Caldeira s

CALDEIRAS E PRODUÇÃO DE VAPOR

Introdução:

O equipamento que produz vapor d’água é a caldeira de vapor. Desde a

sua primeira concepção, as caldeiras foram sofrendo modificações ao longo do

tempo, tanto por razões de segurança humana e patrimonial, quanto de

eficiência e aumento de potência.

TIPOS DE CALDEIRAS MAIS USADAS: 1. Caldeira Flamo-Tubular:

As primeiras caldeiras tinham uma concepção que designamos flamo-

tubular (ou fogo-tubular), constituídas por um feixe tubular imerso num grande

balão.

Dentro dos tubos passam os gases de queima da fornalha e a água

preenche todo o balão. O desenho abaixo apresenta esquematicamente uma

caldeira flamo-tubular:

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Esse tipo de caldeira apresenta dois grandes inconvenientes com relação

à segurança:

a) A quantidade d’água armazenada no balão é enorme, de modo que

qualquer vazamento provoca a expansão rápida de uma grande

quantidade d’água, que passa do estado líquido para vapor,

transformando-se numa verdadeira bomba. Para se ter uma idéia do

risco, num vazamento para a atmosfera do balão de uma caldeira de

vapor saturado a 10bar o aumento de volume é de 1.539 vezes;

b) As paredes da caldeira são as paredes do próprio balão, agravando ainda

mais o risco de explosão.

2. Caldeira Aqua-Tubular:

Hoje em dia quase a totalidade das caldeiras são de concepção aqua-

tubular.

São dois pequenos balões d’água (posicionados em alturas diferentes,

para favorecer a convecção natural) interligados por um feixe tubular. Por fora

do feixe passam os gases de queima da fornalha, percorrendo um caminho

tortuoso dentro de uma câmara fechada, que é a área de troca de calor da

caldeira. Devido à pequena quantidade d’água dentro da caldeira, e pelo fato de

haver uma parede exterior entre a fornalha e o meio ambiente, a segurança

nessas caldeiras é consideravelmente maior.

Falarei apenas das caldeiras aqua-tubulares modernas. O desenho

abaixo apresenta esquematicamente uma caldeira aqua-tubular:



3. Detalhes Construtivos:

Os principais elementos constitutivos de uma caldeira são:

(1) Balão Superior = É por onde sai todo o vapor produzido na caldeira;

(2) Balão Inferior = Este balão, mantém o nível d’água na caldeira,

funcionando num sistema de vasos comunicantes com o balão superior;

(3) Feixe Tubular = Interliga os balões superiores e inferior, e constitui a

principal região de troca de calor na caldeira;

(4) Superaquecedor = Quando o vapor a ser produzido é do tipo

superaquecido, ou seja, com temperatura superior à do vapor saturado, a



caldeira é dotada de um dispositivo chamado superaquecedor. Trata-se

de um segundo trocador de calor, que faz o vapor produzido no balão,

após passar pela válvula controladora de pressão, ser re-introduzido na

Câmara de troca de Calor. O vapor recebe mais calor e aumenta sua

entalpia, elevando sua temperatura acima da temperatura de saturação,

aumentando sua energia interna na forma de energia cinética;

(5) Combustor (Queimador) = O combustor, ou queimador é o elemento

onde a combustão se dá, liberando gases quentes para a fornalha da

caldeira;

(6) Fornalha = Recebe a chama propriamente dita, direcionando-a para a

câmara de troca de calor. É revestida de um material refratário especial,

capaz de suportar as altas temperaturas geradas na combustão, além

resistir ao desgaste provocado pela chama, que é bastante abrasiva;

(7) Câmara de Troca de Calor = É o compartimento que contém o feixe

tubular e os dois balões;

(8) Chicanes = Para melhorar a eficiência da caldeira, uma série de chicanes

(placas que orientam o fluxo dos gases dentro da câmara) formam um

labirinto, aumentando o tempo de permanência dos gases dentro da

caldeira;

(9) Cortina D’água = Para minimizar as perdas por troca de calor e radiação

nas paredes da caldeira, as mesmas são revestidas internamente por um

conjunto de tubos - soldados em placas metálicas - vasos comunicantes

com os balões d’água. Assim, toda a água da caldeira circula por esta



“cortina”,absorvendo calor dos gases quentes, diminuindo o gradiente de

temperatura entre as paredes e o meio ambiente, reduzindo

drasticamente essas perdas;

(10) Chaminé = Pela chaminé saem os gases queimados para a

atmosfera, depois de terem trocado calor com o feixe tubular na câmara

de troca da caldeira.

