Máquinas Térmicas

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MÁQUINAS TÉRMICASMÁQUINAS TÉRMICASATAT--101101

Universidade Federal do ParanáUniversidade Federal do ParanáCurso de Engenharia Industrial MadeireiraCurso de Engenharia Industrial Madeireira

M.Sc. Alan Sulato de Andrade M.Sc. Alan Sulato de Andrade

[email protected]@ufpr.br

GERADORES DE VAPOR

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GERADORES DE VAPOR

DEFINIÇÃO:

� Geradores de Vapor (GV’s) podem ser consideradoscomo sendo trocadores de calor complexos queproduzem vapor de água sob pressões superiores aatmosférica a partir da energia de um combustível e deum elemento comburente (Ar).

GERADORES DE VAPOR

DEFINIÇÃO:

� Estes equipamentos, são constituídos por diversosdispositivos associados estando estes perfeitamenteintegrados para permitir a obtenção do maiorrendimento térmico possível. Estes equipamentos sãoconhecidos popularmente como caldeiras de vapor.

Representação esquemática de um GV

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GERADORES DE VAPOR

DEFINIÇÃO:

� Caldeiras de vapor são essencialmente recipientespressurizados no qual a água é introduzida e pelaaplicação continua de energia é evaporada. A águaevaporada é chamada de vapor, consistindo um dosfluídos de trabalho mais empregados na industria.

Água Vapor

Calor

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VAPOR:

� Fisicamente é a água no estado gasoso.

Vapor de água

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VAPOR:

Vapor gerado

Mudança de estado físico

Transferência de energiaEnergia desprendida

pelo combustível

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VAPOR:

� O vapor de água é usado como meio de geração,transporte e utilização de energia desde os primórdiosdo desenvolvimento industrial.Inúmeras razões colaboraram para a geração deenergia através do vapor. A água é o composto maisabundante do planeta e portanto de fácil obtenção ebaixo custo. Na forma de vapor tem alto conteúdo deenergia por unidade de massa e volume.

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UTILIZAÇÃO DO VAPOR:

� Utilizada em grande parte da geração de energiaelétrica, pois utiliza vapor de água como fluído detrabalho em ciclos termodinâmicos, transformando aenergia química de combustíveis fósseis ou nuclearesem energia mecânica, e em seguida, energia elétrica.

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� Geração de energia elétrica.

GV TV

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� Indústrias e diversos processos tem vapor comoprincipal fonte de aquecimento: reatores químicos,trocadores de calor, evaporadores, secadores einúmeros processos e equipamentos térmicos. Mesmooutros setores industriais, como metalúrgico, metal-mecânico, eletrônica, etc., podem-se utilizar de vaporcomo fonte de aquecimentos de diversos processos.

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� Indústrias e diversos processos.

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� Indústrias e diversos processos.

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� Processos dimensionados para a utilização de:

� Vapor saturado,� Vapor superaquecido.

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22,09MPa, 374°C

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VAPOR SATURADO:

� Amplamente utilizado na grande maioria das industriase processos, pois o vapor saturado tem a grandevantagem em manter temperatura constante durante acondensação a pressão constante. A temperatura podevariar entre 130ºC a 350ºC, porém a faixa detemperatura até 170ºC com 8kgf/cm², corresponde agrande maioria de pequenos e médios consumidoresde vapor.

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VAPOR SATURADO:

� Maiores temperaturas são possíveis a custa doaumento da pressão de saturação, o que implica nummaior custo de investimento devido a necessidade deaumento da resistência mecânica e requisitos defabricação e inspeção do gerador de vapor.

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VAPOR SUPERAQUECIDO:

� Utilizado em grandes complexos industriais e nageração de energia elétrica ou mecânica em ciclostermodinâmicos. Vapor superaquecido é aquele quepossui temperatura mais elevada geralmente na faixade 400ºC a 560ºC. Para obtê-lo, é necessário aquecero vapor saturado, mantendo inalterada a sua pressão.

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VAPOR SUPERAQUECIDO:

� O vapor passa a condição de superaquecimentoquando ultrapassa temperaturas de saturação de umadeterminada pressão. O vapor superaquecido é isentode umidade e comporta-se nas tubulações como gás.Na geração do vapor superaquecido a limitação detemperaturas de trabalho fica por conta dos materiaisde construção empregados.

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DESENVOLVIMENTO DOS GV’s:

� O vapor foi a primeira maneira eficiente de produzirenergia independentemente da força muscular dohomem e do animal, e da força do vento e das águascorrentes. Sua invenção e uso foi uma das basestecnológicas da Revolução Industrial. Em sua formamais simples, as máquinas a vapor usam o fato de quea água, quando convertida em vapor se expande eocupa um volume de até 1.600 vezes maior do que ooriginal, quando sob pressão atmosférica.

