Conceitos Básicos em Sistemas Térmicos

SISTEMAS TÉRMICOS Renato de Brito Sanchez 2 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO A SISTEMAS TÉRMICOS 3 2 SISTEMA DE POTÊNCIA COMBINADO GÁSVAPOR 20 3 FUNDAMENTOS EM PROJETOS DE SISTEMAS DE POTÊNCIA 37 4 GERAÇÃO DE VAPOR E DE ÁGUA QUENTE 46 5 TROCADORES DE CALOR 59 6 VASOS DE PRESSÃO E SISTEMAS PRESSURIZADOS 70 3 1 INTRODUÇÃO A SISTEMAS TÉRMICOS Apresentação Olá estudante Este é o bloco responsável por apresentar os elementos introdutórios voltados para os conceitos elementares de sistemas térmicos Vamos trabalhar de uma forma descritiva para enfatizar conceitos básicos na concepção e elaboração de projetos de sistemas térmicos Com relação à concepção e projetos de sistemas térmicos quando estão envolvidos sistemas grandes normalmente envolvem atividades multidisciplinares com profissionais de várias áreas de competências distintas A parte de modelação matemática deixamos de uma forma apenas orientativa pois esse conteúdo é descrito de forma mais intensa e objetiva em disciplinas específicas como mecânica dos fluidos transferência de calor e resistência dos materiais Bons estudos 11 Conceitos básicos para sistemas térmicos Os sistemas térmicos envolvem o armazenamento a transferência e a conversão de energia A engenharia de sistemas térmicos trata da forma como essa energia é utilizada para fins industriais de transporte residenciais e outros Em termos de fluxos os sistemas térmicos são classificados como Fechado sistema que troca energia mas não matéria com o meio externo Aberto é aquele que troca energia eou matéria com o meio externo Termicamente isolado esse tipo não troca calor com a vizinhança ainda que nele possa ocorrer alguma modificação 4 Em termos de processos envolvidos ainda podem ser classificados como Processo isobárico ocorre com pressão constante Processo isocórico o volume permanece constante Processo isotérmico ocorre à temperatura constante Processo adiabático é um processo em que não há transferência de calor Para efeito deste bloco vamos ter uma visão panorâmica e descritiva de sistemas térmicos e vamos também considerar sistemas práticos de interesse da engenharia Fonte Vilanova 2015 Figura 11 Exemplos de sistemas térmicos Quando lidamos com Sistemas Térmicos é fundamental ter conhecimento sobre as Leis da Termodinâmica sendo essas leis a base de conhecimento dos sistemas térmicos Resumindamente Sistemas Térmicos nada mais são do que Termodinâmica 5 a qual busca a relação entre calor e trabalho que ocorre em deteminados fenômenos como por exemplo transformações gasosas Com base nisso precisamos conhecer o estado termodinâmico dessas transformações gasosas sendo que esse estado termodinâmico é definido pelas variáveis de estado do mesmo ou seja pressão volume e temperatura A expressão matemática que relaciona as três variáveis de estado é a equação de Clapeyron Onde n número de mols do gás R constante universal dos gases perfeitos p pressão V volume T temperatura Quando um sistema sofre uma transformação precisamos levar em consideração os tipos de energia podendo ser energia interna e energia externa A forma de energia interna é a energia inerente ao sistema dependendo exclusivamente do estado enquanto a energia externa é a forma de energia trocada pelo sistema com o meio exterior na forma de calor e trabalho Dentro da termologia ainda existem 4 tipos de processos ou transformações com elas sendo como citado inicialmente transformações isotérmicas isobáricas adiabáticas e isocóricas com cada umas dessas transformações possuindo suas particularidades Quando lidamos com processos isotérmicos estamos falando de temperatura constante e consequentemente a variação da energia interna é nula sendo assim AU0 Logo de acordo com a Primeira Lei da Termodinâmica Onde Q quantidade de calor 6 trabalho realizado variação da energia interna Como dito inicialmente então Ou seja o trabalho está ligado diretamente com o calor Concluímos assim que em uma transformação isotérmica todo calor é convertido em trabalho Isso significa que o sistema funciona como um conversor de energia isto é recebe energia na forma de calor e cede na forma de trabalho ou viceversa recebendo trabalho e fornecendo calor Fonte Marques da Silva 2011 Figura 12 Processo durante uma transformação isotérmica Agora quando lidamos com processos isobáricos estamos falando que sua pressão permanece constante e de acordo com a equação de Clapeyron o volume e a temperatura serão proporcionais Logo de acordo com a Primeira Lei da Termodinâmica Como e concluímos que o calor trocado entre o sistema e o meio exterior é utilizado na realização de trabalho e a variação de sua energia interna O calor trocado será 7 Onde Cp calor molar do gás a pressão constante variação de temperatura n número de mols do gás Fonte Marques da Silva 2011 Figura 13 Transformação na qual a pressão permanece constante Já a transformação adiabática não possui troca de calor entre o sistema e o meio externo sendo assim toda energia recebida ou cedida é transformada em trabalho dessa forma a Primeira Lei da Termodinâmica indica que toda variação de energia interna de um gás durante um processo adiabático deve ser igual ao trabalho realizado pelo ou sobre o gás sendo assim Transformações desse tipo podem ser obtidas através de uma compressão ou expansão rápida 8 E por final na transformação isocórica não há variação de volume e consequentemente não há realização de trabalho Concluindose que todo o calor trocado entre o sistema e o meio exterior é utilizado na variação de sua energia interna Logo de acordo com a Primeira Lei Como e Sendo assim o calor trocado em uma transformação isocórica será Onde o Cv é o calor molar do gás a volume constante Fonte Marques da Silva 2011 Figura 14 Transformação na qual o volume permanece constante 9 12 Sistemas térmicos de interesse econômico Como sistemas térmicos de interesse econômico vamos considerar as usinas termelétricas Vale ressaltar que existem diferentes tipos de usinas termelétricas como Termelétrica a Gás Natural utiliza a queima de gás natural para iniciar o processo de vaporização Termelétrica a Carvão utiliza a queima de carvão para iniciar o processo de vaporização Termelétrica a Biomassa utiliza a queima de biomassa madeira bagaços para iniciar o processo de vaporização Termelétrica Nuclear utiliza o calor do urânio enriquecido para iniciar o processo de vaporização Termelétrica Solar utiliza energia solar como fonte de calor para gerar energia elétrica Energia nuclear ou energia atômica é a energia liberada em uma reação nuclear ou seja em processos de transformação de núcleos atômicos Alguns isótopos de certos elementos apresentam a capacidade de se transformar em outros isótopos ou elementos por meio de reações nucleares emitindo energia durante esse processo O funcionamento de uma usina termonuclear se dá pelo calor gerado pela fissão que nada mais é do que a divisão ou fusão de átomos de urânio o que acontece dentro dos reatores Esse calor é capaz de aquecer uma quantidade de água que acaba evaporando para movimentar a turbina e ligar o gerador elétrico 10 Fonte Toffoli 2009 Figura 15 Esquema de uma usina nuclear Vantagens da energia nuclear são Nível menor de poluição atmosférica Opção para países com poucos recursos hídricos Disponibilidade do combustível Imenso poder energético Área para construção reduzida Desvantagens da energia nuclear são Risco de acidente nuclear Poluição térmica Lixo nuclear A energia solar térmica consiste na transformação da energia solar em energia térmica É uma forma de energia renovável sustentável e amiga do ambiente 11 Os sistemas de termossifão solar são equipamentos de energia solar que têm uma circulação natural do fluido de trabalho Essa circulação é baseada em correntes de convecção que se formam em fluidos a diferentes temperaturas Existem três tipos de energia solar térmica Em usinas de alta temperatura é usada para gerar eletricidade Trabalha com temperaturas acima de 500 ºC 773 kelvin Em plantas de média temperatura trabalha com temperaturas entre 100 ºC e 300 ºC As instalações de baixa temperatura são comumente usadas em residências Trabalham com temperaturas abaixo de 65 ºC Fonte Planas 2015 Figura 16 Aquecedor solar de água quente 12 Fonte Planas 2011 Figura 17 O esquema básico de uma instalação de energia solar térmica As usinas termelétricas solares com capacidade de gerar eletricidade geralmente trabalham com espelhos concentradores de energia como esquematizado no desenho a seguir Fonte Portal Solar 2017 Figura 18 Usina termelétrica à base de energia solar As termelétricas alimentadas por gás natural carvão ou biomassa em princício funcionam da mesma forma de modo que o combustível prove o calor necessário 13 uma caldeira gera o vapor de água e uma turbina gera a energia mecânica necessária para o acionamento de geradores de energia elétrica Em geral o que determina o tipo do combustível é a sua disponibilidade local Por exemplo o Brasil tem criado muitas usinas funcionando a gás natural na região litorânea devido à disponibilidade de gás proveniente das plataformas de petróleo Já as usinas alimentadas por biomassa estão sendo construídas com mais intensidade no interior onde o agronegócio está mais presente Devemos considerar que historicamente as termelétricas eram extremamente poluidoras No começo do século XX muitas foram construídas pelo mundo sem equipamentos para controle de emissões gasosas o que levou a uma fama de inconvenientes para o meio ambiente Hoje em dia os novos projetos de termelétricas levam em consideração a legislação ambiental desde o seu projeto e construção até a operação Esse fato tem permitido um crescimento dessa modalidade de energia com impacto ambiental moderado e controlado 13 Situação de termelétricas usinas nucleares e energia heliotérmica no Brasil As usinas termelétricas constituem a principal forma de produção de eletricidade no mundo atualmente representando cerca de 70 da produção mundial Elas são amplamente utilizadas pelos países desenvolvidos o que acirra os debates nas conferências internacionais sobre recursos naturais e meio ambiente No Brasil onde o uso é predominantemente de usinas hidrelétricas as termelétricas atuam para abastecer as indústrias e como fontes de reserva em casos de crise energética Mesmo assim elas não ultrapassam os 75 da produção nacional de eletricidade e esse número só é alcançado quando todas as usinas estão em funcionamento no país Podemos notar que o Brasil apresenta um enorme potencial para expansão da matriz energética à base de termeletricidade Temos um imenso parque de produção à base do agronegócio onde a quantidade de biomassa biocombustíveis e cogeração de energia vêm crescendo de forma expressiva Esse universo do agronegócio tende a aumentar no Brasil para as próximas décadas O que falta é incrementar uma conscientização política e social de forma progressiva para aumentar ao