CpdT Combustível Carbono Seco m CpdT Hidrogênio Ar Vapor dàgua m CpdT Enxofre PCI kcalkg Água de alimentação m CpdT Oxigênio O2 m CpdT Cinzas N2 m CpdT Água CO2 m CpdT Água de Vazão th Temperatura C Gases de SO2 m CpdT alimentação saída Água cbtível m CpdT Temperatura C Umidade Pressão atm Água cbtão m CpdT Ar externo Relativa mmHg Água do ar m CpdT Cinzas m CpdT Temperatura Teor de O2 Teor de CO2 Vapor mHvHr Gases de C Soma 0 0 0 0 saída Diferença 0 0 Vazão th Pressão Abs Temperatura C Vapor kgfcm2 Hv entalpia total do vapor Hr entalpia de referência a 0 C 1 não faz parte do módulo escolhido o tanque de condensado e o aquecedor de ar 2 purgas consideradas desprezíveis Outros dados 3 CO ausente nos gases 4 consumo de vapor nos sopradores desprezíveis 5 combustível não queimado desprezível 81 São Luiz MA ROTEIRO PARA ELABORAÇÃO DE BALANÇO DE MASSA E ENERGIA EM GERADORES DE VAPOR 1 Elaboração da folha de dados a Massas i Ar de combustão em função dos teores de CO2 e O2 ii Combustível efetuar medida iii Água de alimentação efetuar medida b Teores de O2 e CO2 i Identificação do excesso de ar utilizado utilizar o software de combustão já disponibilizado ii Na prática esses teores são medidos na base da chaminé com um analisador de gases O2 ou CO2 um ou outro o analisador de CO2 é mais comum e barato no gráfico identificase o excesso utilizado 2 Transformar todas as massas em consumo unitário de combustível a Dividir as massas de ar combustível e água de alimentação pela massa de combustível 3 Determinar as massas dos gases de combustão a Aplicar a equação da conservação da massa 4 Identificar por tabela ou cálculo os Cps dos gases de combustão na temperatura média entre as temperaturas de saída dos gases e temperatura de referência a Aplicar a equação da conservação da energia 5 Determinar o rendimento a Rendimento Energia útil Energia adicionada b Energia útil Entalpia total de saída do vapor Entalpia da água de alimentação na temperatura de entrada da mesma Gerador de Vapor Balanço de massa MarReal MarReal Mcomb MTGU Mcomb Mágua de alimentação Mvapor Mcomb kgh Mareal kgh MTGU kgh Magalim Mvapor kgh MTGU MCO2 MN2 MO2 MSO2 MH2O combustível combustão H água do ar Gerador de Vapor Balanço de energia EnarReal Engases Encomb En água de alimentação Envapor Perdas de en por convecção e radiação En ar En comb En água alimen En gases En vapor Perdas GERAÇÃO E UTILIZAÇÃO DE VAPOR 85 Folha de dados Balanço de massa e energia Massa Energia Entrada Saída Entrada Saída Vazão kgh Temperatura C kgh kgh kcalh kcalh 4000 120 Combustível 1 5339 m PCI Composição PCS kcalkg 40 m Cp dT Combustível Carbono 60 5738 Seco 1010 0 m Cp dT Hidrogênio 6 Ar Vapor dàgua 010 0 m Cp dT Enxofre 4 PCI kcalkg Água de alimentação 700 840 m Cp dT Oxigênio 20 O2 054 0222 2143 m Cp dT Cinzas 0 5339 N2 778 0244 34169 m Cp dT Água 15 CO2 220 0202 8006 m Cp dT Água de Vazão kgh Temperatura C Gases de SO2 008 0144 207 m Cp dT alimentação 28000 140 saída Água cbtível 015 044 1188 m Cp dT Temperatura C Umidade Pressão atm Água cbtão 054 044 4277 m Cp dT Ar externo Relativa mmHg Água do ar 010 044 792 m Cp dT 20 60 1013 hPa 760 Cinzas 000 05 000 m Cp dT Temperatura Teor de O2 Teor de CO2 Vapor 700 452900 mHv Hr Gases de C Soma 1820 1839 6219 503682 saída 200 7 13 Diferença 019 1182 8099 Vazão th Pressão Abs Temperatura C Vapor kgfcm2 