SENSORES E TRANSDUTORES

Ar de combusto: pr-aquecimento; medio e controle de vazo

INDICE

INDICE DE FIGURAS

INTRODUO Em muitas situaes na indstria e, at mesmo, em nossas residncias, encontram-se situaes onde ocorre o processo de combusto: Aquecimento central de gua residencial; Produo de vapor dgua industrial; Aquecimentos diversos na indstria; Queima de resduos industrias e outros. Processos de combusto requerem suprimentos de combustveis, de ar atmosfrico, e de operaes de condicionamento destes suprimentos. Outro aspecto importante do processo de combusto o seu controle. Controlar o processo de combusto estabelecer meios para que as etapas e operaes sejam seguidas. O controle pode ser simples, com aes pr-ajustadas de forma discreta, liga/desliga, conforme a necessidade, ou de forma analgica, em que sensores especficos so instalados e fornecem continuamente dados para o controle central, de onde saem os ajustes para aumento ou reduo nas alimentaes e condicionamento dos suprimentos Encontram-se, em muitos casos, sistemas de controle mistos em processos sem interrupo, porm com caractersticas digital e analgica, ocorrendo operao em rampa (elevao ou reduo dos set points gradualmente) pr-ajustados para atenderem a produo desejada

Ar de combusto: pr-aquecimento; medio e controle de vazoProcesso de combusto Para que as operaes apresentem os resultados esperados, o condicionamento dos suprimentos, devero seguir rigorosamente as especificaes do projeto. Dentre os condicionamentos com suas vantagens, pode-se citar: - ajustar a temperatura do leo (combustvel) e do ar (comburente) otimiza o processo; - a purga da caldeira previne acidentes; - a desaerao da gua de alimentao evita corroso nos equipamentos; - a ignio da chama piloto autoriza a caldeira a entrar em operao; - o acendimento da chama principal permite caldeira entrar em regime normal de operao. Para que o controle de combusto de uma caldeira funcione adequadamente, indispensvel dispor-se de uma maneira confivel e repetitiva de se medir e controlar a vazo do ar de combusto. Para a malha de controle de combusto, a repetitividade mais importante que a preciso da medio da vazo. Pr-aquecedor de ar O pr-aquecedor de ar um equipamento (trocador de calor) que eleva a temperatura do ar antes que este entre na fornalha. O calor cedido pelos gases residuais quentes ou pelo vapor da prpria caldeira.

Pr Aquecedor de gua e Ar Os pr aquecedores tem a funo de elevar a temparatura do ar ou da gua com a finalidade de economizar tempo e combustvel em processos. O pr aquecedor de gua em caldeira por exemplo: no ambiente a temperatura da gua em mdia fica entre 20 ~ 22, o pr aquecedor instalado aproveitando os gases da chamin que est por volta 170 ~ 200, pode elevar a temperatura da gua ambiente para aproximadamente 70 ~ 80, bem prximo do ponto de vapor (100). Estudos demonstram que para 10 em que se eleva a temperatura de entrada da gua em caldeiras ocore uma economia aproximada de 1% de combustvel. Os pr aquecedores de ar tem funo similar, ao se aquecer o ar de combusto ocorre uma melhor queima do combustvel o que resulta em mais economia. A instalao desses equipamentos oferece a vantagem de melhorar a eficincia da caldeira pelo aumento da temperatura de equilbrio na cmara de combusto. Pelo aumento de temperatura dos gases, a montagem da fornalha exige tijolos refratrios fabricados com materiais de melhor qualidade. A existncia de praquecedores causa um aumento na perda de carga no circuito ar/gs de combusto, exigindo maior consumo de energia no acionamento dos ventiladores. De acordo com o princpio de funcionamento, os pr-aquecedores de ar podem se classificar em: pr-aquecedor regenerativo e pr-aquecedor tipo colmeia. Nos pr-aquecedores regenerativos, o calor dos gases de combusto transferido indiretamente para o ar, atravs de um elemento de armazenagem, por onde passa o ar e o gs de combusto, alternadamente. O pr-aquecedor regenerativo tipo Ljungstron constitudo de placas de ao finas e corrugadas que so aquecidas quando da passagem dos gases de combusto e resfriadas quando da passagem do ar. Seu formato assemelha-se a uma roda gigante, girando lenta e uniformemente.