máximo a 14 energia térmica contida nos resíduos do agronegócio Temos que aproveitar a oportunidade Atualmente no Brasil as principais termelétricas em operação são Termelétrica Cuiabá I com uma potência de geração de 470 MW Termelétrica de Uruguaiana com potência de 480 MW Termelétrica de Araucária com potência de 410 MW Termelétrica Muricy com potência de 147 MW Termelétrica Norte Fluminense com potência de 740 MW Termelétrica Euzébio Rocha com potência de 220 MW Termelétrica Luís Carlos Prestes com potência de 386 MW Termelétrica Termoceará com potência de 220 MW Termelétrica Bahia I com potência de 32 MW Termelétrica Aureliano Chaves com potência de 226 MW Termelétrica Juiz de Fora com potência de 87 MW Além dessas principais termelétricas ao todo o Brasil possui cerca de 550 usinas desse tipo Essas usinas operam principalmente quando ocorre a escassez hídrica Apesar desse amplo potencial energético do Brasil na área térmica já é de conhecimento comum de que tal área é uma das maiores poluidoras e responsáveis pelo efeito estufa e pelo aumento do aquecimento global sendo considerada altamente prejudicial ao meio ambiente Há todo um trabalho tanto nacional como internacional limitando os desenvolvimentos dessa área e apelando para energias menos poluentes e mais renováveis Mas ainda dentro do âmbito da energia térmica mas com apelo de energia limpa temos as usinas heliotérmicas ganhando destaque no Brasil diante de registros hidrológicos desfavoráveis e períodos de estiagem cada vez mais prolongados no entanto o elevado custo da geração de energia heliotérmica ainda é uma principal 15 barreira para sua expansão global No período entre 2010 e 2019 a redução dos custos foi de 46 com o principal fator que motivou a redução dos custos nesses últimos anos sendo Aumento da capacidade instalada Aprimoramento tecnológico dos sistemas de armazenamento térmico Desenvolvimento da cadeia de calor Criação de knowhow tecnológico em diferentes países Esse tipo de geração de energia se mostra competitiva quando comparada ao método utilizado pelas células fotovoltaicas A tabela a seguir mostra as principais diferenças entre esses dois tipos de geração Fonte Agência Internacional de Energias Renováveis IRENA e Associação Brasileira de Energia Solar Fotovoltaica ABSolar Figura 19 Diferenças entre geração heliotérmica e fotovoltaica Como pode ser observado na tabela apesar de o custo de produção ser significativamente maior a eficiência na conversão de luz em eletricidade é muito vantajosa principalmente quando levamos em consideração o caso das usinas heliotérmicas que permitem o armazenamento térmico e a geração de energia por até 18 horas sem incidência solar enquanto o método utilizado pelas células fotovoltaicas produz energia apenas quando há incidência solar sendo que nos períodos noturnos a produção de energia para a fim de que a geração de energia seja constante se houver necessidade de utilização de baterias podese inviabilizar esse tipo de geração ou até mesmo encarecer o custo final de produção 16 O potencial de desenvolvimento para usinas heliotérmicas é muito vasto principalmente com o desenvolvimento das tecnologias o que reduz o custo de produção podendo nas próximas décadas esse ser um tipo de geração de energia tão competitiva quanto a fotovoltaica Quando se observa o cenário no Brasil existe um enorme potencial para instalação desse tipo de produção de energia principalmente nas vastas regiões do Nordeste onde ainda é predominante apenas a produção de energia fotovoltaica e eólica Quanto à energia nuclear o programa brasileiro abrange um amplo uso da energia nuclear sempre voltado para fins pacíficos O Brasil possui duas usinas em operação atualmente Angra 1 e Angra 2 instaladas no município de Angra dos Reis no estado do Rio de Janeiro com potencial de geração de 2 mil megawatts A construção da usina nuclear Angra 3 que estava paralisada desde 1986 teve sua licença ambiental aprovada em julho de 2008 e agora está prevista para entrar em operação em 2026 Deverá adicionar mais 1080 megawatts de energia elétrica ao sistema nuclear brasileiro Angra 3 será a terceira usina da Central Nuclear Almirante Álvaro Alberto CNAAA na praia de Itaorna em Angra dos Reis RJ Quanto à disponibilidade de matériaprima o Brasil possui a sexta maior reserva mundial de urânio o elemento indispensável à produção de energia nuclear além de dois terços do território nacional permanecerem inexplorados em relação ao mesmo Outro aspecto interessante e recente é que está na agenda do Ministério de Minas e Energia MME para a energia nuclear o aumento da participação da fonte termonuclear na matriz energética brasileira O MME anunciou na quintafeira 13 de janeiro de 2022 a assinatura de um convênio com o Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Cepel para estudar potenciais localizações das novas usinas nucleares brasileiras Fonte de energia limpa e firme a geração termonuclear pode conter o avanço do aquecimento global e seus impactos afirma o MME 17 Fonte Eletrobras In GAUDARDE 2022 Figura 110 Canteiro de obras da Usina de Angra 3 Conclusão O cenário brasileiro para expansão do sistema termelétrico de produção de energia elétrica é favorável para qualquer uma das formas de fonte de energia térmica O Brasil é um país emergente em capacidade de produção comercialização e prestação de serviços com crescente influência no mercado internacional Também podemos levar em conta a disponibilidade de fontes de energia renovável bem como recursos humanos e materiais o que favorece uma demanda crescente de energia elétrica Outro aspecto interessante é que a nossa taxa de natalidade baixou agora seguindo a tendência mundial de nações cosmopolitas alterando nossa pirâmide etária na qual por muitos anos ainda vamos apresentar um crescimento do potencial de mão de obra qualificada para o mercado consumidor e produtor Não podemos esquecer ainda que o avanço da tecnologia e automação tende a aumento da demanda de energia elétrica e o Brasil como uma nação emergente e caminhando para o perfil de nação desenvolvida carece de uma grande estrutura produtora e distribuidora de energia elétrica mesmo tendo todas as características favoráveis para esse desenvolvimento energético 18 Referências bibliográficas VILANOVA L C Capítulo 1 O que é a engenharia de sistemas térmicos Sistemas Térmicos Curso Superior de Tecnologia em Fabricação Mecânica 31 jul 2015 Disponível em httpsbitly38i3z1t Acesso em 21 jan 2022 MARQUES DA SILVA D C As transformações termodinâmicas Mundo Educação 29 jun 2011 Disponível em httpsbitly3wRmHgV Acesso em 21 jan 2022 PLANAS O Termossifão solar tipos funcionamento e características Energia Solar 22 set 2015 Disponível em httpsbitly36C0ngJ Acesso em 21 jan 2022 PLANAS O Energia solar térmica usos e tipos de instalações Energia Solar 13 jul 2011 Disponível em httpsbitly3qPIlhS Acesso em 21 jan 2022 TOFFOLI L Usina Termoelétrica InfoEscola 5 ago 2009 Disponível em httpsbitly3KbQQvr Acesso em 21 jan 2022 GAUDARDE G Por que nuclear é a melhor solução para o Brasil EPBR 13 jan 2022 ASSIS E Energia nuclear no Brasil usar ou não consumir e por quê Diário da Manhã 5 abr 2015 Disponível em httpsbitly3uFPy5i Acesso em 21 jan 2022 BATISTA C Energia nuclear Toda Matéria 7 out 2013 Disponível em httpswwwtodamateriacombrenergianuclear Acesso em 21 jan 2022 PENA R F A Energia termoelétrica Brasil Escola 24 jul 2014 Disponível em httpsbrasilescolauolcombrgeografiaenergiatermoeletricahtm Acesso em 31 mar 2022 EQUIPE GNPW GROUP Como é o mercado de termelétricas no Brasil GNPW 18 jul 2020 Disponível em httpswwwgnpwcombrusinatermeletricacomoeo mercadodetermeletricas nobrasil Acesso em 21 jan 2022 19 ZAPAROLI D Energia do calor do sol FAPESP set 2021 Disponível em httpsrevistapesquisafapespbrwpcontentuploads202109072 075heliotermicas307pdf Acesso em 21 jan 2022 PORTAL SOLAR Energia heliotérmica termo solar Portal Solar 28 set 2017 Disponível em httpswwwportalsolarcombrenergiaheliotermicaentendacomo funciona Acesso em 31 mar 2022 20 2 SISTEMA DE POTÊNCIA COMBINADO GÁSVAPOR Apresentação Olá estudante Este é o bloco responsável por apresentar os elementos responsáveis pelo estudo do sistema de potência Trataremos de forma descritiva os ciclos motores muito utilizados em sistemas térmicos Tais ciclos motores também conhecidos como modelos gráficos servem para visualização planificada do processo como um todo bem como para analisar o processo em partes Tratase de uma ferramenta para tomada de decisões técnicas Uma característica interessante é que cada modelo de ciclo serve para um tipo de sistema térmico específico Dessa forma temos ciclos para motores a combustão interna para turbinas a gás a vapor etc O entendimento mesmo que conceitual desses ciclos ajuda nos blocos seguintes nos quais trataremos de equipamentos utilizados em sistemas térmicos de uma forma mais específica 21 Ciclos básicos de potência Carnot Rankine Otto Diesel Brayton e Stirling Ciclos de potência são ferramentas de modelação matemática que estudam um processo de conversão de energia térmica em energia mecânica Se o processo se realiza de uma única vez não forma um ciclo Um motor opera mediante um ciclo termodinâmico Daí um ciclo básico de potência caracteriza a atividade de um motor O fluxograma a seguir não representa necessariamente um motor cíclico Está mais para a detonação de um explosivo em um mina onde A fonte quente representa a energia química contida na bomba O trabalho representa o aumento de pressão com consequente aumento de volume do ar envolvido na explosão 21 A fonte fria representa a dissipação de energia não convertida em trabalho Essa energia dissipada representa de um certo modo a ineficiência operacional inerente a todo processo termodinâmico O conversor de energia nesse caso representa um motor linear não cíclico Fonte Autor Figura 21 Fluxograma de conversão de energia E como a energia tem que ser sempre conservada temos que todo o calor quente é transformado em trabalho líquido e calor frio QH Wliq QL É muito importante perceber que um ciclo de potência nunca terá eficiência de 100 ou seja nunca todo o calor quente vai ser transformado em trabalho vai haver sempre uma parte do calor sendo jogada fora para a fonte fria O ciclo de Carnot é um ciclo particular de transformações termodinâmicas de um gás ideal É composto por duas transformações isotérmicas e duas transformações adiabáticas Foi descrito e analisado pelo engenheiro francês Sadi Carnot em 1824 em seus estudos sobre as máquinas térmicas O ciclo de Carnot pode ser descrito pelas seguintes etapas 22 O gás sofre uma transformação isotérmica Expandese e absorve a quantidade de calor Q1 de uma fonte quente à temperatura T1 Após a transformação isotérmica o gás sofre uma transformação adiabática sem trocas de calor com o meio Como se expande adiabaticamente sua temperatura cai para um valor T2 Em seguida o gás sofre uma compressão isotérmica e libera