Hv entalpia total do vapor 28 16 200 Hr entalpia de referência a 0 C 1 não faz parte do módulo escolhido o tanque de condensado e o dt 180 666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666 perdas conv e radiação aquecedor de ar exc 03 HvEnt Total do Vapor 667 2 purgas consideradas desprezíveis Cp comb 04 Outros dados 3 CO ausente nos gases TrHr 20 4 consumo de vapor nos sopradores desprezíveis excesso 30 5 combustível não queimado desprezível Cp cinzas 05 7 6 4 5 15 2 3 amt 8 1 9 10 11 12 PARTES PRINCIPAIS DE UM GERADOR DE VAPOR 13 14 Partes principais 1 fornalha 2 grelha 3 cinzeiro 4 nível 5 manômetro 6 7 chaminé tiragem induzida forçada ou balanceada mista 8 válvula de segurança 9 superfície de vaporização 10 porta de alimentação 11 sup aquecimento direta radiante 12 sup aquecimento indireta convectiva 13 câmara de vapor 14 câmara de líquido 15 superfície de aquecimento 86 Tiragem induzida 87 Tiragem mista ou balanceada Tiragem forçada Vantagens e desvantagens das caldeiras Tiragem forçadaantagensflamotubulares combustíveis líquidos e gasosos pressão positiva internamente a fornalha melhor qualidade de mistura arcombustível temperatura de chama homogênea exigência de menor quantidade de excesso de ar cuidado para saída de gases em visores bocas de visitas etc Tiragem induzidavantagens combustíveis sólidos pressão negativa internamente a fornalha mistura não muito eficiente exige grande quantidade de excesso de ar caminhos preferenciais dos gases temperaturas variáveis na zona de combustão entrada de ar falso Tiragem mista ou balanceada qualquer tipo de combustível geradores de vapor com elevada perda de carga no escoamento dos gases pressão positiva na zona de combustão ponto de pressão zero pressão negativa após superaquecedor Acessórios de geradores de vapor 89 a Superaquecedor Responsável pela elevação da temperatura do vapor saturado gerado na caldeira b Economizador Componente onde a temperatura da água de alimentação sofre elevação aproveitando o calor sensível residual dos gases da combustão direcionados à chaminé c Préaquecedor de ar Componente cuja função é aquecer o ar de combustão ou pré ar para introduzilo na fornalha aproveitando o calor sensível dos gases da combustão d Dessuperaquecedor Componente que tem por finalidade acertar o grau de superaquecimento com adição de água do vapor antes do mesmo ingressar na turbina Acessórios de geradores de vapor 90 c Préaquecedores de ar Superaquecedor Acessórios de geradores de vapor 92 d Dessuperaquecedor 21 TIPOS DE CALDEIRAS QTO A PASSAGEM DOS GASES 211 Caldeiras flamotubulares Os gases quentes passam por dentro de tubos ao redor dos quais está a água a ser aquecida e evaporada Os tubos são montados à maneira dos feixes de permutadores de calor com um ou mais passos dos gases quentes através do mesmo As caldeiras flamotubulares são empregadas apenas para pequenas capacidades e quando se quer apenas vapor saturado de baixa pressão ATA chaminé controle da chaminé damper saída de vapor água vaporizando tubos de fumaça chaminé parede de água geradores de vapor fornalha com gases de processo Caldeira Flamotubular Tubos horizontais Tipo Cornuália tubulão horizontal unindo a fornalha a saída dos gases Tipo Lancaster dois a quatro tubulões internos Caldeira Flamotubular Tubos horizontais múltiplos Multitubular com fornalha