No pr-aquecedor tipo colmeia, os gases quentes, ao passarem pela colmeia refratria, trocam o calor com o ar frio que vai para a combusto. Alguns tipos de caldeiras fazem o pr-aquecimento do ar, utilizando-se do prprio vapor gerado. Este equipamento denominado pr-aquecedor de ar a vapor. CONTROLE DA VAZO A importncia da vazo do ar de combusto tem crescido medida que os projetos das caldeiras evoluram e os sistemas de controle se tornaram sofisticados, de forma a satisfazerem a demanda das modernas plantas industriais e a absorverem variaes de carga maiores e mais frequentes. Da mesma forma, a utilizao de pr-aquecedor de ar e outros sistemas de recuperao de calor, de vrios queirmadores trabalhando simultaneamente, de queima simultnea de vrios combustiveis, etc, tambm aumenta a importncia da medio desta varivel. Apesar da importncia desta virivel e da necessidade de se dispor de uma medida reprentativa e repetitiva desta vazo, de forma que o controle de combusto possa funcionar adquadamente, so frequentes os casos em que no se prev ou se prev medies inadequadas da vazo do ar de combusto. Geralmente, a constatao deste fato ocorre durante a partida da caldeira e,em funo da exiguidade do tempo disponvel para partida do equipamento, so providenciadas medies provisrias (com precises inadequadas),que acabam se tornando definitivas, e passam a comprometer toda a operao da caldeira. GENERALIDADES A vazo do ar pode ser medida no lado do gs ou no lado do ar de combusto. A medio no lado do gs tem sido utilizada em caldeiras de construo simples, onde as perdas de tiragem no variam com a limpeza; o poder calorfico do combustvel

relativamente uniforme e o ajuste do excesso de ar no rigoroso. Este tipo de medio apresenta como principal vantagem a facilidade em se fazer a medio da vazo do ar de combusto, sem necessidade de potncia adicional de ventilao, pois utiliza as perdas de tiragem existentes nas peas da prpria caldeira. Suas desvantagens decorrerm da corrosividade dos gases da combusto, da existncia de cinzas nestes gases e das variaes que ocorrem no diferencial medido quando ocorrem variaes no combustivel, temperatura e limpeza da caldeira. A medio no lado do ar de combusto tem sido utilizada em caldeiras de construo mais complexa e/ou que exijam controle de combusto cuidadoso. Este tipo de medio apresenta, como principal vantagem, o fato da vazo ser medida no lado em que o ar de combusto est limpo. As desvantagens deste tipo de medio decorrem da necessidade de trechos adicionais de duto de ar e da perda de carga introduzida pelos elementos primrios normalmente utilizados. Independente do tipo, posio e forma de sistema de medio de vazo de ar de combusto utilizado, o diferencial desenvolvido de ve ser repetitivo, linearizado, e ter amplitude suficiente para permitir um bom controle de combusto. A amplitude mnima deste diferencial depender, basicamente, da sensibilidade exigida do sistema de controle da caldeira(capacidade mxima de caldeira/carga mnima controlada). Usualmente, a posio mais adequada para se medir a vazo do ar de combusto est entre o pr-aquecedor e a caixa de ar(ou grelha). Mditos de medio A figura XX mosta os mtodos de medio da vazo do ar de combusto normalmente utilizados e suas respectivas localizaes Estes mtodos de medio apresentam caractersticas, detalhes de instalao, custos,diferencial mximo, perda de carga permanente,etc, que devero ser cuidadosamente analisados quando da escolha do sistema a ser utilizado na medio da vazo do ar de combusto. Os fatores bsicos dos mtodos de medio mostrados na figura XX so citados a seguir: FIG.XX Suco do ventilador de tiragem foraada (A) Por necessidade e buscando mtodos mais eficientes de se medir a vazo do ar, foram te3stados diversos dispositivos instalados na entrada do ventilador de tiragem forada. Em ventiladores de entrada simples, tem-se obtido bons resultados medindo-se o diferencial em um orificio colocado num duto instalado na entrada do ventilador. A instalao de um tubo Pitot, ou um tubo perfurado ao longo da entrada do ventilador, tambm tem sido utilizada. Neste tipo de instalao, o diferencial medido depender da velocidade do ar entrando no ventilador;em algumas aplicaes, pode ser necessria a instalao de uma chapa metlica de forma a aumentar este diferencial. Diferencial atravs do pr-aquecedor de ar (B) No lado do ar de combusto, o pr-aquecedor de ar o nico dispositivo em que se pode fazer a medio da vazo do ar de combusto, sem necessidade de potncia dicional de ventilao. Este tipo de medio s ser aplicvel em pr-aquecedor do tipo tubular, no sendo aplicvel no tipo rotativo (Ljungstron). A utilizao deste mtido s ser vivel quando este diferencial for superior a uma polegada de gua. Neste mtodo, o fierencial ser afetado por vazamentos de ar e pela limpeza do praquecedor.

