Os Sistemas Témicos

SISTEMAS TÉRMICOS II

Sumário

1. MÁQUINAS TÉRMICAS                                                                1

1. Classificação                                                                        1
2. Aplicações                                                                        2

1. CENTRAIS TÉRMICAS A VAPOR                                                 3

1. Geradores de Vapor                                                                3

1. Geração do Vapor d’água                                                        4
2. Componentes Principais                                                        5

1. Cinzeiro
2. Grelha
3. Atomizador
4. Fornalha
5. Câmara de Combustão
6. Caldeira de Vapor
7. Superaquecedor
8. Economizador
9. Pré-aquecedor de Ar
10. Condutos de Fumo
11. Chaminé

1. Capacidade do GV                                                                12

1. TURBINAS A VAPOR                                                                15

1.  Classificação                                                                        16
2.  Funcionamento para produção de energia                                        19

1. MÁQUINAS TÉRMICAS

• Máquina térmica motora → Turbinas, motores

• Trabalho (W) sai

• Máquina térmica geradora → Bombas, compressores

• W entra

1. Classificação

• Quanto ao fluido de trabalho

• Gás neutro: compressores, central a gás hélio, turbina a gás em ciclo fechado, motor Stirling;
• Vapor: turbina a vapor, máquina a vapor;
• Produtos da combustão: motor a pistão, turbina a gás em ciclo aberto.

• Quanto ao modo de transformação da energia

• Máquina térmica a pistão (MTP)

• Movimento alternativo ou rotativo

• Trabalho e temperatura intermitentes
• “Baixas” rotações

• Sistema fechado
• Energia de pressão (Ep) ↔ Energia mecânica (Em)
• Mecanismo complexo
• “Altas” pressões
• Baixo custo
• Maior rendimento (η) do ciclo
• Baixa potência

• Máquina térmica de fluxo (MTF)

• Movimento puramente rotativo

• Trabalho e temperatura contínuos

• Sistema aberto
• Ep ↔ energia cinética (Ec) ↔ Em
• Máquinas menores do que MTP
• Mecanismo simples
• Pressão limitada
• Alto custo
• Menor η do ciclo.
• Alta potência

1. Aplicações

• Motoras

• MTF

• Gás neutro (1000 MW)
• Vapor de água ou mercúrio (1500MW)
• Produtos da combustão na aeronáutica (50MW)

• MTP

• Motores automotivos (500 CV)
• Motores marítimos (50000 CV)
• Motores estacionários (25000 CV)

• Geradoras

• Alta pressão: compressor a pistão
• Média pressão: turbocompressores, compressor rotativo
• Baixa pressão: ventiladores.

1. CENTRAIS TÉRMICAS A VAPOR

• Objetivo

• Produzir energia elétrica ou mecânica
• Cogeração = produzir vapor para processo + energia elétrica ou mecânica

• Planta transformadora de energia: energia calorífica → mecânica → elétrica

• Componentes

• Gerador de vapor → produz vapor para a Turbina
• Turbina:

• → transmite energia mecânica para o gerador → energia elétrica
• → manda vapor para o Condensador

• Condensador → condensa o vapor e envia para a Bomba de alimentação

• Envia água (fluido de refrigeração) para a torre de resfriamento.

• Bomba de alimentação → envia água para o Gerador de Vapor

1. GERADORES DE VAPOR (GV)

• Produção de vapor a partir de energia térmica: adicionar calor a um fluido vaporizante (água)

• Combustão
• Eletrotermia (a partir de energia elétrica)
• Fissão (nuclear)
• Calor residual de outro processo ou combustível subproduto = caldeira de recuperação

• Utilização do vapor

• Processos industriais
• Geração de energia
• Cogeração
• Aquecimento

• Nomenclatura de geradores de vapor

• Caldeiras de vapor = GV de água mais simples
• Caldeiras de recuperação = usa calor residual ou subproduto do processo
• Caldeiras de água quente = fluido não vaporiza, é utilizado ainda na forma líquida (restaurantes, calefação)
• Geradores reatores nucleares = combustível nuclear.