externa Tipo locomóvel Locomóvel Locomóvel Caldeira Escocesa Flamotubular com recuperação do calor dos gases Vantagens e desvantagens das caldeiras Vantagensantagens flamotubulares custo de aquisição mais baixo exigem pouca alvenaria geralmente todo o corpo metálico atendem bem a aumentos instantâneos de demanda de vapor não exigem tratamento apurado de água facilidade de limpeza dos tubos Desvantagensesvantagens baixo rendimento térmico circulação por convecção natural partida lenta devido ao grande volume limitação de pressão de operação máx 15 kgfcm² capacidade de produção limitada dificuldades para instalação de economizador superaquecedor e préaquecedor TIPOS DE CALDEIRAS QTO A PASSAGEM DOS GASES 22 Caldeiras aquatubulares Circulação de água por dentro dos tubos e os gases quentes envolvendoos São usados para insta1ações de maior porte e na obtenção de vapor superaquecido principalmente na produção de energia base do ciclo de Rankine Superaquecedor Tubulações superiores Tubos de convection Queimadores Gas dágua Exaustor Chaminé Economizador Sopradores de fuligem EIRA DE DIZADO UIDIZED BOILER FD5100 FW5508 AIR AIR 1ry GAH 2ry GAH Superaqueçedor Vantagens e desvantagens das caldeiras aquatubulares Vantagensntagens melhor controle operacional devido ao pequeno volume conseguem partidas rápidas alto rendimento térmico sem limitações de produção facilidade para instalação de economizador superaquecedor e préaquecedor DesvantagensDesvantagens exigem alvenaria sempre sem finalidade estrutural não têm resposta rápida para aumento do consumo de vapor devido ao pequeno volume interno exigem tratameno apurado de água os tubos não podem ser limpos devem ser trocados Caldeira mistas Caldeiras mistas Superfície de aquecimento fogotubular O traçado ou lay out das linhas de vapor depende das condições do processo e deve ser avaliado minuciosamente pelo SEM pois a qualidade do processo dependerá das condições de chegada do vapor nos equipamentos consumidores os quais podem ser de operação contínua ou em bateladas Basicamente temos três tipos de traçados Tipo Anel Tipos Linear Tipo Espalmada 11 1 TRAÇADO DE LINHAS DE VAPOR Gerador de vapor tipo anel garante a chegada de vapor ao equipamento consumidor independente da direção de escoamento possibilitando operação sem descontinuidade 11 2 TRAÇADO DE LINHAS DE VAPOR tipo linear é o projeto mais simples de distribuição de vapor e é utilizado em processos em que a operação entre os consumidores não são dependentes entre si ou seja operações independentes que não alteram o ritmo do p r o c e s s o t e m como inconveniente a necessidade de estoque de tubulações com diversos diâmetros 11 3 tipoespalmada o vapor proveniente da caldeira vai para um coletor central que o armazena tipo tanque pulmãointegrandoastubulaçõesque atendemasdiversaslinhasdoprocesso importante para garantir a continuidade do processo no caso de manutenção alternativa mais econômica em relação ao tipo anel liberam vapor somente para as áreas que se encontram em operação evitando o aquecimento e consumodesnecessários geralmente possuem linhas em standby para atender eventual aumentodaproduçãoouatividadesdemanutençãonãoprevistas 11 4 Retirada de vapor das tubulações 11 5 Junta de dilatação tipo Lira ouFerradura Inclinação das linhas para retirada do condensado TRAÇADO DE LINHAS DE