Diferencial atravs de elementos primrios inseridos no duto de ar (C ) Conforme citado anteriormente, a posio e forma usualmente adequadas para se medir a vazo do ar de combusto a medio do diferencial atravs de elementos primrios instalados no duto de ar, entre o pr-aquecedor e a caixa de ar (ou grelha). Os elementos primrios inseridos no duto de ar tm como funo bsica cirar um diferencial de presso (P), que possa ser relacionado vazo do ar de combusto(Q). Nos casos tratados neste item, a equao que relaciona estas duas variveis do tipo Q = K . Neste caso, o valor do coeficiente K inclui parmetros prprios do P elemento primrio, da configurao fsica da instalao e das caractersticas do fludo medido. Geralmente, a instalao de elementos primrios nesta posio dificultada pela compacidade com que os dutos so normalmente fabricados, pela adio de trechos retos de duto necessrios ao adequado funcionamento dos elementos primrios, pela perda de carga introduzida no fluxo de ar e pelos custos adicionais gerados por estes fatores. A figura XI mostra os elementos primrios usualmente utilizados neste tipo de aplicao. As caractersticas bsicas de cada um destes elementos primrios so descritas a seguir. importante ressaltar que a escolha do elemento primrio no dever ser funo exclusiva de seu custo pois, alguns elementos primrios que apresentam baixa perda de carga residual, permitem economias de at 5% de potncia no ventilador de tiragem forada. Orifcio (C.1) Apesar de alta perda de carga residual (aproximadamente 50% do diferencial mximo), da turbulncia gerada e da necessidade de trechos retos de duto, os oriifcios so largamente utilizados em aplicaes industriais de medio de va~zo. Isto se justifica, pois, alm da simplicidade, facilidade de dimensionamento e custo relativamente baixo, este tipo de elemento primrio robusto, de fcil fabricao e instalao. No caso de medio de vazo do ar de combusto em caldeiras, normalmente se utiliza segmento de orificio. Neste caso, o segmento ser instalado preferencialmente na parte superior do duto, pois nesta posio as tomadas de impulso so autodrenveis. Bocal (C.2) Em termos de custo em vrios outros aspectos, o bocal um elemento primrio intermedirio entre o orificio e o venturi. Existem diversas maneiras de se contruir um bocal; em todos os tipos, a aerodinmica da entrada do bocal gera um aumento na velocidade do ar em sua garganta. A perda de carga residual gerada por este tipo de elemento primrio ligeiramente menor que a gerada por um orificio, enquanto que a necessidade de trecho reto de duto semelhante. Por isto, este tipo de elemento primrio muito pouco utilizado em medio de vazo do ar de combusto de caldeiras. Conforme mostrado na fig.XI, em aplicaes de medio de va~zao de ar tambm utilizado meio bocal ou mesmo, mediaante projeto e testes adequados, possvel adaptar-se este tipo de elemento em uma curva, reduzindo assim a necessidade de trecho, reto de duto.

Venturi (C.3)