4. Dispositivos Auxiliares:

Alguns dispositivos auxiliares são necessários para se produzir vapor de

forma eficiente e controlada. Os principais são:

(11) Válvula Controladora de Pressão = Localizada na saída do balão

superior. Tem como função só permitir o fluxo de vapor depois de atingido

um certo valor de pressão na linha;

(12) Válvula de Alívio de Pressão (Válvula de Segurança) = Tem

como função liberar a passagem do vapor para a atmosfera, provocando

um rápido alívio de pressão na caldeira. É ajustada para um valor

superior à pressão nominal da caldeira, e inferior à máxima pressão

suportável;

(13) Ventilador de Ar de Combustão = Para garantir uma boa queima,

é preciso introduzir na fornalha a quantidade de ar suficiente para prover

o oxigênio necessário à combustão. A pressão positiva que o ventilador

cria dentro da caldeira aumenta o coeficiente de troca de calor entre os

gases queimados e o feixe tubular, na razão da quarta potência do



aumento de pressão na câmara, tornando a caldeira sensivelmente mais

eficiente.

(14) Controle de Combustão = É o conjunto formado pelo controlador

de malhas, que regula a qualidade da combustão, e os atuadores para

regulagem das vazões de combustível e ar;

(15) Instrumentação = É o conjunto formado pelos sensores de

pressão, temperatura, vazão, oxigênio livre, CO, CO2, nível, presença de

chama, etc, necessários à segurança (operação segura) e às malhas de

controle de combustão e nível d’água da caldeira, bem como para

informar ao operador os valores atuais de produção (pressão,

temperatura, vazão de vapor e consumo da caldeira);

(16) Bomba D’água = É responsável pela alimentação d’água na

caldeira. Injeta dentro do balão superior água pressurizada, fechando o

ciclo de águas da caldeira. Opera em conjunto com o controlador de nível,

de modo a manter o mesmo dentro dos valores nominais e de operação

segura;

(17) Controle de Nível = É o conjunto do controlador e do atuador,

responsáveis pela regulação do nível d’água nos balões. Opera em

conjunto com a bomba d’água, de modo a manter o nível dentro dos

valores nominais e de operação segura. Vale ressaltar que uma falta

d’água provoca um superaquecimento destrutivo no feixe tubular,

podendo provocar vazamentos internos e a conseqüente explosão da



caldeira. Deve ser dada extrema importância ao controle de nível e à

alimentação d’água da caldeira, sendo este o seu ponto mais crítico.

5. Elementos de Linha:

Alguns dispositivos auxiliares são necessários para se utilizar o vapor no

processo. Os principais são:

(18) Válvula Reguladora de Pressão = Instalada na linha de vapor,

tem como função regular a pressão num valor ligeiramente inferior ao

nominal da caldeira, de modo a tornar a linha de vapor mais imune às

flutuações;

(19) Dessuperaquecedor = Instalado na linha de entrada do processo,

tem como função rebaixar a entalpia do vapor superaquecido, levando-o

até o ponto de vapor saturado, ideal para utilização nos trocadores de

calor que aproveitam o calor latente de liquefação para realizar a troca

térmica;

(20) Desaerador = A água de complementação (make-up), assim como

o vapor condensado e recuperado, possui uma certa quantidade de ar

dissolvido. Esse ar contém oxigênio, que pode corroer as paredes

internas das tubulações, e da própria caldeira. Para evitar que este ar

circule dentro do sistema, instala-se um desaerador, na linha da água de

alimentação da caldeira, que nada mais é que um tanque pressurizado

aquecido até o ponto de retirar as micro-bolhas dissolvidas, através de

uma válvula de alívio de pressão. A temperatura não chega no ponto de

evaporação da água;



(21) Purgador = À medida que o vapor trafega pela linha, sofre perdas

térmicas. A redução de entalpia provoca a condensação de parte do

vapor. Caso esta água condensada que se acumula na tubulação

evapore, o aumento de volume provocará um choque mecânico em toda

a linha. É o que chamamos de choque térmico, que vem acompanhado

de um ruído característico, como de uma forte pancada. Para retirar esta

água da linha de vapor, instala-se um dispositivo chamado purgador.