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� Foi somente no século XVII, mais precisamente em1690, que o físico francês Denis Papin usou esseprincípio para bombear água. Mas, a utilização efetivadessa tecnologia só se iniciou com a invenção deThomas Savery patenteada em 1698 e aperfeiçoadaem 1712 por Thomas Newcomen e John Calley.

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Bomba de água rudimentar que utiliza vapor

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� Em 1711, Newcomen desenvolveu outro equipamentocom a mesma finalidade, aproveitando idéias de Papin,um inventor francês. A caldeira de Newcomen eraapenas um reservatório esférico, com aquecimentodireto no fundo, também conhecida como caldeira deHaycock.

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� James Watt modificou um pouco o formato em 1769,desenhando a caldeira Vagão, a precursora dascaldeiras utilizadas em locomotivas a vapor. Apesar dogrande desenvolvimento que Watt trouxe a utilizaçãodo vapor como força motriz, não acrescentou muito aoprojeto de caldeiras.

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� Todos estes modelos provocaram desastrosasexplosões, devido a utilização de fogo direto e aogrande acúmulo de vapor no recipiente. A ruptura dovaso causava grande liberação de energia na forma deexpansão do vapor contido.

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� Nos finais do século 18 e início do século 19 houveramos primeiros desenvolvimentos da caldeira com tubosde água. O modelo de John Stevens movimentou umbarco a vapor no Rio Hudson.

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� Stephen Wilcox, em 1856, projetou um gerador devapor com tubos inclinados, e da associação comGeorge Babcock tais caldeiras passaram a serproduzidas, com grande sucesso comercial.

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� Em 1880, Stirling desenvolveu uma caldeira de tuboscurvados, cuja concepção básica é ainda hoje utilizadanas grandes caldeiras de tubos de água.

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� Nos últimos anos o desenvolvimento técnico dosgeradores de vapor se deu principalmente no aumentodas pressões e temperaturas de trabalho, norendimento térmico, na utilização dos mais diversoscombustíveis e principalmente em formas de controleautomático dos equipamentos.

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GERADORES DE VAPOR


Monitoramento em tempo real

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CLASSIFICAÇÃO DOS GV’s:

� Fonte de aquecimento:� Elétricas (Eletrodo submerso),� Combustíveis,

� Sólidos (Carvão, Biomassa)� Líquidos (Óleo combustível)� Gasosos (GN e GLP)

� Reatores nucleares.

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� Industrialmente, podemos arbitrar uma classificaçãode geradores de vapor em relação a pressão detrabalho:� Baixa pressão: até 10kgf/cm²� Média pressão: de 11 a 40kgf/cm²� Alta pressão: maior que 40kgf/cm²

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� Quanto a Natureza da aplicação:� Fixas,

� Portáteis,

� Locomóveis (geração de força e energia),

� Marítimas.

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� Quanto a posição dos gases quentes:� Flamotubulares,� Aquatubulares,� Mistas.

� Quanto a posição dos tubos:� Verticais,� Horizontais,� Inclinados.

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CALDEIRAS FLAMOTUBULARES:

� Neste tipo de caldeira, os gases quentes circulam pelointerior de tubos e a água se encontra na parte externaaos tubos.

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� São caldeiras de fácil construção e operação, mastendem a apresentar:

� Baixa produção de vapor – cerca de 10 ton/h e� Baixa pressão de operação – 15kgf/cm² a

20kgf/cm².

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� Podem ser classificadas como:

� Verticais,� Horizontais,

� Geradores de chama direta.� Geradoras de chama de retorno.

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� Verticais.

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� Horizontais, Geradores de chama direta:Os gases percorrem um só sentido até a chaminé.

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� Horizontais, Geradores de chama direta:

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� Horizontais, Geradores de chama de retorno:Os gases percorrem dois ou mais sentidos antes deseguir para a chaminé.

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� Horizontais, Geradores de chama de retorno:

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� Particularidades das flamotubulares:A fornalha deve ser projetada para que a combustãoocorra totalmente em seu interior, pois o contato dachama com partes metálicas pode danificar a caldeira.

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� Particularidades das flamotubulares:Preferencialmente se utiliza combustíveis líquidos ougasosos nessas caldeiras, pois é difícil a instalação degrelhas nesse tipo de caldeira.Recomendado para situações onde há variação dademanda de vapor.

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� Vantagens e desvantagens das caldeirasflamotubulares.As principais vantagens das caldeiras deste tipo são:� custo de aquisição mais baixo;� exigem pouca alvenaria;� atendem bem a aumentos instantâneos de

demanda de vapor.

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� Vantagens e desvantagens das caldeirasflamotubulares.Como desvantagens, apresentam:� baixo rendimento térmico;� limitação de pressão de operação� baixa taxa de vaporização (kg de vapor / m² . hora);� dificuldades para instalação de economizador,

superaquecedor e pré-aquecedor.