Apesar de seu comprimento e do trecho reto de duto necessrio para seu correto funcionamento, este tipo de elemento primrio bastante utilizado na medio de vazo do ar de combusto em caldeiras, pois a perda de carga resicual gerada por este dispositivo de apenas 25% do diferencial mximo. O comprimento do venturi e o trecho reto de duto podem ser reduzidos proporcionamento ao nmero de multiventuris utilizdos. Cabe ressaltar que, independente do nmero de multiventuris utilizdos, o trecho reto de duto necessrio nunca ser menor que um dimetro, pois tem-se que obter uma mdia nas conexes de presso. O venturi excntrico mostrado na Fig.XI fabricado da mesma forma que o venturi simtrico. Este elemento primrio alm de ter custo de construo mais baixo, mediante projeto e testes adequados poder ser instlado em uma curva, reduzindo assim a necessidade de trecho reto de duto. Aeroflio (C.4) Apesar do alto custo, este tipo de elemento primrio bastante utilizado na medio de va~zo do ar de combusto em caldeiras, pois a perda de carga residual gerada por este dispositivo de apenas 20% do diferencial mximo, seu comprimento corresponde a cerca da metade de um venturi e o comprimento total de trecho reto de duto necessrio de cerca de dois dimetros. De modo similar ao venturi, o uso de multiflios permite reduzir o trecho reto de duto requerido. Devido ao seu formato aerodinmico, este tipo de elemento primrio requer menor potncia de ventilao e trehco reto de duto. O projeto especial de aeroflio, utilizando asas secundrias ou auliares, mostrado na Fig.XI, permite desenvolver diferencais maiores que o gerado por um aeroflio padro. Terocicamente, as asas secundrias criam um fludo de ar de alta velocidade prximo superficie da asa maior, que produz ganho em diferencial, sem necessidade de aumento de potncia de ventilao. Os aeroflios duplos ou triplos, mostrados na Fig.XI, tm sido uma opo bastante utilizada atualmente em aplicaes de medio de vazo de ar de combusto em caldeiras, com resultados bastante positivos. Pitot (C.5) Este tipo de elemento primrio de custo relativamente baixo e no gera perda de carga residual. Sua aplicao bastante limitada nos casos de medio de vazo do ar de combusto em caldeiras, pois o diferencial gerado baixo e tem-se grande dificuldade em conseguir uma posio que produza leitura adequada para todas as vazes. O tupo de impacto ou de medies mltiplas mostrado na Fig.XI, alm de estar menos sujeito s variaes de velocidade, pois utiliza mdia das leituras, tambm gera dierenciais 50% superiores aos gerados pelo Pitot converncional. Pitot venturi ou microventuri (C.6) Este tipo de elemento primrio, embora semelhante ao Pitot convencional, permite obter-se diferenciais 5 a 10 vezes superiores queles obtidos com o Pitot.

Neste caso, como no caso do Pitot, a perda de carga residual desprezvel, tem-se facilidade de instalao e custo de fabricao relativamente baixo. Neste tipo de elemento primrio, pode-se selecionar o dimetro da garganta do microventuri de forma a se obter o diferencial desejado. O microventuri deve ser posisionado no ponto que representa a velocidade mdia do duto. Diferencial entre caixa de ar e cmara de combusto (D). Este mtido de medio, tambm chamado de queda no queimador, tem sido utilizado satisfatoriamente em caldeiras de queimador nico, quemando gs ou leo e em aplicaes onde os registro so mantidos em uma posio fixa. Neste mtodo, caso ocorram variaes no nmero de queimadores ou na posio dos registros, os diferenciais gerados sero alterados e haver necessidade de se fazer levantamento completo da nova curva de medio da vazo do ar de combusto. Diferencial atravs da caldeira (E) Este mtido de medio utiliza a caldeira como um orificio fixo e s poder ser utilizado em caldeiras que queimam um nico combustvel. Embora este tipo de medio fornea diferenciais suficientes para fins de controle, o diferencial gerado variar quando ocorrerem variaes no combustvel, temperatura e limpeza da caldeira. Assim,este mtido s dever ser utilizado se no for possvel outro tipo de medio. Controle de vazo A vazo de ar de um ventilador pode ser controlada alterando-se a rotao do ventilador ou, no caso de ventilador que opera com velocidade constante, alterando-se uma das caractersticas do sistema de ventilao. Os sistemas de ventilao que peram com velocidade constante geralmente so baratos e simples, embora tendam a ser menos eficientes, mais ruidosos e ter menor vida til que os sistemas que operam com velocidade varivel. Os sistemas com veloicade constante tm sido os mais utilizados em caldeiras. Neste caso, a vazo de ar pode ser controlada atravs de dampers localizados na sada ou na entrada do ventilador (fig. XII). Os damper de sada atua no ar de combusto, aps sua passagem pelo ventilador, aumentando a resist|ncia do sistema. Como resultado desta atuao, ocorre um deslocamento do ponto de operao do ventilador ao longo de sua curva caracterstica, fazendo com que o ventilador opere com maior presso e haja menor volume de ar em sua sada. O damper de entrada atua no ar de combusto antes de sua passagem pelo ventilador, fazendo uma rotao neste ar, na mesma direao da rotao do ventilador. A adio desta rotao afeta a caracterstica do sistema de forma semelhante s aplicaes em que se varia a velocidade de rotao do ventilador. Como resultado desta atuao, temse uma diminuio no volume de ar na sada do ventilador. Embora o damper de sada seja mais barato que o damper de entrada, o damper de entrada mais adequado para aplicaes que tenham grandes variaes de capacidade e de manuteno mais fcil.