Trata-se de um tubo com uma válvula embaixo, acionada pelo peso da

coluna d’água. Abertura da mesma “purga” o condensado da linha.

O esquema abaixo ilustra uma típica instalação de vapor para

aquecimento de processo:



6. Balanço Energético de Massas:

Para calcular as quantidades de vapor e água envolvidos no sistema,

devemos fazer um balanço energético e um balanço de massas.

Tomemos o exemplo da figura acima (caldeira). Seja:

Para reduzir o número de variáveis, simplificando os cálculos,

consideraremos que a água de complementação e o condensado purgado na

linha são nulos.

Como não ocorre reação nuclear dentro do sistema, há conservação de

massa:

Considerando que a linha é adiabática, pela conservação de energia:

Conhecendo a quantidade de vapor consumida no processo mV2 , as

entalpias

do vapor e e da água no dessuperaquecedor , e

combinando as duas expressões, teremos:



Conhecido o valor de :

7. Combustão e Combustíveis:

A combustão é uma reação química de oxidação, ou seja, na qual um

determinado composto reage com o oxigênio formando um óxido, liberando

energia da ligação química em forma de calor (reação exotérmica).

Os principais elementos combustíveis são: hidrogênio (H), carbono (C), e

enxofre (S). Os compostos químicos que contém esses elementos são

geralmente bons combustíveis, ou seja, liberam grande quantidade de calor na

reação de oxidação.

A queima do enxofre libera um gás nocivo e ácido, SO2, conhecido como

gás sulfídrico, primeira etapa para a formação de ácido sulfúrico, sulfídrico, e

sulfuroso. Por isso ele não terá importância em nosso estudo, a não ser a sua



ausência no combustível, que o classifica como tanto mais limpo quanto menor

for seu teor de enxofre.

8. Queima Estequiométrica:

É a reação de combustão realizada em equilíbrio de massas, ou seja, a

quantidade exata de oxigênio para realizar a queima completa de determinada

quantidade de combustível. Vejamos a equação estequiométrica da queima do

carbono:

Cada átomo de carbono (C) necessita de uma molécula de oxigênio (O2)

para uma queima completa (CO2), e libera uma determinada quantidade de

calor. Se a queima for incompleta, forma-se monóxido de carbono (CO), e a

quantidade de energia calorífica liberada é consideravelmente menor que aquela

da queima completa.

O peso atômico do carbono é aproximadamente 12g/mol, e o do oxigênio

aproximadamente 16g/mol, o que nos dá os seguintes pesos moleculares:

Isto significa que, de toda a quantidade de CO2 formado, 12/44 = 27,27%,

são de carbono; e 32/44 = 72,73%, são de oxigênio. O que nos diz que, para

queimar 1kg de C, deveremos ter 72,73/27,27 = 2,67 kg de O2.



Sabendo que, em razão de massas, cerca de 77% do ar atmosférico é

nitrogênio (N2) e 23% é de oxigênio (O2), temos a quantidade de ar necessário

à queima:

2,67 / 0,23 = 11,6 [kg(ar) / kg(C)]

9 . Poder Calorífico Superior (PCS):

Em laboratório, toma-se uma amostra de massa conhecida de um

determinado combustível, e mede-se com precisão a quantidade de calor

produzida até a queima total da amostra. À quantidade de calor liberada, assim

determinada, chamamos Poder Calorífico Superior, ou PCS (em inglês, HHV =

High Heat Value), expresso normalmente em [kcal/kg] de combustível.

Podemos definir o PCS, como a quantidade de calor liberada pela

combustão completa de uma unidade em volume ou massa de um combustível,

quando queimado completamente em uma determinada temperatura, levando-se

os produtos da combustão, por resfriamento, à temperatura da mistura inicial (o

vapor d´água) é condensado e o calor recuperado.