uma quantidade de calor Q2 para a fonte fria à temperatura T2 Finalmente retorna à condição inicial após sofrer uma compressão adiabática Fonte Gouveia 2017 Figura 22 Diagrama característico do ciclo de Carnot De uma forma mais objetiva podemos observar o ciclo de Carnot pelos equipamentos a seguir 23 Fonte traduzido de Moliere Jaubert e Schuhler 2020 Figura 23 Fluxograma característico de um ciclo de Carnot Percebam que pelo estudo a energia não é criada ou perdida Ela participa de cada etapa do processo do ciclo de forma quantitativa quer seja na forma de dissipação ou de realização de trabalho O ciclo de Carnot é considerado a forma mais eficiente de conversão de energia Já o ciclo de Rankine é o princípio básico de funcionamento de uma usina termelétrica visto que o ciclo de Carnot não é adequado para os ciclos de potência a vapor reais já que é extremamente inviável aproximálo na prática Assim o ciclo de Rankine é o mais apropriado para ciclos de potência a vapor reais Ele consiste em 4 processos internamente reversíveis e utiliza água na maioria como fluido motor seja na forma líquida ou na forma de vapor ou gás com a chamada turbina a vapor MORAN SHAPIRO 2011 34 Compressão isentrópica adiabática reversível em uma bomba Até a região de líquido comprimido 41 Transferência de calor para o fluido de trabalho a pressão constante em uma caldeira 24 12 Expansão isentrópica adiabática reversível do fluido de trabalho através de uma turbina na condição de vapor saturado ou vapor superaquecido até a pressão do condensador 23 Transferência de calor do fluido de trabalho a pressão constante em um condensador chegando a líquido saturado Fonte Moran e Shapiro 2011 Figura 24 Diagrama Temperatura x Entropia para o ciclo de Rankine Fonte INEP 2011 Figura 25 Elementos básicos do ciclo de Rankine 25 Criado em 1876 pelo engenheiro alemão Nikolaus August Otto o motor ciclo Otto possui alto rendimento energético O ciclo de Otto é um ciclo termodinâmico idealizado que descreve o funcionamento de um típico motor de pistão de ignição com faísca É o ciclo termodinâmico mais comum em motores de automóveis funcionando nos chamados quatro tempos admissão compressão combustão e exaustão escape Primeiro tempo Admissão Segundo tempo Compressão Terceiro tempo ExplosãoCombustão Quarto tempo Exaustão escape Fonte adaptado de Silveira 2001 Figura 26 Diagrama do Ciclo Otto Por sua vez o ciclo de potência baseado no sistema diesel foi criado por Rudolf Christian Karl Diesel em 1897 para ser utilizado como motor gerando energia mecânica Esse motor tem os mesmos processos do sistema baseado em ciclo Otto A 26 única diferença é mecânica e não termodinâmica de maneira que quem inicia a combustão é a temperatura gerada pela pressão e não uma centelha elétrica Os quatro tempos do ciclo diesel são Primeiro tempo Admissão Segundo tempo Compressão Terceiro tempo ExplosãoCombustão Quarto tempo Exaustão O ciclo de Brayton é um ciclo termodinâmico no qual a adição de calor ocorre a pressão constante e é utilizado no estudo das turbinas a gás É um ciclo ideal uma aproximação dos processos térmicos que ocorrem nas turbinas a gás descrevendo variações de estado pressão e temperatura dos gases Em geral o ciclo de Brayton descreve o funcionamento de um motor térmico de pressão constante 27 Fonte traduzido de Connor 2019 Figura 27 Fluxograma característico de uma turbina a gás Perceba que a adição de energia ocorre a pressão constante e que parte da energia convertida em trabalho retorna para acionar o compressor O ciclo Stirling é fechado e se parece muito com o ciclo de Carnot que representa o limite máximo de eficiência para uma máquina térmica Algumas máquinas construídas obedecendo a esse ciclo já chegaram a 45 de rendimento Quatro fases compõem o ciclo de Stirling Expansão isotérmica Resfriamento isocórico 28 Compressão isotérmica Aquecimento isocórico Fonte wikipediaorg Figura 28 Diagrama característico do ciclo Stirling Analisando as atuais aplicações dos motores Stirling percebese que não é muito utilizado atualmente porém devido a esse tipo de motor ter uma eficiência muito grande possui algumas aplicações interessantes como as seguintes Motores AIP dos sistemas AIP mais usados atualmente há os que usam células de combustível que consistem em conversores de energia eletroquímica que transformam energia química de um determinado combustível armazenado em submarino gerando assim eletricidade Veículos elétricos os motores Stirling são sistemas de acionamento elétrico híbrido Em novembro de 2007 um carro protótipo híbrido usando biocombustível sólido e um motor de Stirling foi anunciado pelo projeto Precer na Suécia 29 22 Sistemas de potência a vapor turbinas a vapor Os sistemas de potência a vapor ou simplesmente SPV são instalações industriais nas quais a energia de um combustível fóssil renovável ou nuclear é convertida em energia mecânica utilizando um fluido de trabalho que é vaporizado e condensado de modo alternativo Na prática esse sistema é usado na geração de energia elétrica mais especificamente nas usinas termelétricas Sendo a etapa inicial de um projeto de engenharia a modelagem dos sistemas termodinâmicos e a modelagem dos sistemas de potência a vapor requerendo o uso de simplificações devido à complexidade ainda assim a aplicação dos modelos simplificados contribui para o estudo comportamental do sistema O primeiro aspecto a ser abordado no SPV é o estudo do processo denominado de ciclo de Rankine sendo esse o princípio básico de funcionamento de uma usina termelétrica visto que o ciclo de Carnot não é adequado para os ciclos de potência a vapor reais tendo em vista que é inviável de se aproximálos na prática O ciclo de Rankine consiste de 4 processos internamente reversíveis e utiliza normalmente água como fluido motor seja na forma líquida ou na forma de vapor ou gás Fonte INEP 2011 Figura 29 Elementos básicos do ciclo de Rankine 30 Na figura anterior podemos ver que uma termelétrica é composta praticamente de 4 elementos principais sendo a turbina a responsável por gerar a potência para girar o eixo do gerador O vapor que sai da caldeira à alta temperatura e pressão rotaciona as pás do rotor da turbina gerando a potência de eixo para o gerador O processo envolvido nessa etapa é a expansão adiabática reversível O condensador é responsável por pegar o fluido de trabalho em baixa pressão e temperatura e resfriar através da transferência de calor Esse resfriamento ocorre pela água de resfriamento circulando em um circuito separado do condensador Nessa etapa o processo envolvido é a rejeição do calor a pressão constante isobárica Com o fluido de trabalho condensando e saindo do condensador ele vai para a bomba responsável por bombear em alta pressão o fluido para a caldeira havendo nesse ponto da bomba o processo de compressão adiabática reversível O ciclo é concluído quando o fluido de trabalho entra na caldeira onde é aquecido até a saturação e evapora na caldeira Com essa etapa há o processo de aquecimento a pressão constante Dessa forma podemos perceber os 4 processos internamente reversíveis no ciclo de Rankine sendo 2 processos a pressão constante e dois processos a entropia constante Sendo assim os 4 processos internamente reversíveis do ciclo de Rankine se resumem em Processo 12 expansão isentrópica do fluido de trabalho através da turbina até a pressão do condensador Processo 23 transferência de calor do fluido de trabalho a fim de diminuir sua temperatura a pressão constante através do condensador chegando à forma de líquido saturado Processo 34 compressão isentrópica na bomba aumentando a pressão do fluido Processo 41 transferência de calor para o fluido de trabalho a fim de aumentar sua temperatura de forma a manter a pressão constante através da caldeira completando o ciclo 31 Turbinas a vapor são máquinas térmicas que transformam energia do escoamento contínuo do fluido a vapor em energia mecânica por meio de rotação A expansão de vapor na turbina ocorre por meio da pressurização do vapor dentro do gerador de vapor para conseguir um ganho de velocidade por diferença de pressão Utiliza dessa forma a energia cinética do vapor Na época da Revolução Industrial as máquinas a vapor geralmente eram constituídas por êmbolos em movimentos alternativos Devido ao avanço da tecnologia mecânica atualmente quase todos os usos são baseados em turbinas Esses sistemas são mais simples leves e também são mais flexíveis e fáceis de ajustar Desse modo se tornaram os preferidos para sistemas que envolvem grande inércia na alteração de velocidades como moedores laminadores e geradores de energia elétrica Vale lembrar que as turbinas a vapor normalmente trabalham com vapor seco não saturado O vapor seco e superaquecido garante que seja mínima a tendência de condensação de líquido no interior da turbina A presença de líquido dentro da turbina leva a problemas de corrosão incrustação e desbalanceamento da turbina 221 Estrutura básica de uma turbina Rotor O rotor da turbina é fabricado em peça única e forjado em aço CrMo Ele opera em altas rotações e proporciona maior resistência e confiabilidade mecânica ao conjunto Palhetas As palhetas são fresadas a partir de aço inox 13 Cr com aerodinâmica para maior eficiência geometrias fixações controladas para garantir excelente desempenho e amortecimento de vibrações São inspecionadas por rígido padrão de controle e montadas de acordo com cada projeto 32 Carcaça A carcaça da turbina é fundida em açoliga para suportar alta pressão e temperatura É projetada sob o conceito double wall parede dupla que restringe a incidência de alta pressão e temperatura a uma área extremamente pequena da máquina resultando em excelente elasticidade termomecânica e aumentando consideravelmente a vida útil da máquina Tem construção modular que permite execução com extração controlada Fonte TGM 2015 Figura 210 Palhetas e rotor expostos de uma turbina a vapor 23 Sistemas de potência a gás turbinas a gás e motores de combustão interna São sistemas que convertem a química de combustíveis em energia mecânica portanto são considerados como motores As turbinas a gás são assim qualificadas pois utilizam o carburante contínuo no ar atmosférico para queimar o combustível Existem basicamente dois tipos de turbina a gás As que movimentam aviões com a força de empuxo dos gases de exaustão da turbina 33 As que movem máquinas com a força do eixo de tração Esse eixo é alimentado pela turbina auxiliar contida no ponto de exaustão da turbina e responsável por coletar parte da energia envolvida no empuxo e convertêla em energia mecânica no eixo de potência da turbina O princípio de funcionamento da turbina se baseia na queima de combustível líquido ou gasoso na câmara de combustão da turbina Com o aumento da temperatura ocorre o aumento da pressão e expansão do volume dos gases Nessa condição os gases são direcionados de forma contínua para a turbina recuperadora de energia Parte da energia