VAPOR DIMENSIONAMENTO DE TUBULAÇÕES DE VAPOR Q u a l i t a t i v o 1 s u b d i m e n s i o n a d a v e l o c e p e r d a d e c a r g a e l e v a d a p r e s s ã o c a i C o n d e n s a ç ã o 2 i d e a l N O S T R I N K S v e l o c i d a d e o u p e r d a d e p r e s s ã o 3 s u p e r d i m e n s i o n a d a v e l o c i d a d e c a i a u m e n t o d a á r e a d e t r o c a d e c a l o r C o n d e n s a ç ã o Q u a n t i t a t i v o C r i t é r i o d a v e l o c i d a d e M á x i m a v e l o c i d a d e r e c o m e n d a d a s a t u r a d o 2 0 a 3 0 m s l i n h a s p r i n c i p a i s 1 5 m s r a m a i s s e c u n d á r i o s s u p e r a q u e c i d o 3 0 a 4 5 m s 11 6 𝐷 11284 m ʋ V cm onde m kgs ʋ vol específico m³kg V velocidade ms para uma massa m e diâmetro em cm podese calcular a velocidade como V 12733 m ʋ D² ms Aplicação determinar o diâmetro interno de uma tubulação de aço carbono com 200m de comprimento linear que transporta 2000 kgh de vapor na temperatura média de 179º C temp 179ºC pressão do vapor saturado 9 kgfcm2 98067 kPa 𝓿 01981 m3kg D cm se diâmetro a metade do diâmetro inicial qual a velocidade DIMENSIONAMENTO DE TUBULAÇÕES DE VAPOR Critério da máxima perda de carga Máx P 025 kgfcm2 ou 25 kPa100m P 29 x 104 M195 095 Leq Onde P perda de pressão M descarga mássica D diâmetro volume específico Leq comprimento equivalente datubulação 11 7 D51 kgfcm2 kgh cm m3kg m Leq L comprimento linear perdas por acessórios Ex 1 Qual o P em uma tubulação de vapor com comprimento equivalente 210 m que transporta 2000 kgh de vapor saturado na pressão média de 9 kgfcm2 com um diâmetro interno de 12 cm Determinar também a velocidade de escoamento 01981 m3kg kgfcm2 kgh cm m3kg m 11 8 P perda de pressão M descarga mássica D diâmetro volume específico Leq comprimento equivalente da tubulação Leq L comprimento linear perdas por acessórios Método prático spaeeadmtSEM D 29 x 104 M195 095 Leq P 151 Valores práticos para Leq 100 m L L 100 m Leq 12 L Leq 11 L Ex 2 Qual o diâmetro de uma tubulação para transportar 2000 kgh na pressão média de 9 kgfcm2 Determinar também as pressões iniciais e finais do trecho 𝑉velocidade 𝑔 Aceleração da gravidade h altura 𝜌 massa específica kgm3 𝜌0 massa específica normal kgNm3 𝐴𝑒 área de entrada 𝐴𝑠 área de saída T temperaturaabsoluta dr densidade relativa Q vazão m3 s 𝛾 peso específico fluido tubo 𝛾𝑚 peso específico fluido manométrico 𝓋Volume específico m3kg m fluxo de massa kgs h M fluxo de massa kgh DIMENSIONAMENTO DE TUBULAÇÕES DE VAPOR Consumo de vapor para equipamentos usuais N a indústria é importante o conhecimento do processo para podermos aproveitar o vapor de reevaporação vapor flash oriundo da saída dos trocadores de calor 1 dados do fabricante projetos novos quando encomendamos algum equipamento padrão 2 medida do condensado formado plantas e m operação em que não são conhecidos os consumos de vapor dos equipamentos as vezes dados perdidos no trocador de calor ocorre a mudança de fase onde após a entrega do calor latente resta o calor sensível e m forma de condensado o qual deve retornar para o tanque de alimentação da caldeira e m sistemas fechados ou expelido para a atmosfera em sistemas abertos condensado h2 h1 No processo de medida do condensado formado utilizase um recipiente tonel ou semelhante onde é introduzido o condensado na parte de baixo