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CALDEIRAS AQUATUBULARES:

� Neste tipo de caldeira, os gases quentes circulam pelaparte externa dos tubos e a água se encontra na parteinterna dos mesmos, dispostos na forma de paredesd’água ou de feixes tubulares.

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� São caldeiras mais difíceis de serem construídas enecessitam de maior controle na operação. Suascaracterísticas operacionais são: Alta produção devapor, chegando a 750ton/h – normalmente entre 15 e150ton/h e alta pressão de operação, normalmenteentre 90kgf/cm² a 100kgf/cm².

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� A produção de vapor ocorre nos tubos que interligamdois (paredes de água) ou mais reservatórioscilíndricos, chamados coletores ou tubulões:

� Tubulão superior – onde ocorre a separação dafase líquida e do vapor;

� Tubulão inferior – onde é feita a adição de água edecantação e purga do material sólido e emsuspensão;

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TubulãoSuperior

TubulãoInferior

Entradade Água

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� A circulação de água entre o tubulão superior e inferiorpode ser por:

� Convecção natural: Quando a diferença dedensidade faz com que a água circule entre ostubulões;

� Circulação assistida: Quando se utiliza uma bombapara circular o líquido entre os tubulões;

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� Convecção natural:

� Circulação assistida:

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� A circulação da água nas caldeiras ocorre pordiferenças de densidade, provocada pelo aquecimentoda água e vaporização, ou seja circulação natural. Sea circulação for deficiente, poderá ocorrer umsuperaquecimento localizado, com conseqüenteruptura dos tubos.

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� Algumas caldeiras com circulação positiva podemapresentar bombas externas, dependendo da vazãoexigida, ou seja, da demanda de vapor para forçar acirculação de água ou vapor, independentemente dacirculação natural,isto é, por diferença de densidade.

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� Há duas seções distintas de transferência de calornesse tipo de caldeira:� Seção de radiação: A troca de calor ocorre por

radiação direta da chama aos tubos de água, osquais geralmente delimitam a câmara decombustão.

� Seção de convecção: A troca de calor se dá porconvecção forçada, dos gases quentes que saíramda câmara de combustão atravessando um bancode tubos de água.

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� Paredes de água� Totalmente integrais: Quando um tubo esta

encostado no outro formando uma paredeimpermeável aos gases;

� Tubos aletados: Quando há aletas soldadas nostubos, interligando um tubo ao outro;

� Tubos espaçados e parede refratária: O calor quenão atinge diretamente o tubo é re-irradiado pelorevestimento refratário;

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� Paredes de água� Totalmente integrais:

� Tubos aletados:

� Tubos espaçados e parede refratária:

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GERADORES DE VAPOR


� Particularidades das aquatubulares:Não existe preferência ao se utilizar combustíveis.Recomendado para situações onde há grandedemanda de vapor.

GERADORES DE VAPOR


� Vantagens e desvantagens das caldeirasflamotubulares.Como vantagens, apresentam:� alto rendimento térmico;� altas pressões de operação;� relativa facilidade de inspeção;� relativa facilidade para instalação de economizador,

superaquecedor e pré-aquecedor.

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GERADORES DE VAPOR


� Vantagens e desvantagens das caldeirasaquatubulares.As principais desvantagens das caldeiras deste tiposão:� custo de aquisição alto;� custo de manutenção alto;� exigem muita alvenaria;� demorada a partida e a parada do equipamento.

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CALDEIRAS MISTAS

� A necessidade de utilização de combustíveis sólidospara caldeiras pequenas fez surgir as caldeiras mistas.Basicamente são caldeiras flamotubulares com umaantecâmara de combustão com paredes revestidas detubos de água. Na antecâmara se dá a combustão desólidos usando grelhas de diversos tipos epossibilitando o volume de câmara necessários aoscombustíveis sólidos, como: lenha em toras, cavacos,etc,

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CALDEIRAS MISTAS:

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CALDEIRAS MISTAS:

� Não possuem todas as vantagens da aquatubular,como: segurança, maior eficiência térmica, etc. É umasolução prática e eficiente quando se temdisponibilidade de combustível sólido a baixo custo.Podem usar combustível líquido ou gasoso, comqueimador apropriado.

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CALDEIRAS MISTAS:

� Equipamentos que apresenta relativa facilidade naconstrução e operação, apresentam:

� Média produção de vapor – cerca de 3 até 25 ton/h.� Pressão de operação – 15kgf/cm² a 30kgf/cm².

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PONTOS COMPLEMENTARES.NÃO DISCUTIDOS EM AULA.

� PRINCIPAIS FABRICANTES DE EQUIPAMENTOS.

� VALOR DO INVESTIMENTO PARA AQUISIÇÃO.

� PRINCIPAIS COMBUSTIVEIS UTILIZADOS.

� CONSULTAR EMPRESAS MADEIREIRAS.

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