recuperada alimenta o eixo da turbina compressora que comprime ar para alimentar a combustão e parte da energia recuperada vai para o eixo de potência da turbina A energia mecânica produzida pela turbina alimenta uma grande quantidade de equipamentos como eixos de navios geradores elétricos bombas linhas de produção Assim como um motor a diesel ou gasolina a turbina a gás é um tipo de motor de combustão interna e funciona usando o ciclo de admissão compressão combustão expansão e escape Porém uma grande diferença é o movimento básico A turbina a gás tem movimento circular enquanto o motor a pistão tem movimento de vai e vem O princípio básico de uma turbina a gás é mostrado no diagrama a seguir Em primeiro lugar o ar é comprimido por um compressor e esse ar comprimido é levado para a câmara de combustão Na câmara de combustão o combustível é continuamente queimado para produzir gás em alta temperatura e pressão A turbina a gás industrial faz com que o gás produzido na câmara de combustão seja expandido na turbina um rotor de pás conectando diversas lâminas a um disco redondo para a produção de energia rotacional que faz com que o compressor funcione na fase anterior A energia restante é fornecida com um eixo de saída 34 Fonte traduzido de httpsbitly371oVzr Figura 211 Comparação de uma turbina a gás e um motor alternativo Fonte traduzido de httpsbitly371oVzr Figura 212 Turbina a gás com eixo de potência independente Nesse tipo uma turbina separada é colocada depois da turbina a gás e a energia da explosão é transmitida como força de rotação Essa turbina traseira é chamada de turbina de potência Uma vez que não existe qualquer relação mecânica entre o eixo 35 da turbina de potência e o eixo do compressor é possível selecionar qualquer velocidade de rotação de saída Esse tipo é adequado para o acionamento de equipamentos com uma ampla variedade de velocidades de rotação Esse tipo é amplamente utilizado em aviões a hélice e helicópteros bem como aplicações como acionamento da bombacompressor motores principais do navio e gerador Conclusão Neste bloco pudemos observar que existem modelos gráficos baseados em processos termodinâmicos específicos e que se assemelham ao processo real O processo real apresenta características específicas com o perfil semelhante ao do modelo mas não igual O estudo dos ciclos serve para analisarmos o processo todo em etapas menores e dessa forma avaliarmos a eficiência e o rendimento de cada etapa isoladamente Com esse pacote de dados podemos aperfeiçoar ou ajustar o processo do ciclo de forma a obtermos o resultado esperado Referências bibliográficas UNIFEI Ciclo de Rankine Curso de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Itajubá Unifei Disponível em httpspetemeunifeiedubrcicloderankine Acesso em 21 jan 2022 CONNOR N What is Brayton Cycle Gas Turbine Engine Definition Thermal Engineering 22 may 2019 Disponível em httpswwwthermal engineeringorgwhatisbraytoncyclegasturbineenginedefinition Accessed on 1 may 2019 SILVEIRA F L da Máquinas térmicas à combustão interna Universidade Federal do Rio Grande do Sul 2001 Disponível em httpswwwresearchgatenetpublication266347397Maquinastermicasacombu staointernadeOttoedeDiesel Acesso em 21 jan 2022 36 WIKIPEDIA Ciclo Stirling Disponível em httpsptwikipediaorgwikiCicloStirling Acesso em 21 jan 2022 TGM Unidade de turbinas TGM 27 nov 2015 Disponível em httpswwwgrupotgmcombrunidadedenegocioturbinas Acesso em 21 jan 2022 INEP Instituto Nacional de Estudos e Pesquisas Educacionais Anísio Teixeira ENADE 2011 Exame Nacional de Desempenho de Estudantes Engenharia Grupo II Ministério da Educação nov 2011 Disponível em httpsdownloadinepgovbreducacaosuperiorenadeprovas2011ENGENHARIA GRUPO20IIpdf Acesso em 1 abr 2022 MORAN M J SHAPIRO H N Princípios de termodinâmica para engenharia 7 ed LTC 2011 MOLIERE M JAUBERT J N SCHUHLER T Stationary gas turbines an exergetic approach to part load operation Oil and Gas Science Technology v 75 n 10 Feb 2020 Disponível em httpswwwresearchgatenetpublication339551937Stationarygasturbinesane xergeticapproachtopartloadoperation Acesso em 21 jan 2022 GOUVEIA R Ciclo de Carnot TodaMatéria 29 ago 2017 Disponível em httpswwwtodamateriacombrciclodecarnot Acesso em 1 abr 2022 37 3 FUNDAMENTOS EM PROJETOS DE SISTEMAS DE POTÊNCIA Apresentação Olá estudante Este é o bloco responsável por apresentar os elementos relacionados ao aproveitamento de energia e transformálo em energia elétrica A energia aproveitada no Brasil em sua maioria é a energia térmica excedente de processos de fabricação e muitas vezes contida na biomassa residual A legislação recente brasileira vem permitindo que o excedente de energia elétrica das empresas possa ser disponibilizado para a rede pública de distribuição o que acarreta uma receita adicional e ativa interesses para que essa atividade conhecida como cogeração de energia elétrica seja fomentada pelo interesse econômico envolvido 31 Cogeração Entendese por cogeração de energia o processo de produzir energia como atividade secundária de um outro processo industrial que não tenha essa atividade como finalidade básica No Brasil o mais usual é a utilização da sobra de energia para se produzir energia elétrica Em casos específicos podese utilizar essa sobra de forma intermediária para a produção de calor ou energia mecânica Na indústria química é muito comum essa atividade na forma de calor e energia mecânica ser utilizada internamente na empresa Nesses casos pouco se comenta sobre essas técnicas Percebam que a cogeração é sempre um produto auxiliar secundário Gera uma receita adicional logo essa cogeração é objeto de interesse pela empresa 38 Fonte baseado em httpsbitly3DxSWmB Figura 31 Diagrama de aproveitamento de energia Alguns tipos de aplicações do processo de cogeração incluem o seguinte Processos industriais usinas refinarias indústrias químicas farmacêuticas de alimentos e bebidas Incineração e gerenciamento de resíduos industrial municipal médicohospitalar aterros sanitários Queima de biomassa fábricas de celulose e papel serrarias usinas de açúcar turfa e resíduos de madeira Institucional escolas campus universitários prisões hospitais No início da década de 1950 o Brasil viveu um grande desenvolvimento industrial em razão da política de abertura dos portos havendo a entrada de capital de investimento estrangeiro e tecnologia Para que houvesse funcionamento da indústria eram primordiais investimentos no setor energético como em bacia hidrográfica Optouse para implantar centrais hidrelétricas assim a energia de cogeração passou a ocupar um segundo plano voltando a ser observada no final da década de 1980 inclusive na Europa e nos EUA 39 A partir da década de 1990 o novo modelo do setor elétrico proferia a cogestão como estrutura controlada majoritariamente pelo setor privado facilitando assim as empresas de operar com mais autonomia Fonte COGEN 2019 Figura 32 Evolução da cogeração no Brasil São benefícios da cogeração de energia Aumento na eficiência da geração de energia Otimização do uso da energia minimizando o desperdício Maior economia de combustível Redução da emissão de poluentes Redução ou eliminação de outras fontes de energia térmica 32 Geração baseada em resíduos e biomassa Hoje temos muitos processos industriais e agropecuários gerando resíduos de produção que em geral geram custos para a empresa 40 A ideia de transformar esses resíduos em energia e vender isso como um produto tem despertado interesse do empresariado nos últimos anos Essa ideia veio ao encontro da cogeração de energia elétrica na qual a energia tem um valor agregado enquando o resíduo em princípio gera apenas despesas Na indústria de açúcar e álcool por exemplo o excesso de bagaço de cana quando queimado gera vapor que em turbogeradores produz energia elétrica para o consumo da própria empresa Como em geral a quantidade de energia elétrica gerada é maior do que a necessidade de consumo então a empresa disponibiliza o excedente para a rede pública A indústria petroquímica em geral queima gases residuais em chaminés em vez de conduzir para unidades termelétricas Existe uma outra linha de cogeração para energia elétrica emergindo no Brasil que é a produzida pela digestão microbiológica de resíduos industriais e granjas onde a matéria orgânica residual de natureza fisiológica sanitária ou algum outro processo industrial em reatores biológicos de processo anaeróbico produz metano O metano por sua vez é um excelente combustível e pode dessa forma ser direcionado para geradores de energia elétrica O metano pode ser produzido também nos aterros sanitários municipais laticínios frigoríficos cervejarias indústrias de amido etc todos esses exemplos baseados em reatores microbiológicos Por ser uma fonte de energia renovável por meio da intervenção humana adequada a biomassa é uma alternativa viável para a substituição dos combustíveis fósseis e poluentes como o petróleo e o carvão por exemplo O Brasil possui situação privilegiada para produção de biomassa em larga escala pois existem extensas áreas cultiváveis e condições climáticas favoráveis ao longo do ano A biomassa já responde por quase 10 da matriz energética brasileira As principais vantagens da biomassa são 41 É alternativa de energia renovável Tem baixo custo Tem baixa emissão de gases poluentes É produzida a partir de uma grande variedade de materiais As principais desvantagens da biomassa são Tem eficiência reduzida Bicombustíveis podem emitir enxofre e nitrogênio e contribuir com o fenômeno da chuva ácida Pode resultar em impactos ambientais em florestas Apresenta elevado custo financeiro de equipamentos A queima da biomassa é relacionada com aumento de casos de doenças respiratórias Há dificuldade de armazenar a biomassa sólida 33 Questões ambientais e legislação Na década de 1970 as questões ambientais começaram a fazer parte de atividades acadêmicas A partir desse ponto a legislação ambiental brasileira passou a evoluir rapidamente de forma que as empresas e a sociedade civil que antes geravam e descartavam resíduos sem compromisso agora têm que levar em consideração a implicação legal Os resíduos passaram a representar um custo adicional e também um ônus para a imagem social da empresa Diante disso transformar resíduos em um produto ecologicamente melhor aparece como uma solução viável no começo do século XXI 42 Os resíduos orgânicos ou seja ricos em carbono passaram a ser utilizados como combustível na indústria cimenteira Essa atividade ficou conhecida como coprocessamento porque além da energia gerada pelo carbono residual ainda há incorporação das cinzas ao cimento aumentando o volume de produto Questões ambientais como o aquecimento global passaram a ser debatidas na política internacional Com isso o dióxido de carbono CO2 e o metano CH4 entre outros passaram a ser utilizados como munição de conflitos comerciais internacionais Para se defender o empresariado emergente passou a diferenciar o