Os dampers de entrada e de sada podem ser utilizdos em conjunto, como forma de se obeter melhores caracersticas de controle.

MTODOS USUAIS DE MEDIO DA VAZO DO AR DE COMBUSTO

ELEMENTOS PRIMRIOS DE VAZO

DAMPERS DE CONTROLE DE VAZO DE AR

RESUMOSMEDIO VAZO DO AR DE COMBUSTO (generalidades)Local Aplicao Caldeiras de construo simples: - perdas no variam com a limpeza -poder calorfico do combustvel relativamente uniforme -ajuste do excesso de ar no rigoroso Caldeiras de Construo mais complexa e/ou que exijam controle de combusto cuidadoso. Vantagem Facilidade em se fazer a medio sem necessidade de potncia adicional de ventilao (utiliza as perdas de tiragem existentes nas peas da prpria caldeira) Desvantagem - corrosividade dos gases da combusto - existencia de cinzas nestes gases - variaes que ocorrem no diferencial medido qdo ocorrem variaes no combustvel, temperatura e limpeza da caldeira. - necessidade de trechos adicionais de duto de ar - perda de carga introduzida pelo s elementos primrios normalmente utilizados.

Lado do gs

- lado em que o ar de combusto est limpo.

Lado do ar de combusto

ELEMENTOS PRIMRIOS (inseridos no duto de ar)Tipo Instalao - normalmente se utiliza segmento de orificio. Instalado preferencialmente na parte superior do duto, pois nesta posio as tomadas de impulso so autodrenveis. Vantagem - Largamente utilizados * simplicidade * facilidade de dimensionamento * custo relativamente baixo * robusto * fcil fabricao e instalao Desvantagem - perda de carga residual (apriximadamente 50% do diferencial mximo), da turbulncia gerada e da necessidade de trechos retos de tuo.

Orifcio

- tambm utilizado meio bocal ou adapt-lo em uma curva,reduzindo a necessidade de trecho reto de duto. Bocal

- CUSTO: intermedirio entre o orificio e o venturi. - aumento na velocidade do ar em sua garganta.

- perda de carga residual ligeiramente menor que a gerada por um orificio.

- pode ser instalado em uma curva (conf.projeto e testes), reduzindo a necessidade de trecho reto de duto. Venturi

- bastante utilizado - comprimento do venturi e o trecho reto de duto podem ser reduzidos. - custo de construo mais baixo

- perda de carga residual gerada pe de 25% (bx perda), do diferencial mximo

-comprimento total de trecho reto de duto necessrio de cerca de dois dimetros. Aeroflio

- bastante utilizado - comprimeito corresponde a cerca da metade de um venturi. - uso de multiflios permite reduzir o trecho reto de duto requerido.

- alto custo - perda de carga residual gerada de 20% do diferencial mximo.

ELEMENTOS PRIMRIOS (inseridos no duto de ar)Tipo Instalao Vantagem - Custo relativamente baixo - no gera perda de carga residual (desprezvel) Desvantagem - aplicao bastante limitada (diferencial gerado baixo e grande dificuldade em conseguir uma posio que produza leitura adequada) - o tubo de impacto ou de medies multiplas gera diferenciais 50% superiores aos gerados pelo Pitot convencional

Pitot

Pitot venturi ou microventuri

- facilidade de instalao - deve ser posicionado no ponto que representa a velocidade mdia do duto.

- permite obter-se diferenciais 5 a 10 vezes superiores aqueles obtidos com o Pitot. - perda de carga desprezvel - custo baixo - pode-se selecionar o dimetro da garganta do microventuri de forma a se obter o diferencial desejado.

BIOGRAFIA Caldeiras - Instrumentao e Controle Egidio Alberto Bega. Editora Tcnica Site de estudos tecnologias da Unisinos.