 

• Norma: NR-13

• Segurança

• Dispositivos de segurança

• Visor de nível do tubulão

• Nível alto → desliga a bomba → não entra mais água
• 1° sensor nível baixo → liga a bomba → entrar água
• 2° sensor nível baixo → corta combustível → provável vazamento de água

• Visor da chama → verificar a cor da chama → verificar combustão

• Observar também cor da fumaça

• Pressostato → se p muito alta → ↓ queimador → ↓ combustão → ↓ vapor
• Válvula de segurança =  1 para vapor saturado e 1 para vapor superaquecido

• Se 1. Entupir o bico de combustível = chama apagar ou 2. Pico de energia = bomba parar

• Combustível entra e não queima → pode gerar pontos quentes → explosão
• Se houver muito combustível na ignição a janela de proteção abre (por peso)
• Quando o sensor fotoelétrico vê a luz da chama, ele desliga a bomba.

1. Geração do vapor d’água

• Combustíveis

• Cavaco
• Biomassa
• Carvão: pulverizado ou em grelha
• Óleo combustível: atomizado e vaporizado antes da queima (bico queimador)
• Combustíveis gasosos = gás natural, propano e butano.

• Já é vapor = queima mais fácil
• Limpo

• Tratamento da água de alimentação

• Menos incrustações nos tubos

• Incrustação = sólidos concentrados além do limite de solubilidade → precipitam e aderem à parede dos tubos

• ↓ da vazão de água que passa no tubo
• ↑ perda de carga
• Golpe de fogo = incrustação reduz troca de calor → tubo superaquece → tubo expande e incrustação trinca (coeficiente de dilatação diferentes) → entra água nessa trinca → água vaporiza → deforma o tubo → rompe tubo ou placa → explode ou aquela parte volta a ser resfriada pela água

• Menos desgaste de material (tubos e válvulas)

• Presença de O2 e CO2 gera corrosão
• CO2 e sílica geram endurecimento do material = fragilidade cáustica

• Vapor de melhor qualidade = menos impurezas

• Impurezas interferem no ponto de ebulição da água

• Gasta mais energia = combustível para vaporizar
• Água pode ser arrastada junto com vapor → cavitação

• Impurezas = matéria orgânica, compostos minerais, gases dissolvidos
• Tratamentos

• Interno à caldeira = água de alimentação é analisada e produtos são adicionados conforme necessidade

• Água já vem da COPASA tratada
• GV pequenos, baixa e média pressão

• Completo = externo + interno

• Água direto de rios
• Caldeiras de alta pressão

• Propriedades do vapor d’água

• ↑ calor fornecido

• ↑ T = ↓ ρ
• Altera 1° h; 2° estado físico

• Temperatura de ebulição = função da pureza da água e pressão (↑p = ↑T)
• Vapor saturado = produzido na temperatura de ebulição correspondente a sua pressão absoluta.

• Úmido = contém partículas de água em suspensão;
• Seco = não contém partículas de água.

• Vapor superaquecido = acima da temperatura de saturação.

• Produção do vapor saturado por absorção de calor

• Calor sensível = entalpia do líquido → ↑ p e T para ↑ hf = h’ até temperatura de ebulição
• Calor latente = entalpia de vaporização → p e T constantes, mas ↑ hfg para mudança de fase

• ↑ p do vapor → ↓ hfg

• Entalpia total (hg = h’’):

• Vapor saturado seco:        [pic 1]
• Vapor saturado úmido:        [pic 2]

Obs. Notação

h’ = líquido

h’’ = vapor

1. Componentes Principais

• Princípio de funcionamento

• Ar atmosférico

• Entra por meio de um ventilador
• É aquecido no pré-aquecedor
• Se mistura com o combustível e é queimado na fornalha