CO2 de origem mineral carvão de petróleo do de origem reciclável vegetal e animal recentes Com isso utilizar resíduos do agronegócio como combustível passou a ser ecologicamente mais correto visto que a agricultura fixa carbono atmosférico Nascem aqui as bases para o conceito do Crédito de Carbono Os ambientalistas radicais insatisfeitos com essa alternativa ecológica partem agora para atacar o metano gerado naturalmente pelos vulcões florestas em decomposição e sedimentos no fundo de lagos e que também passou a ser produzido artificialmente pelas atividades humanas como a agropecuária o tratamento de esgotos industriais e domésticos o tratamento de resíduos industriais e os aterros sanitários e lixões Até um tempo atrás se falava que o metano era capaz de gerar vinte vezes mais efeito estufa do que o dióxido de carbono Hoje já se fala em cem vezes mais Desse cenário nasce uma grande oportunidade para a cogeração de energia elétrica de forma a solucionar parcialmente os problemas de resíduos orgânicos das empresas Como o metano é mais impactante para o meio ambiente então as empresas estão transformando parte dos resíduos orgânicos em metano Essa atividade é realizada em reatores biológicos anaeróbicos O metano por sua vez que era descartado na atmosfera é agora conduzido para queima em motores de combustão interna acoplados a geradores de energia elétrica Essa técnica converte a energia química contida nos resíduos em energia elétrica absorvendo e destruindo totalmente o metano gerado pelos resíduos A energia elétrica dessa forma pode ser utilizada pela empresa ou comercializada gerando recursos financeiros de uma forma ou outra 43 Fonte Autor Figura 33 Diagrama do tratamento de esgoto O resíduo sólido inerte rico em nutrientes para a agricultura pode ser fornecido diretamente como adubo ou separado de sua água e então ser conduzido para queima em caldeiras de termelétricas gerando energia elétrica Nesse caso a água extraída e devidamente tratada pode ser disponibilizada para usos secundários ou recarga de aquíferos Os aterros sanitários também estão começando a reaproveitar o metano gerado como resíduo para a produção de energia elétrica A poda de árvores e grama nas áreas urbanas gera muito resíduo que passa agora a ser comprado pelas empresas para a queima em caldeiras para geração de energia térmica e elétrica Outra fonte de energia que está sendo desenvolvida no Brasil é a resgatada da coleta seletiva de lixo doméstico Uma grande quantidade desse lixo pode alimentar reatores biológicos e uma outra parte pode ser queimada diretamente em caldeiras de cogeração de energia elétrica 44 Fonte Mouta Liz 2017 Figura 34 Ciclo energético da biomassa Conclusão A cogeração de energia elétrica é uma forma de se aumentar a matriz energética brasileira utilizandose o excedente de energia térmica existente nos parques fabril e agropecuário no Brasil A legislação ajudou para que um interesse econômico servisse como vetor motivacional para o empresariado Para o governo esse aumento de disponibilidade de energia elétrica proveniente de processos de cogeração alivia um pouco a crescente necessidade de infraestrutura para geração de energia elétrica do país O Brasil é um país com muitos problemas de natureza ambiental onde a geração de biomassa está inserida como ponto nevrálgico Com a utilização da biomassa para cogeração de energia elétrica uma parte dos problemas ambientais das empresas e do país causados pela geração de resíduos de processos empresariais é reduzida de forma progressiva e passa a ser vista agora como uma solução ecologicamente viável 45 Referências bibliográficas CONFOR Aplicação em plantas de cogeração Disponível em httpswwwconforcombraplicacaoaplicacaoemplantasdecogeracao Acesso em 21 jan 2022 COGEN Associação da Indústria de Cogeração de Energia O cenário de cogeração de energia 2019 Disponível em wwwdatacogencombr Acesso em 21 jan 2022 MOUTA LIZ G Estudo teórico de um dispositivo de captação de energia das ondas Monografia em Eficiência Energética Faculdade de Ciências e Tecnologia Universidade Nova de Lisboa 2017 46 4 GERAÇÃO DE VAPOR E DE ÁGUA QUENTE Apresentação Olá estudante Neste bloco veremos os conceitos básicos do funcionamento e manutenção de geradores de vapor e água quente Esses equipamentos apesar de serem fundamentais para sistemas térmicos envolvendo geradores e cogeradores de energia elétrica são complexos demais para serem abordados de forma tão breve por isso a abordagem será conceitual e esquemática Neste bloco serão abordados tópicos de sua estrutura interna e funcional bem como elementos de manutenção e controle uma vez que se trata de um equipamento que trabalha sob efeito de temperatura e saturação química de forma intensa Nessa condição existe a necessidade de uma manutenção rigorosa e com resultados previsíveis Por fim vale lembrar aos alunos que a operação e a manutenção de geradores de vapor e água quente devem ser realizadas rigorosamente sob orientação da norma NR13 da ABNT como veremos dentro deste bloco 41 Tipos de geradores de vapor e de água quente Historicamente o uso do vapor de forma tecnológica é divisor de águas na época da Revolução Industrial da Europa Antes da Revolução Industrial os alquimistas químicos da época se utilizavam do vapor para purificação de produtos químicos via destilação de arraste Essa mesma técnica era utilizada também nos processos de extração de substâncias químicas de vegetais e animais Com a Revolução Industrial a produção de vapor foi alavancada devido ao desenvolvimento de máquinas movidas a vapor ou seja do uso do vapor para gerar movimento físico As máquinas industriais e as locomotivas seguiram essa tendência Esse fenômeno social alterou de forma significativa a história humana mas exigiu o 47 desenvolvimento de uma tecnologia mecânica e de controle para essa crescente demanda de vapor Originalmente uma caldeira era um reservatório aberto utilizado para produzir caldo Entendese por caldo uma suspensão de material orgânico proveniente de um processo de cocção Nesse processo o produto de interesse era o caldo Com a necessidade de se produzir e utilizar o vapor esses equipamentos foram fechados para aprisionar o vapor e dessa prisão conduzem o vapor para seu destino através de tubulações Nesse processo o produto de interesse ainda é o vapor No Brasil preservouse o nome caldeira para essa nova configuração O equipamento agora produz vapor mas manteve o nome de quem produz caldo Na literatura técnica mais contemporânea já se vem utilizando a expressão gerador de vapor em países de língua inglesa usase boiler Com esse esclarecimento podemos partir para falarmos sobre os tipos de geradores de vapor e geradores de água quente disponíveis no mercado Quanto à função Geradores de vapor Geradores de água quente Um ponto importante a se observar é que nesta apostila vamos falar de vapor de água e água quente mas no mundo real essa atividade se estende a qualquer fluido que atenda a necessidade de um processo químico ou mecânico Por exemplo produção de vapor em colunas de destilação ou aquecimento de fluido térmico ou de processo etc Os geradores de vapor têm a função de fornecer energia térmica ou mecânica A energia térmica pode se utilizar do calor sensível e do calor latente de vaporização da água A água como fluido térmico tem propriedades muito interessantes por exemplo 48 não é tóxica e tem elevado calor latente de vaporização ou seja carrega muita energia térmica Os geradores de água quente são muito utilizados para consumo direto e indireto No caso de consumo direto não existe o retorno de fluido Todo o líquido é consumido pelo usuário do produto Como exemplo temos a água utilizada em chuveiros de hotéis e a utilizada em lavanderias e cozinhas industriais Quanto à estrutura interna Geradores de vapor aquatubulares Geradores de vapor fogotubulares Os geradores de vapor fogotubulares são os mais utilizados do mercado para sistemas pequenos e de baixa pressão Em sua concepção básica o fogo passa por dentro de tubos metálicos do combustor para a chaminé e a água a ser vaporizada fica contida na parte externa desses tubos Esse tipo de gerador de vapor demora mais para aquecer e entrar em regime de operação devido a um volume maior de água contido no casco do mesmo 49 Fonte Togawa 2020 Figura 41 Esquema de gerador de vapor fogotubular Os geradores de vapor aquatubulares são os mais utilizados no mercado para sistemas médios e grandes e de média e alta pressão Em sua concepção básica a água passa por dentro de tubos metálicos a chama proveniente do combustor para a chaminé passa pela parte externa desses tubos Esse tipo de gerador de vapor é mais rápido para aquecer e entrar em regime de operação devido a um volume menor de água contido para vaporização e aquecimento 50 Fonte Togawa 2020 Figura 42 Esquema de gerador de vapor aquatubular Quanto à fonte de calor Gás combustível Óleo combustível Madeira Restos de processos industriais Energia elétrica Reutilização de energia térmica Energia nuclear No caso da fonte de energia devemos levar em conta a sua disponibilidade e o valor envolvido 42 Operação e manutenção A operação de um gerador de vapor é uma atividade técnica e exige conhecimento e competência legal ou seja o operador de um gerador de vapor tem que fazer um curso específico para essa atividade Essa atividade é regulamentada pela NR13 da ABNT 51 A manutenção de um gerador de vapor é uma atividade técnica e exige conhecimento e competência legal ou seja o profissional que realiza a manutenção em um gerador de vapor tem que estar habilitado para essa atividade Em geral para essa atividade o CREA autoriza engenheiros mecânicos e naval Essa atividade é regulamentada pela NR13 da ABNT Segundo a NR13 um gerador de vapor necessita ser aberto para inspeção mecânica e de processo operacional periodicamente A pressão e o tamanho do equipamento determina o período de cada abertura Em geral fica em um ano Toda vez que um gerador de vapor for aberto ou passar por uma atividade comprometedora o mesmo deve ser inspecionado e avaliado quanto à pressão permitida para o trabalho Como o gerador de vapor é uma máquina que opera sob aquecimento e sabemos que a temperatura é um catalisador para diversas reações químicas podemos imaginar que reações de corrosão e precipitação química seguidas de incrustação e obstrução estejam presentes no processo operacional do gerador de vapor O processo de evaporação da água necessário para a produção de vapor ocorre com a água e substâncias voláteis na mesma temperatura Não ocorre com a maioria dos sais Com a entrada de água praticamente constante e vapor saindo na forma de água evaporada é de se presumir que os sais não voláteis vão se acumulando no interior do gerador de vapor Quando a concentração desses sais atinge o seu limite de saturação quanto à sua solubilidade acabam por sair na forma de sólidos insolúveis Esses sólidos em geral são aderentes à estrutura