de uma coluna h1 de água para evitarse a ocorrência de a reevaporação após um determinado tempo o nível da água misturada sobe para a cota h2 podendose assim calcular a massa de condensado pela variação do volume em relação ao tempo h 2 h 1 d 2 4 t Vt mvapor H 20 Vt Podese também utilizar o artifício de pesarse a água do reservatório antes e após a variação do nível de água 11 9 Consumo de vapor para equipamentos usuais 3 Cálculos teóricos 1 A Q U E C I M E N T O 2 F U S Ã O 3 E V A P O R A Ç Ã O 4 P E R D A S TÉRMICAS M V M P C p P TfpTip ql t M P Clf qlt M l C l evapTS Ts ql UATvaporTambiente 12 0 k g k calkgºC ºC ºC kcalkg kcalkg k calkg M P m a s s a do produto e m C p P calor específico d o produto e m T f P temperatura final d o produto T i P temperatura inicial d o produto ql calor latente do vapor na pressão m édi a d o operação Clf calor latente de fusão do produto e m ClevapTS calor latente d e evaporação na temperatura de s e c a g e m água secadores solventes evaporadores t tem po de processamento U coeficiente global de transferência de calor vaportubulaçãoar horas ou f rações kcalhm 2 oC As equações de fusão e evaporação devem estar associadas ao aquecimento até a temperatura de secagemfusão Ex MV2 12 Deve ser conhecida a temperatura do vapor na entrada do equipamento A temperatura do vapor deve ser no mínimo 10ºC acima da temperatura exigida pelo equipamento processo Tvapor Temp do processo 10º C v Consumo de vapor para equipamentos usuais 3 Cálculos teóricos 1 A Q U E C I M E N T O 2 F U S Ã O 3 E V A P O R A Ç Ã O 4 P E R D A S TÉRMICAS M V M P C p P TfpTip ql t M P Clf qlt M l C l evapTS Ts ql UATvaporTambiente 12 1 Exercício determinar a m a ssa de vapor necessária para fundir 300 kg de u m polímero co m Clf calor latente de fusão de 400 kcalkg e m 90 minutos e na temperatura de 162º C tendo o m e s m o u m calor específico de 08 kcalkg oC 1 2 MV MP CpP TfpTip MP Clf ql t MOTIVOS PELOS QUAIS O CONDENSADO DEVE SER RETIRADO DA LINHA DE VAPOR ACESSÓRIOS DE LINHAS DE VAPOR Nas linhas de vapor sempre haverá água líquida condensado resultante da condensação parcial do vapor ou arrastada pela vapor que sai da caldeira Conservar a energia do vapor O CONDENSADO NÃO TEM AÇÃO MOTORA E NEM AÇÃO AQUECEDORA EFICIENTE Evitar vibrações e golpes de aríete nas tubulações causados pelo condensado arrastado pelo vapor em alta velocidade Evitar erosão causada pelo impacto das gotas de condensado Diminuir os efeitos da corrosão evitando a formação de ácido carbônico H2O CO2 HCO3 Evitar o resfriamento do vapor AS TUBULAÇÕES DE VAPOR ALÉM DO CONDENSADO TAMBÉM CONTERÁ AR E OUTROS GASES INCONDENSÁVEIS CO2 por exemplo QUE TAMBÉM PRECISAM SER ELIMINADOS 12 2 Eliminador de ar Em diversas instalações existe uma diferença entre a temperatura do vapor saturado com a da tabela de vapor saturado temperatura de saturação a uma dada pressão Uma das possíveis causas é a presença de ar O ar é um dos melhores isolantes térmicos Ele se acumula nos pontos mais altos das instalações e equipamentos Pela Lei de Dalton das Pressões Parciais Em uma mistura de gases a pressão total é a soma das pressões parciais de cada um dos gases Pressão total Pressão parcial do vapor Pressão parcial do ar Pv Par Definidose pressão parcial de um componente como sendo a pressão que o mesmo exerceria no mesmo volume e na mesma