• Gases produtos da combustão

• Circulam pelo GV cedendo calor para a água

• Água torna-se vapor na caldeira
• Vapor saturado torna-se superaquecido no superaquecedor
• Água é aquecida no economizador

• Sofrem tiragem pela chaminé

1. Cinzeiro = Local de deposição de cinzas e restos de combustível

1. Grelha (combustível sólido) = local de deposição do combustível para a queima

• Ar primário entra por baixo da grelha → resfria

• Algumas grelhas podem ser feitas de tubos, com água passando no interior → resfria a grelha + gera mais vapor

• 4 camadas para a queima (da grelha para cima):

• Cinzas = resíduos da combustão = óxidos ferrosos → não queima → roubam calor → prejudica combustão
• Oxidação = ar primário rico em O2

• C + O2 → CO2

• Redução = pouco O2

• C + CO2 → 2CO (ruim)

• Destilação = aquecimento/ separação de voláteis do combustível novo
• Acima do combustível = queima de voláteis/CO com uso de ar secundário

• Fatores que influenciam na combustão

• Tamanho do grão (5 a 10 mm, máx 50 mm)

• Deve ser pequeno o suficiente para maior área de troca de calor
• Não deve passar pela grade da grelha

• Localização do grão no leito: deve gerar queima homogênea
• Tempo de contato do ar ou gases com o combustível = velocidade de circulação
• Transferência de calor e massa durante a queima
• Propriedades do combustível

• Tipos de grelhas

• Plana

• Simples: geralmente lenha, manual → joga e ela fica onde cair
• Ar de combustão resfria a grelha
• Ar secundário = depende se o primário consegue realizar sozinho a combustão adequadamente = depende do combustível
• Parede refratária na parte traseira → faz com que a chama volte → aproveita melhor o calor

• Inclinada

• Alimentação manual (raro) ou projeção: geralmente carvão, tamanho médio
• Projeção = rotor dosador com velocidade variável
• Barras inclinadas provocam o deslizamento do combustível
• Ar primário e secundário

• Móvel

• Leito de combustível = esteira inteiriça sobre rolos
• Combustível atravessa a fornalha sobre a esteira e a escória cai no fundo
• Ar primário direcionado para garantir que a mesma quantidade vá para o início e o final da esteira

1. Atomizador (combustível líquido ou gasoso) = transforma um jato de combustível em gotículas = melhor combustão

• Combustíveis sólidos = carvão de baixa qualidade moído no milésimo de mm

• Passo a passo:

• Atomização = formação de gotículas =  maior área superficial
• Vaporização
• Mistura com o ar
• Combustão

• Tipos de atomizadores

• Mecânico = jato passa a alta pressão por pequenos orifícios

• Spray cônico de combustível na câmara de combustão
• Ar injetado ao redor do spray → completa a atomização + mistura
• Orifícios são pequenos → podem entupir → combustível deve ser filtrado
• Uso de alta pressão exige maior consumo de energia
• Usado em pequenos GV

• Fluido auxiliar = ar ou vapor

• Uso de vapor → ↑ custo + pré-aquece o combustível
• Reduz seção de passagem do ar → menor pressão na saída → “puxa” combustível → permite usar menor pressão do combustível → maiores orifícios → menos entupimento

• Rotativo

• Óleo injetado em um copo metálico girando a alta rotação → atomização por força centrífuga
• Pressão do combustível pode ser atmosférica
• ↑ η + ↑ preço + ↓ capacidade = pouco usado
• Rotação acionada pelo eixo do ventilador do ar primário ou por mecanismo na bomba de combustível

1. Fornalha = onde ocorre a combustão

• Combustão deve ser:

•  Contínua → não parar o GV → demora para chegar na condição de operação
• Controlada → proteger o equipamento de combustão (grelha/atomizador)

• Funções:

• Preparar combustível para queima

• Separação de voláteis (sólido) ou atomização (líquido) = “partes menores” → mais leves → facilita combustão
• Evaporação da umidade
• Elevar T até Tcombustão

• Relação ar-combustível (A/C) adequada

• Quantidade
• Turbulência = melhor mistura

• Realizar combustão completa

• Temperatura de saída do GV adequada
• ↓ poluição + ↑ η

• Impedir troca de calor com o ambiente

• Deve possuir superfície isolada/refratária

• Conduzir gases até a superfície de convecção

• Deve ter forma adequada para isso

• Fornalha pressurizada

• p- (maioria)

• possibilita janelas de observação → se abrir, o ar entra em vez da chama sair
• evita superaquecimento localizado

• p+

• ar pressurizado → mais perigoso

1. Câmara de combustão = parte superior da fornalha

• Mantém alta temperatura para que o combustível queime por completo antes do produto chegar na seção de convecção

1. Caldeira de vapor = tubos onde a água torna-se vapor

• Pirotubular = tubo de fogo = flamotubular = tubo de fumaça

• Gases da combustão = fumo atravessam a caldeira no interior de tubos cercados por água
• Baixo custo inicial

• Baixa perda por radiação → a água está em volta dos gases, então é ela quem absorve o calor → ↓ isolamento + ↓ alvenaria
• Pequenos GV

• Baixas pressões (≈ 20 kgf/cm²) → sujeira decanta mais devagar → água de alimentação não precisa de tratamento tão rigoroso
• Fácil manutenção

• Aquecimento lento → panelão de água
• Baixa vazão (≈ 20 ton de vapor/h)
• Não gera vapor superaquecido → precisa de um trocador de calor externo para isso
• Aplicações = processos industriais, motorização de locomotivas e veículos marítimos, hospitais.. → vapor saturado a baixas pressões → limitação de produção e pressão

• Aquotubular = aqua ou aquitubulares = tubo de água

• Água circula do interior dos tubos conectados ao tubulão → se não tiver água, os tubos aquecem demais.
• Circulação dos gases quentes por fora do feixe de tubos por convecção natural ou forçada.
• Altas capacidades (≈800 ton de vapor/h) = alta vazão → feixes de tubos fora do corpo da caldeira → maior superfície de contato para troca de calor → maior rendimento + partida mais rápida
• Altas pressões (≈200 kgf/cm²) : esforços de tração e não de compressão nos tubos → pressão do gás << pressão da água
• Pode produzir vapor superaquecido → Altas temperaturas ( ≈800 °C)
• Precisa de melhor tratamento da água de alimentação → passa dentro dos tubos → incrustações → perda de rendimento
• Paredes refratárias → suportar o calor dos gases
• Alto custo → mais componentes + mais complexo
• Aplicações = industriais, marítimas, centrais térmicas.

Obs. Tubulão superior = separador de líquido e vapor. Nível de líquido na parte inferior vai para os tubulinhos para virar vapor. Vapor na parte superior vai para o ‘consumo’.

Se há mais de um tubulão superior, eles são conectados e o vapor sai apenas por um deles.

Tubulões inferiores são preenchidos apenas com líquido e tem função de sustentação apenas.

• Parede d’água (1° trocador de calor da caldeira)

• 9% superfície da parede do GV x 47 % do calor absorvido
• Tubos d’água aletados colocados na parede refratária na fornalha

• Protegem os refratários das altas temperaturas
• Aumentam a superfície de troca → ↑ capacidade
• Dificultam a manutenção
• Aumentam o custo

• Tubos mais próximos à chama → maior temperatura → dissipam mais calor
• Tubos aletados → maior superfície de troca → dissipa mais calor x tubos com formas simples → menor perda de carga

Obs. Seção ou superfície de convecção = região onde ocorre a troca de calor = feixe de tubos = caldeira = feixe de tubos + parede d’água

...