interna do gerador de vapor O rápido processo de acúmulo de resíduos sólidos sendo aderidos e acumulados no interior do gerador de vapor leva o equipamento ao colapço de suas atividades operacionais Nesse caso ocorre obstrução parcial ou total do feixe de tubulações do trocador de calor interno do equipamento 52 Fonte AICE Química Figura 43 Resíduos provenientes de saturação de baixa solubilidade Fonte Meyers 2003 Figura 44 Entupimento de tubos de geradores de vapor Vários íons não voláteis também se acumulam no interior do equipamento Como os íons negativos ânions se ligam a cátions metais um processo de corrosão aumenta com o aumento da concentração de ânions como cloretos 53 Fonte High Simple via Shutterstock Figura 45 Rompimento do tubo de caldeiras Para se monitorar e controlar essas atividades de corrosão e incrustação um processo de manutenção deve ser instalado A manutenção prevê ainda a ação corretiva bem como a preventiva No caso da corretiva podemos falar em trocas de tubulações internas desobstrução de tubulações varetamento limpeza química No caso da manutenção preventiva temos as manutenções periódicas e o condicionamento químico da água e do vapor Quanto ao controle da saturação salina ou a alta concentração iônica o mais usual é a manutenção de um processo de balanço de massa através de uma atividade de purga controlada e monitorada 43 Compartilhamento de energia O compartilhamento de energia em um sistema gerador de vapor ocorre na entrada de energia do sistema na saída de energia do sistema e ainda no circuito interno do sistema Um gerador de vapor pode ser aquecido totalmente ou parcialmente pelo resíduo de calor de algum outro processo Um exemplo muito usual dessa atividade ocorre com os condensadores de topo e póscoluna de destilação em processos petroquímicos 54 produção de álcool etílico e atividades similares onde o calor contido no vapor proveniente da destilação agora necessita ser removido para promover a liquefação do produto Esse calor residual é aproveitado para preaquecimento da água que alimenta o gerador de vapor Isso ocorre também em termelétricas onde o calor das chaminés de combustão é recuperado parcialmente para preaquecer a água de alimentação dos geradores de vapor Os gases provenientes da combustão utilizada para aquecimento e vaporização no gerador de vapor também carregam muita energia térmica para as chaminés de forma que essa energia pode ser aproveitada em um circuito interno ao gerador de vapor preaquecendo a sua água de alimentação ou de algum outro processo de interesse Nesse caso temos um exemplo de compartilhamento interno e externo de energia térmica A cogeração de energia elétrica é um caso particular de compartilhamento de modo que a energia é retirada do vapor produto final na forma de eletricidade 55 Fonte traduzido de Lahijani e Supeni 2018 Figura 46 Recuperação de energia Outro exemplo de compartilhamento de energia é no caso das tecnologias heliotérmicas que podem ser instaladas junto a parques geradores térmicos com biomassa ou para cadeia de vapor industrial de maneira que essa tecnologia irá auxiliar a aumentar a eficiência dessas usinas auxiliando na geração de vapor Alguns tipos de usinas heliotérmicas possuem tanques de armazenamento de fluido aquecido pelo calor do sol sendo que esse calor fica armazenado e é utilizado para produzir energia enquanto não há sol Isso pode ser aplicado principalmente nos casos em que a eficiência da biomassa é menor do que a eficiência do projeto nas usinas térmicas 56 Fonte adaptado de Guia de Licenciamento Ambiental de Heliotérmicas 2017 Figura 47 Esquemático funcionamento usina heliotérmica A figura acima é um exemplo típico de uma usina heliotérmica onde se utilizam tanques para armazenamento de calor e a utilização desse calor durante os horários sem sol Já a figura a seguir é um exemplo típico de termelétrica a biomassa onde pode ser visualizada a semelhança na área do Ciclo ÁguaVapor Fonte httpscbiecombrwpcontentuploads201911vcsabiaimg15png Figura 48 Esquemático de funcionamento usina térmica a biomassa 57 Tendo essas semelhanças em mente é possível se utilizar das tecnologias das usinas heliotérmicas para servir de auxílio e melhorar a eficiência das usinas térmicas a biomassa Conclusão Com este bloco conhecemos mais sobre os geradores de vapor e água quente Esses equipamentos são fundamentais e básicos para os sistemas térmicos geradores de energia térmica ou elétrica Devido à sua complexidade e diversidade estudamos o seu conceito básico de funcionamento Quanto à operação podemos verificar que existe a necessidade de conhecimento técnico envolvendo competência e habilidade para essa atividade bem como para sua manutenção Dentro do campo da manutenção podemos observar que os geradores de vapor são acometidos por dois problemas básicos a corrosão e a incrustação de modo que existe a necessidade de se monitorar e controlar esses efeitos sobre o gerador de vapor Cabe ainda lembrar que todo gerador de vapor e água quente se enquadra na regulamentação para vasos de pressão Dessa forma devem seguir a norma NR13 da ABNT Referências bibliográficas AICE QUÍMICA LTDA Gerador de Vapor Caldeira Disponível em httpsaicequimicacombrcopiaprodutostratamentodeaguaindustrial1 Acesso em 21 jan 2022 BRASIL Ministério da Ciência Tecnologia Inovações e Comunicações Guia de licenciamento ambiental de heliotérmicas subsídios para avaliação de impacto ambiental Brasília 2017 HAMADA E H Estudo de um ciclo de vapor utilizado para Tratamento de superfícies metálicas Estudo preliminar de caso Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Campus de Guaratinguetá Guaratinguetá 2012 Disponível em httpsrepositoriounespbrbitstreamhandle11449119393hamadaehtcc guarapdf Acesso em 21 jan 2022 58 LAHIJANI A M SUPENI E E Evaluating the effect of economizer on efficiency of the fire tube steam boiler Innov Ener Res v 7 n1 p 193 2018 MEYERS R A Comp Encyclopedia of physical science and technology 3 ed Washington Elsevier Science Ltd 2003 p 671697 Disponível em httpdxdoiorg101016B012227410500819X Acesso em 6 jul 2012 TOGAWA V Os principais tipos de caldeiras Togawa 30 set 2020 Disponível em httpsbitly3uN2nKZ Acesso em 21 jan 2022 59 5 TROCADORES DE CALOR Apresentação Olá estudante Este bloco apresentará os elementos conceituais de composição operação e manutenção de trocadores de calor Tais equipamentos em geral são destinados à transferência de calor de um fluido para outro ou até mesmo para a sua dissipação São muito utilizados nas atividades industriais para preservação e ajuste de processos e equipamentos Um grande erro das empresas é considerar que esse tipo de equipamento não necessita de monitoramento e controle Neste bloco falaremos sobre a importância de se incluir esses equipamentos no plano de operação e manutenção de forma a se otimizar e garantir a estabilidade dos processos internos da empresa Abordaremos ainda a importância de uma consciência operacional e de manutenção preventiva e corretiva para esses equipamentos 51 Tipos de trocadores de calor e suas especificações Os trocadores de calor são equipamentos destinados a transferir calor de um fluido mais quente para um fluido mais frio ou até mesmo para o espaço vazio sem matéria vácuo Os fluidos envolvidos podem ser líquido líquido gás gás vapor vapor gás líquido vapor líquido líquido vácuo gás vácuo 60 vapor vácuo Quanto à configuração física dos trocadores temos Tubulares Placas Aletas Quanto à função a que se destinam temos Transferência de calor Dissipadores Nos trocadores de calor tubulares o fluido mais quente em geral passa por dentro dos tubos enquanto o fluido mais frio para por fora dos tubos de forma que os fluidos não se tocam mas transferem calor do fluido mais quente para o fluido mais frio através de uma parede mecânica compatível com os fluidos Os trocadores tubulares podem ser utilizados para fluidos líquidos gasosos e vapores Fonte Portal Metlica Figura 51 Trocador de calor tipo casco e tubo Os trocadores de calor de placas são formados por placas geralmente de aço inox sobrepostas e montadas como um bloco de cartas de um baralho Pelo fato de poderem ser desmontados periodicamente e com relativa facilidade para a sua limpeza são muito utilizados em sistemas com muitos sólidos em suspensão sujeira 61 nos fluidos envolvidos Por exemplo o processo de resfriamento de mosto de cana em usinas de açúcar e álcool Fonte Gut 2003 Figura 52 Trocador de calor tipo placas E por fim falemos dos trocadores de calor na forma de aletas Funcionam bem para transmissão ou dissipação de calor contido em corpos sólidos líquidos ou gasosos As aletas aumentam de forma significativa a área da superfície de transmissão de calor o que favorece a transmissão de calor como um todo Não podemos esquecer que a taxa de transferência de calor atende a uma propriedade intensiva mas a transmissão de calor do corpo atende a uma propriedade extensiva Na transmissão de calor entre um sólido e um gás temos como exemplo as aletas de motores elétricos aletas de motores a combustão elementos eletrônicos etc Na transmissão de calor entre um líquido e um gás temos como exemplo as aletas de transformadores elétricos radiadores de calor de geladeiras e de automóveis Na transmissão de calor entre um sólido ou líquido e o vácuo temos como exemplo as aletas e radiadores de calor contido em satélites artificiais Em qualquer um desses casos a transmissão de calor se processa através de condução convecção e irradiação No caso específico de dissipação de calor para o vácuo prevalece a irradiação térmica 62 Fonte Kakaç e PramuanJaroenkij 2012 p 19 Figura 53 Colmeia de um radiador um modelo de aletas Fonte Canassa Jr 2014 Figura 54 Aletas para refrigeração em motores e compressores 52 Operação e manutenção A operação de um trocador de calor é uma atividade técnica e exige conhecimento e competência técnica A manutenção de um trocador de calor é uma atividade técnica e exige conhecimento e competência técnica legal ou seja o profissional que realiza a manutenção em um 63 gerador de vapor tem que estar habilitado para essa atividade Um trocador de calor opera principalmente em função dos parâmetros Tempo Transferência de calor f tempo Área Transferência de calor f área de contato Diferença de temperatura Transferência de calor f ΔT Um trocador de calor geralmente tem um volume e uma área de troca de calor definidos em projeto Em função do exposto é de se esperar que tenha também uma vazão de processo definida em projeto Dessa forma podemos observar que o operador de um trocador de calor não tem liberdade plena para alterar a vazão de processo sem levar em consideração a presença do trocador de calor Uma forma de se monitorar a eficiência do processo de transferência de calor e ajustar a vazão dentro dos limites estabelecidos em projeto é a medição da temperatura de entrada e saída das linhas envolvidas no processo de transferência de calor Outra grande