temperatura da mistura Pressão de vapor volume ocupado pelo vapor x Pressão total Em tubulações de vapor o eliminador de ar deve ser instalado nas partes mais altas das linhas para que o ar seja seja expelido nos inícios de operação ar proveniente da formação de vácuo devido ao resfriamentto das linhalinhas podem ser manuais ou automáticos Vapor de reevaporação 12 4 Considerandose que o vapor que sai do equipamento térmico na forma de condensado com pressão praticamente igual a pressão de entrada e é liberado para pressões bem menores praticamente na pressão atmosférica ocorre o fenômeno de reevaporação e tal efeito deve ser utilizado para a geração de vapor a baixas pressões que pode ser utilizado em alguma parte do processio O vapor de reevaporação também chamado de vapor flash se forma no momento a água que está a alta temperatura passa para um sistema de menor pressão A formula de calculo é a seguinte Reevaporação CSa CSb CLb Onde CSa é o calor sensível de alta pressão CSb é o calor sensível de baixa pressão CLb é o calor latente de baixa pressão Como exemplo podemos considerar os seguintes dados P1 100 kgfcm² Calor sensível 1856 kcalkg P2 20 kgfcm² Calor sensível 1334 kcalkg Calor latente 5169 kcalkg Reevaporação 1856 1334 5169 0101 101 Neste exemplo a cada 1000 kgh de condensado teremos 101 kgh de vapor reevaporado QUE SEPARAM VAPOR E DOS E ELIMINAM O APARELHOS DE SÃO DISPOSITIVOS AUTOMÁTICOS CONDENSADO DAS LINHAS DE AQUECIMENTO VAPOR CONDENSADO CASOS TÍPICOS DE EMPREGO 1 Eliminação de condensado das tubulações de vapor drenagem de tubulações de vapor 2 Reter vapor nos aparelhos de aquecimento a vapor aquecedores refervedores serpentinas de aquecimento autoclaves estufasetc A INSTALAÇÃO DO PURGADOR É DIFERENTE PARA CADA CASOTÍPICO DE EMPREGO APESAR DAS INSTALAÇÕES SEREM DIFERENTES EM QUALQUER UM DOS DOIS CASOS A DESCARGA DOS PURGADORES PODE SER FEITA DIRETAMENTE PARA A ATMOSFERA Descarga livre OU PARA UMA LINHA DE CONDENSADO Descarga fechada 12 5 PURGADORES 1 Instalação de purgadores para drenagem de tubulações de vapor 12 6 PURGADORES PONTOS DE DRENAGEM DAS TUBULAÇÕES DE VAPOR 1 Todos os pontos baixos e todos os pontos de aumento deelevação 2 Nos trechos de tubulação em nível em cada 30 a 50 m QUANTO MAIS BAIXA FOR A PRESSÃO DE VAPOR MAIS NUMEROSOS DEVERÃO SER OS PURGADORES 3 Imediatamente antes de todas as válvulas de bloqueio válvulas de retenção válvulas de controle e válvulas redutoras de pressão 4 Próximo à entrada de qualquer máquina a vapor 12 7 PURGADORES PURGADORES ALGUNS CUIDADOS PARA INSTALAÇÃO DE PURGADORES TUBO DE CONDENSADO VALVULA DE BLOQUEIO VÁLVULA DE RETENÇÃO TUBO DE VAPOR L UNIÃO PURGADOR POÇO VALVULA DE BLOQUEIO L UNIÃO O CONDENSADO DEVE SEMPRE QUE POSSÍVEL CORRER POR GRAVIDADE PARA O PURGADOR QUANDONÃO EXISTIR ESCOAMENTO POR GRAVIDADE 12 8 COLOCADA UMA DEVE SER VÁLVULA DE RETENÇÃO Como mostra a figura ao lado QUANDO HOUVER DESCARGA PARA A ATMOSFERA O PURGADOR DEVE SER COLOCADO DE MODO QUE O JATO QUENTE DE CONDENSADO NÃO ATINJA PESSOAS OUEQUIPAMENTOS AS TUBULAÇÕES DE ENTRADA E SAIDA DOS PURGADORES DEVEM TER O MENOR COMPRIMENTO POSSÍVEL PRINCIPAIS TIPOS DE PURGADORES A VAPOR PURGADORES MECÂNICOS Agem por diferença de densidade PURGADORESTERMOSTÁTICOS Agem por diferença de temperatura Purgadores de bóia Purgadores de panela invertida Purgadores de panela