questão que precisa ser considerada na operação de trocadores de calor é a grande força propulsora de todo o processo de transferência de calor à diferença de temperatura entre o corpo quente e o corpo frio Quando medimos as temperaturas nos pontos de entrada e saída de um trocador de calor uma das respostas que procuramos é exatamente essa diferença de temperatura Sem ela o trocador não funciona de forma eficiente Com essa informação podemos ajustar os fluxos internos de forma a ajustar a diferença de temperatura Também por causa da necessidade de se ter a maior diferença de temperatura em todos os pontos do trocador de calor é que utilizamos os fluxos internos dos trocadores de calor como Contra Fluxo E por último em geral temos que garantir que as linhas de fluidos envolvidos na troca de calor se mantenham cheias ou alagadas condição esta fundamental para o bom funcionamento do trocador de calor 64 Como um trocador de calor é uma máquina que opera sob aquecimento e sabemos que a temperatura é um catalisador para diversas reações químicas podemos imaginar que reações de corrosão e precipitação química seguida de incrustação e obstrução estejam presentes no processo operacional do trocador de calor Como nos geradores de vapor os sólidos insolúveis ou solúveis em geral são aderentes à estrutura interna do trocador de calor O rápido processo de acúmulo de resíduos sólidos sendo aderidos e acumulados no interior do trocador de calor leva o equipamento ao colapço de suas atividades operacionais Nesse caso ocorre obstrução parcial ou total do feixe de tubulações do trocador de calor É comum em trocadores de calor ocorrerem problemas de incrustação com obstrução parcial ou total de tubos bem como corrosão interna ou externa Fonte Superstar via Shutterstock Figura 55 Limpeza dos tubos do trocador de calor 65 Fonte PARADORN KOTAN via Shutterstock Figura 56 Limpeza de trocadores de placas Para se monitorar e controlar essas atividades de corrosão e incrustação um processo de manutenção deve ser instalado A manutenção prevê ainda a ação corretiva bem como a preventiva No caso da corretiva podemos falar em trocas de tubulações internas desobstrução de tubulações varetamento limpeza química No caso da manutenção preventiva temos as manutenções periódicas e o condicionamento químico da água e do vapor quando for o caso Devemos ainda lembrar que os trocadores de calor do tipo placas são fabricados a fim de serem abertos para limpeza de forma frequente 66 53 Visão termodinâmica e suas concepções Sabese que no ensino de Física geralmente se utiliza a concepção substancialista de calor ao se abordar o conteúdo de termodinâmica E Carnot ao fornecer a base do desenvolvimento da termodinâmica tendo como ponto de partida o aperfeiçoamento das máquinas térmicas possibilitou importante contribuição ao introduzir a noção de ciclo reversível cuja ideia fundamental reside no fato de que na produção de potência motriz a substânica motora utilizada deve retornar às condições iniciais Neste bloco voltamos à questão da grande força propulsora da transferência de calor à diferença de temperatura Tudo o que fazemos quanto a projeto de engenharia operação ou manutenção depende da diferença de temperatura para funcionar A isolação térmica dificulta a transferência de calor mas não impede o processo já com um ΔT 0 não existe transferência de calor Logo isso é fundamental Utilizando uma equação básica para ilustrarmos o entendimento temos Q calor transferido Kt constante térmica específica de cada material Ts1 temperatura do corpo mais quente Ts2 temperatura do corpo menos quente A área envolvida na troca térmica L espessura da superfície envolvida na transferência de calor Perceba que a constante térmica obedece a uma propriedade intensiva ou seja ela não depende da dimensão do corpo envolvido apenas do material de que é feito e a sua propriedade termodinâmica Já o calor transferido obedece a uma propriedade extensiva ou seja depende da dimensão do corpo envolvido 67 Na equação básica aparecem ainda a área a espessura e duas temperaturas distintas e diferentes Com a constante que representa uma propriedade por unidade física sendo multiplicada por grandezas físicas temos como resultado que o calor transferido passa a representar o fenômeno do corpo todo Essa explicação nos recorda que todo o processo de transferência de calor é dependente das dimensões dos equipamentos envolvidos da temperatura e principalmente do tempo envolvido pois são fenômenos do mundo real e não da imaginação O tempo aparece na análise específica da constante bem como no estudo da vazão dos fluxos envolvidos Outra visão importante da termodinâmica é a interpretação de Clausius na qual ele aponta que a natureza é um reservatório inesgotável de energia térmica mas que não podemos dispor dessa energia sem condições Com isso em mente Clausius elaborou unindo os estudos de Carnot e a necessidade de se preocupar com a natureza do calor a ideia de transformação equivalência e conservação o que possibilitou formalizações das leis da termodinâmica revelando papel preponderante da matemática como elemento estruturante dessa teoria Resumindo tanto Carnot e Clausius eles definiram o que é categorizado como termodinâmica de equilíbrio sendo um estado raro e precário já que sabemos que no mundo como conhecemos a regra é o não equilíbrio mas ainda assim essas duas visões deram contribuições valiosas para a compreensão do funcionamento das máquinas térmicas e forneceu a base do desenvolvimento da termodinâmica 68 Conclusão Neste bloco falamos sobre os tipos de trocadores de calor mais usuais no mercado sua concepção básica de operação e manutenção Podemos verificar também que o processo industrial determina o tipo e o tamanho do trocador de calor uma vez que a quantidade de sólidos em suspensão contida nos fluidos a serem resfriados determina a forma como será a manutenção operacional do equipamento Os sólidos dissolvidos por sua vez determinam a especificação para conter processos de corrosão e por fim a carga térmica dos fluidos determina o dimensionamento estrutural do equipamento Falamos em determinado momento que esses equipamentos necessitam ser monitorados termicamente durante a sua operação ou seja é necessário medir interpretar e registrar as temperaturas de entrada e saída desses equipamentos Verificamos também que devido a esses equipamentos estarem sujeitos a efeitos de corrosão e incrustação um procedimento de manutenção preventiva e periódica deve ser previsto e implantado Ou seja esses equipamentos não devem ser esquecidos como passivos dentro do processo produtivo São equipamentos que exigem monitoramento e manutenção frequente Por fim lembramos também que o operador não tem liberdade plena sobre a vazão do trocador de calor Essa vazão é definida em projeto do equipamento e definida pelo processo no qual o equipamento está inserido 69 Referências bibliográficas CANASSA Jr R Sistemas de arrefecimento Verso 2 jun 2014 Disponível em httpsbitly3u3Vfe7 Acesso em 4 abr 2022 GUT J A W Configurações ótimas para trocadores de calor a placas 244 f Tese Doutorado em Engenharia USP São Paulo 2003 KAKAÇ S LIU H PRAMUANJAROENKIJ A Heat exchangers Selection rating and thermal design 3 ed New York CRC Press 2012 NUNES DA SILVA D PACCA J L de A O ensino da termodinâmica e as contribuições da história da ciência Abrapecnet 17 ago 2016 Disponível em httpsbitly3LvIezI Acesso em 23 jan 2022 TOSI M M Operações unitárias aula 4 Disponível em httpsedisciplinasuspbrpluginfilephp3148691modresourcecontent0 Aula04TrocadoresCalorplacasexercC3ADciospdf Acesso em 23 jan 2022 PORTAL METLICA Principais tipos de trocadores de calor Disponível em httpsmetalicacombrprincipaistiposdetrocadoresdecalor2 Acesso em 23 jan 2022 MEDEIROS G Projeto de graduação projeto de sistema de arrefecimento para um veículo de fórmula SAE Universidade de Brasília Faculdade de Tecnologia Departamento de Engenharia Mecânica Brasília 10 dez 2018 Disponível em httpswwwresearchgatenetpublication334521295PROJETODEGRADUACAOP ROJETODESISTEMADEARREFECIMENTOPARAUMVEICULODEFORMULASAE Acesso em 23 jan 2022 70 6 VASOS DE PRESSÃO E SISTEMAS PRESSURIZADOS Apresentação Olá estudante Este é o bloco responsável por apresentar a norma NR13 da ABNT fundamental para regulamentar procedimentos e responsabilidades para as atividades ligadas à utilização de vasos de pressão É importante que os funcionários envolvidos com a utilização desses equipamentos estejam informados e atualizados de sua existência e seu conteúdo uma vez que existem implicações de ordem legal na esfera civil e criminal sobre o seu desconhecimento ou mau uso A legislação brasileira se aperfeiçoa de forma muito rápida e consistente Nos últimos anos estamos presenciando uma revolução da legislação em vários temas A NR13 não fica a desejar ela foi criada a apenas algumas décadas evoluiu e caminha sendo aperfeiçoada Se não nos atualizarmos saímos do mercado 71 61 Classificação A NR13 define em seu item 13511 que Vasos de Pressão são equipamentos que contêm fluidos sob pressão interna ou externa diferente da atmosférica Fonte Cristina da Silva 2021 Figura 61 Tipos de vasos de pressão Para efeito dessa NR os vasos de pressão são classificados em categorias segundo a classe de fluido e o potencial de risco a os fluidos contidos nos vasos de pressão são classificados conforme descrito a seguir Classe A fluidos inflamáveis fluidos combustíveis com temperatura superior ou igual a 200 ºC duzentos graus Celsius 72 fluidos tóxicos com limite de tolerância igual ou inferior a 20 ppm vinte partes por milhão hidrogênio acetileno Classe B fluidos combustíveis com temperatura inferior a 200 ºC duzentos graus Celsius fluidos tóxicos com limite de tolerância superior a 20 ppm vinte partes por milhão Classe C vapor de água gases asfixiantes simples ou ar comprimido Classe D outro fluido não enquadrado acima b quando se tratar de mistura deve ser considerado para fins de classificação o fluido que apresentar maior risco aos trabalhadores e instalações considerandose sua toxicidade inflamabilidade e concentração c os vasos de pressão são classificados em grupos de potencial de risco em função do produto PV onde P é a pressão máxima de operação em MPa em módulo e V o seu volume em m³ conforme segue Grupo 1 PV 100 Grupo 2 PV 100 e PV 30 Grupo 3 PV 30 e PV 25 73 Grupo 4 PV 25 e PV 1 Grupo 5 PV 1 d a tabela a seguir classifica os vasos de pressão em categorias de acordo com os grupos de potencial de risco e a classe de fluido contido Tabela 61 Categorias de vasos de pressão Classe de Fluido Grupo de Potencial de Risco 1 PV 100 2 PV 100 PV 30 3 PV 30 PV 25 4 PV 25 PV 1 5 PV 1 Categorias A Fluidos inflamáveis e fluidos combustíveis com temperatura igual ou superior a 200 C Tóxico com limite de tolerância 20 ppm Hidrogênio Acetileno I I II III III B Fluidos combustíveis com temperatura menor que 200 C Fluidos tóxicos com limite de tolerância 20 ppm