aberta Purgadores de expansãometálica Purgadores de expansão líquida Purgadores de expansão balanceada de fole PURGADORES ESPECIAIS Purgadores termodinâmicos Purgadores de impulso 1 Purgador de bóia NÃO PERMITE A SAIDA DE AR E OUTROS GASES INCONDENSÁVEIS Alguns purgadores possuem uma válvula termostática para eliminação de ar DEPENDENDO DA QUANTIDADE DE CONDENSADO A DESCARGAPODE SER CONTÍNUA OU INTERMITENTE DEVIDO A POSSIBILIDADE DE DESCARGA CONTÍNUA SÃOEMPREGADOS PARA RETER O VAPOR NA SAIDA DE APARELHOS DE AQUECIMENTO 12 9 2 Purgador de panelaaberta Utilização e funcionamento semelhante ao purgador de panela invertida 1 Purgador de panelainvertida É UTILIZADO NA DRENAGEM DE TUBULAÇÕES DE VAPOR PARA QUAISQUER VALORES DE PRESSÃO E TEMPERATURA PRECISA ESTAR ESCORVADO PARA ENTRAR EM FUNCIONAMENTO A ELIMINAÇÃO DE AR É MODERADA E SÓ OCORRE SE A SAÍDA DE CONDENSADO NÃO FOR CONTÍNUA 13 0 1 Purgador de expansão metálica FUCIONAM PELA DIFERENÇA DE TEMPERATURA QUE EXISTE NA MESMA PRESSÃO ENTRE O VAPOR E O CONDENSADO VANTAGENS São pequenos e leves Removem ar com grande facilidade Suportam bem os golpes de aríete Podem trabalhar com qualquerpressão Vibrações e movimentos da tubulação não perturbam seu funcionamento SÃO UTILIZADOS PARA ELIMINAR AR E OUTROS GASES INCONDENSÁVEIS DAS LINHAS DE VAPOR DE GRANDEDIÂMETRO 13 1 1 Purgador termostático de fole É EMPREGADO EM BAIXAS PRESSÕES Até 35 MPa PRINCIPALMENTE QUANDO EXISTE GRANDE VOLUME DE AR A ELIMINR NÃO SERVEM PARA TRABALHARCOM VAPOR SUPERAQUECIDO A DESCARGA DE CONDENSADO É INTERMITENTE DEMORADA E A PERDA DE VAPOR É RELATIVAMENTE GRANDE 1 Purgador termodinâmico EMPREGADO PARA DRENAGEM DE LINHAS DE VAPOR E PARA LINHAS DE AQUECIMENTO DESDE QUE A QUANTIDADE DE CONDENSADO NÃO SEJA MUITOGRANDE NÃO DEVE SER USADO QUANDO A CONTRAPRESSÃO DO CONDENSADO FOR MAIOR QUE 50 DA PRESSÃO DO VAPOR 13 2 Equipamentos industriais consumidores de vapor Serpentinas São tubulações de vapor instaladas no interior e na parte inferior de equipamentos e têm por finalidade a entrega do calor latente para o produto a ser aquecido aplicadas em tanques de óleo banhos de soda caústica lavagem de garrafas Tecidos etc 13 3 Equipamentos industriais consumidores de vapor 13 4 RADIADORES São radiadores onde o vapor está dentro dos tubos e normalmente o ar é conduzido por um sistema de ventilação forçada passando por fora Podem operar a diversas pressões e possuem aplica aplicados para ter a maior temperatura possível de vapor com controle de temperatura do ar Exemplo de aplicações Préaquecedores de ar em caldeiras aquatubulares Diversos equipamentos da indústria têxtil Ramas Estamparias Estufas também chamados de túneis de secagem Estufas de secagem de madeira Equipamentos industriais consumidores de vapor 13 5 Vasos encamisados Camisas de vapor As camisas são volumes preenchidos com vapor São exemplos de Aplicação panelões de cozinha industrial aquecedores de mosto e evaporadores salas de brasasgem na Indústria de cerveja digestores de produtos de origem animal ossos vísceras penas Eliminador de ar Eliminação de ar é fundamental No lado oposto a alimentação de vapor devese ter instalado um eliminador de ar Brassagem é um termo cervejeiro utilizado para designar o processo de cozimento dos grãos de malte de cevada Esse processo serve para ativar as enzimas do malte e converter os amidos em açúcares fermentáveis Equipamentos industriais consumidores de vapor Cilindros Secadores São cilindros metálicos rotativos onde o produto mantem contato a uma velocidade periférica Normalmente tem necessidade de controle de pressão 15 a 60 bar g podendo ter controle de temperatura conforme a figura Exemplo de aplicações secagem de celulose papel e papelão secagem de tecidos a base de algodão em diversos equipamentos secagem de carbonato de cálcio 13 6 Traceamento de vapor Muitos produtos têm uma viscosidade alta a baixas temperaturas Com isto para que estes escoem com facilidade devem ter um aquecimento auxiliar O trace de vapor são tubulações normalmente de ½ de vapor que ficam montadas na parte inferior das de produto isoladas termicamente juntas conforme figura 59 É usual se utilizar baixas pressões para o vapor nesta aplicação Os exemplos de aplicação Tubulações de óleo e produtos petroquímicos Gordura animal sebo 13 7 Injeção direta de vapor tanques de tingimento banhos diversos desaeradores de água de alimentação de caldeiras produção de água quente para sistemas de limpeza higiênica industrial Injeção em sólidos autoclaves para esterilização de latas autoclaves para parboilizção de arroz autoclaves para cura de tijolos estruturais etc 13 8 Trocadores de calor São equipamentos onde os dois fluidos estão em contra fluxo sendo que o vapor entra por cima e o condensado saindo por baixo produto frio deve entrar por baixo saindo por cima Podem operar a diversas pressões tendo normalmente controle preciso de temperatura Podem ser construídos de vários tipos Abaixo os mais utilizados TIPO PLACA Aplicações água leite pasteurização e derivados 13 9 Trocadores de calor Casco tubo Denominados assim por apresentar vapor internamente a tubos e produto externamente aos mesmos o vapor é totalmente condensado internamente aos tubos retirado pela atuação do purgador Exemplo de aplicações Óleo Fluidos de processo Condicionadores de soja e secadores de farelo de soja 14 0 BIBLIOGRAFIA ARMSTRONG Purgadores de balde invertido Disponível em httpwwwarmstronginternationalcomarmstrongsteam universitytypesofsteamtraps invertedbucket Acesso em 060912 DOE NATIONAL LABORATORY Steam System Opportunity Assessment for the Pulp and Paper Chemical Manufacturing and Petroleum Refining Industries Appendices U S Department Energy Washington 2002 GESTRA Manual sobre condensados Edição 14a Bremen Alemanha 2011 Disponível em httpwwwgestracomdocumentsbrochuresphp Acesso em 060912 HARREL G Steam System Survey Guide Oak Ridge National Laboratory Tennessee 2002 LAWRENCE BERKELEY N L Improving Steam System Performance A sourcebook for industry U S Department Energy 2 ed Washington Office of Industrial Technologies 2004 NOGUEIRA L A H Eficiência Energética no Uso de Vapor 1 ed Rio deJaneiro Eletrobrás 2005 NOGUEIRA L A H ROCHA C A NOGUEIRA F J H Manual Prático Procel 1ed Rio de Janeiro Eletrobrás 2005 PETROBRÁS Norma 116 Rev C Sistemas de purga de vapor em tubulações 2004 SILVA TELLES P C Tubulações Industriais Materiais Projeto e Montagem LTC editora 9a edição Rio de Janeiro 1996 SPIRAX SARCO Apostila de Distribuição de Vapor Cotia 1995 SPIRAX SARCO Air venting heat losses and a summary of various pipe related standarts Spirax Sarco Limited 2006 SPIRAX SARCO Steam mains and drainage Spirax Sarco Limited 2006 14 1