I II III IV IV C Vapor de água Gases asfixiantes simples Ar comprimido I II III IV V D Outro fluido II III IV V V Fonte Norma Regulamentadora NR13 da ABNT Notas a considerar volume em m³ e pressão em MPa b considerar 1 MPa correspondente a 10197 kgfcm² 74 62 Operação e manutenção A operação de um vaso de pressão é uma atividade técnica e exige conhecimento e competência legal ou seja o operador de um vaso de pressão tem que fazer um curso específico para essa atividade Essa atividade é regulamentada pela NR13 da ABNT A manutenção de um vaso de pressão também é uma atividade técnica e exige conhecimento e competência legal ou seja o profissional que realiza a manutenção em um vaso de pressão tem que estar habilitado para essa atividade Em geral para essa atividade o CREA autoriza engenheiros mecânicos e naval Essa atividade é regulamentada pela NR13 da ABNT Segundo a NR13 um vaso de pressão necessita ser aberto para inspeção mecânica e de processo operacional periodicamente A pressão e o tamanho do equipamento determina o período de cada abertura Diferente dos geradores de vapor os vasos de pressão têm especificações diferentes para inspeções internas e externas Toda vez que um vaso de pressão for aberto ou passar por uma atividade comprometedora o mesmo deve ser inspecionado e avaliado quanto à pressão permitida para o trabalho Para se monitorar e controlar essas atividades de corrosão e incrustação um processo de manutenção deve ser instalado Como já dito em outro momento a manutenção prevê ainda a ação corretiva bem como a preventiva No caso da corretiva podemos falar em trocas de tubulações internas desobstrução de tubulações varetamento limpeza química Os tipos de inspeção de vasos de pressão são Inspeção inicial Inspeção periódica Inspeção extraordinária 75 Inspeção de integridade estrutural 621 Inspeção inicial Quando uma empresa projeta e constrói um vaso de pressão ela tem a obrigação legal de realizar um protocolo de testes para avaliar e garantir a qualidade especificada em projeto Esse protocolo de testes nesse caso chamase inspeção inicial Dessa forma a inspeção inicial deve realizar obrigatoriamente inspeção externa inspeção interna e o teste hidrostático conforme normalizado e determinado pela Norma Técnica NR13 622 Inspeção periódica Da mesma forma que na inspeção inicial a Norma Técnica NR13 determina que exista e seja realizada de forma periódica a chamada Inspeção periódica de segurança Esse tipo de inspeção de segurança deve ser realizada em todos os vasos de pressão compreendidos pela Norma Técnica NR13 Essa inspeção tem a finalidade básica de garantir a qualidade mínima estrutural necessária para o funcionamento operacional do vaso de pressão de forma segura para o processo envolvido e as pessoas que estão envolvidas em sua operação Como o nome já diz essa é uma inspeção periódica e a Norma Técnica NR13 define a sua periodicidade de realização bem como a sua obrigatoriedade Para essa atividade devese realizar a inspeção externa inspeção interna e o teste hidrostático e fica ainda a recomendação de que o responsável pelo processo envolvido com o vaso de pressão esteja presente e acompanhe o processo de inspeção periódica 623 Inspeção extraordinária A Norma Técnica NR13 determina ainda uma inspeção de segurança extraordinária em vasos de pressão que por algum motivo tenham perdido a condição de garantia da qualidade necessária à operação De uma forma prática entendese como condições de perda dessa garantia casos de manutenção estrutural realocação do vaso de pressão acidente ou incidente 76 envolvendo o vaso de pressão operação fora da especificação etc A inspeção de segurança extraordinária não é periódica e deve ser realizada sempre que houver necessidade técnica Essa inspeção técnica também é regulamentada pela Norma Técnica NR13 e deve ser realizada em vasos de pressão definidos pela norma Nesse caso deve ser realizada inspeção externa inspeção interna e o teste hidrostático 624 Inspeção de integridade estrutural A inspeção de integridade estrutural aplicada a vasos de pressão conforme descritos nos casos acima deve ser realizada obrigatoriamente por um profissional legalmente habilitado e competente Essa atividade é determinada e definida pela norma técnica NR13 Fonte Ensus 2020 Figura 62 Partes típicas de um vaso de pressão Alguns exemplos comuns de vasos de pressão são Aquecedores de fluidos térmicos 77 Compressores Separadores de condensado Pulmão de vácuo Pulmão de ar comprimido Autoclaves industriais Autoclaves hospitalares Separadores de aróleo Reservatórios esféricos Reservatórios verticais Reservatórios horizontais Reservatórios criogênicos Trocadores de calor Geradores de vapor caldeiras Boilers Chillers Compressores Acumuladores de fluido Reatores etc Esses são alguns exemplos para se ter uma ideia da abrangência dessa atividade profissional Os principais serviços executados durante uma atividade de manutenção de um vaso de pressão são 78 Inspeção e laudos NR13 conforme portaria n 1084 de 2017 Elaboração e supervisão do plano de inspeção de vasos de pressão Planejamento de inspeções iniciais periódicas e extraordinárias NR13 Elaboração e reconstituição de prontuário NR13 Calibração de válvula de segurança e alívio pressostato termômetro e manômetro Manutenção de válvula de segurança e alívio pressostato termômetro e manômetro Elaboração de memorial de cálculo estrutural mecânico quando necessário Execução de teste hidrostático e estanqueidade Ensaios não destrutivos ENDs convencionais e especiais Medição de espessura de parede com ultrassom Inspeção de equipamentos Enquadramento do equipamento na NR13 Registro fotográfico da inspeção Recálculo da PMTA conforme a norma de fabricação Elaboração de PAR Projeto de Alteração e Reparo quando necessário Os principais serviços executados durante a operação de vasos de pressão são Preenchimento do diário de operação Livro de Registro de segurança de vaso de pressão Teste de funcionamento de válvulas de alívio e segurança Teste e operação de válvulas de purga e drenagem Monitoramento das condições de pressão e vazão em que o vaso de pressão está operando 79 63 Legislação 631 NR13 Caldeiras Vasos de Pressão Tubulações e Tanques Metálicos de Armazenamento Esta norma regulamenta a atividade de operação e manutenção de caldeiras vasos de pressão tubulações e tanques metálicos de armazenamento Detalhando a norma podemos verificar que ela especifica a competência e a habilitação de operadores e técnicos e engenheiros envolvidos na operação e manutenção desses equipamentos Outra questão dessa norma é a especificação da frequência com que as inspeções e manutenções devem ser feitas A NR13 serve para que as empresas tenham caldeiras e vasos de pressão instalados com responsabilidade oferecendo segurança de operação segurança de manutenção e inspeção de segurança nos equipamentos a fim de garantir a proteção e saúde dos trabalhadores quando estão exercendo atividades relacionadas São vantagens da NR13 redução de danos ao patrimônio físico da empresa diminuição do número de acidentes motivação dos trabalhadores quanto às questões de segurança e saúde do trabalho mapeamento de riscos que podem causar acidentes de trabalho e doenças ocupacionais redução dos encargos trabalhistas e previdenciários A importância da aplicação da NR13 diz respeito a responsabilidades e condições para a instalação segurança de operação 80 segurança de manutenção inspeção de segurança nas caldeiras e vasos de pressão 632 ABNT NBR 15417 Vasos de pressão Inspeção de segurança em serviço Esta norma fixa os requisitos mínimos para a inspeção de segurança de vasos de pressão em serviço De modo geral especifica a forma de como devem ser feitas as manutenções envolvendo procedimentos de ensaios lista de verificações e modelos de laudos e relatórios Em termos práticos a norma ABNT NBR 15417 complementa a NR13 do MT ou seja enquanto a segunda informa o que fazer a primeira informa como fazer 633 Normas complementares 6331 NBR 15194 Ensaios não destrutivos Emissão acústica em vasos de pressão metálicos durante o ensaio de pressão Procedimento Estabelece o procedimento para conduzir inspeção por emissão acústica em vasos de pressão metálicos durante o ensaio de pressão para localizar e monitorar fontes de emissão causadas por descontinuidades nas superfícies externas e internas à parede do vaso de pressão em soldas e em outros componentes fabricados 6332 NBR 15248 Ensaios não destrutivos Inspeção por ACFM Procedimento Esta norma estabelece os requisitos mínimos para detecção localização e dimensionamento de trincas superficiais em materiais eletricamente condutores na inspeção por meio de Alternating Current Field Measurement ACFM 6333 NBR ISO 12100 Segurança de máquinas Princípios gerais de projeto Apreciação e redução de riscos Esta norma especifica a terminologia básica princípios e uma metodologia para obtenção da segurança em projetos de máquinas Ela especifica princípios para apreciação e redução de riscos que auxiliam projetistas a alcançar tal objetivo 81 Outras normas que regulamentam questões de higiene do trabalho e segurança do trabalho também devem fazer parte dessa atividade profissional Conclusão Este último bloco apresenta os elementos básicos da legislação brasileira para equipamentos que trabalham sob pressão A NR13 elaborada pela ABNT estabelece regras para a instalação operação e manutenção de equipamentos conhecidos como vasos de pressão Entre alguns temas regulamentados temos a competência e a habilitação da mão de obra envolvida na operação e na manutenção de vasos de pressão Outro aspecto relevante e informado pela norma é a documentação necessária para o monitoramento e o controle das atividades operacionais e de manutenção Com essa norma fica claro e nítido que a utilização de vasos de pressão requer controle intenso e constante do equipamento Esse tipo de controle exige mão de obra qualificada também para a atividade burocrática de administrar a operação e a manutenção de vasos de pressão Vale lembrar que as normas não são estáticas elas evoluem então cabe aos envolvidos se manterem atualizados sobre o conteúdo da norma Também não se pode esquecer de que existem outras normas ligadas à segurança do trabalho e ao meio ambiente que estão envolvidas direta ou indiretamente com as atividades de vasos de pressão 82 Referências bibliográficas CRISTINA DA SILVA J Vasos de pressão e formas construtivas Tercal Engenharia Serviços Técnicos e Inspeções NR13 7 fev 2021 Disponível em httpsbitly3wScgtq Acesso em 24 jan 2022 GUILHERME J Tampo torisférico ASME VIII Div1 OU 2 Ensus 23 mar 2020 Disponível em httpsbitly3wZVmci Acesso em 24 jan 2022 PREVINSA CONSULTORIA E PREVENÇÃO Afinal o que é NR 13 Entenda detalhes sobre essa norma Previnsa 24 out 2018 Disponível em httpsbitly3tWvnks Acesso em 24 jan 2022 BRASIL Portaria MTB nº 1082 de 18 de dezembro de 2018 Disponível em httpsbitly3uIFMzd Acesso em 24 jan 2022