10. Poder Calorífico Inferior (PCI):

A maioria dos combustíveis possui hidrogênio em sua composição

química. Após a queima, o hidrogênio forma H2O (água) que, devido à alta

temperatura da chama, evapora imediatamente, “roubando” o calor latente de

evaporação do processo de combustão. Em outras palavras, parte do calor

produzido pela queima fica retida no vapor d’água, que absorve 539kcal para



cada kg de água formada. Caso em nosso processo seja possível entregar à

atmosfera gases queimados com temperatura abaixo de 100oC, toda a água

formada na combustão será condensada dentro do processo, e teremos

recuperado o calor latente de evaporação da mesma. Caso contrário, o PCS não

representa o calor aproveitável do combustível, sendo necessário subtrair do

mesmo o calor latente no vapor d’água. A este novo valor chamamos Poder

Calorífico Inferior, ou PCI (em inglês, LHV = Low Heat Value), também expresso

em [kcal/kg] de combustível.

Pode definir PCI como a quantidade de calor liberada pela combustão completa

de uma unidade em volume ou massa de um combustível, quando queimado

completamente em uma certa temperatura, permanecendo os produtos de

combustão em fase gasosa (sem condensação do vapor d'água.

A tabela a seguir apresenta valores aproximados de PCS e PCI de alguns

combustíveis:

(*) Para o carbono e o carvão mineral, que não possuem hidrogênio e, portanto, não formam vapor d’água, não faz sentido falar-se em PCI.



11. Cálculo Teórico do PCI e do PCS:

Em todas as fórmulas abaixo, os componentes do combustível (C, H, O,

S, etc) representam os percentuais em massa de cada qual numa amostra do

combustível, enquanto W representa a quantidade percentual em massa de

umidade contida no mesmo.

Mendelev, já em 1897, apresentou uma fórmula geral para a

determinação do PCI (kJ/kg), base úmida, a partir da composição química

elementar de qualquer combustível:

PCI = 339C + 1.030H – 109(O – S) – 24W [kJ/kg] ou

PCI = 80,98C + 246,06H – 26,04(O – S) – 5,73W [kcal/kg]

Lloyd e Davenport (apud Lozano, 1980) apresentam uma equação onde o

PCS

(cal/kg) pode ser determinado a partir da análise elementar em base seca:

PCS = 2,674S + 1,42N - 2,02O + 27,144 H + 8,552C [cal/kg]

Culp (1991) apresenta uma fórmula para o cálculo do PCS (kJ/kg) em

função do PCI (kJ/kg), da fração em massa do hidrogênio e da umidade do

combustível (base úmida) para qualquer tipo de combustível, em base mássica:

PCS - PCI = 2.400(W + 9H) [kJ/kg] ou

PCS - PCI = 533,3(W + 9H) [kcal/kg]



12. Cálculo de Consumo para Produção de Vapor:

Tomemos como exemplo uma caldeira com capacidade de 100t/h e

eficiência de 85%, produzindo vapor superaquecido de 63bar / 450oC. O

combustível é o bagaço de cana, com 20% de umidade. O condensado de

retorno do processo possui temperatura de 120oC. A quantidade de combustível

necessária será:

PCI (base seca) = 4.130 kcal/kg PCI (20% umidade) = 4.130 * 0,8 – 0,2 * 639 = 3.176,2 kcal/kg

Entalpia do vapor de 63bar / 450oC: h (63/450) = 788,15 kcal/kg Entalpia do condensado a 120oC: h (63/120) = 121,36 kcal/kg O salto entálpico representa o calor que a caldeira terá que entregar ao

condensado para alterar seu estado de água líquida a 63bar e 120oC

(121,36kcal/kg), para vapor a 63bar e 450oC (788,15 kcal/kg):

∆h = 788,15 - 121,36 = 666,79 kcal/kg ∆Q = 666,79[kcal/kg] * 100.000[kg/h] = 66.679.310 kcal/h m (bagaço) =_ ∆Q dividido por /η*PCI m (bagaço) = 66.679.310 [kcal/h] dividido por 0,85 * 3.176,2 [kcal/kg] m (bagaço) = 24.698,1 kg/h

Encontramos assim o valor do consumo de combustível para a caldeira

em questão: aproximadamente 24,7 t/h de bagaço de cana com 20% de

umidade.



Sabemos que o trabalho realizado por um gás pode ser expresso como:

Se a transformação é isobárica, o trabalho seria:

Se observarmos o gráfico no plano P-V, a energia será a área sob a curva

da transformação em questão. Tomemos um ciclo fechado qualquer, como

apresentado na figura abaixo:



A área formada pelo polígono (VB-B-C-D-VD) é todo o trabalho entregue

pelo gás WS). A área formada pelo polígono (VD-D-A-B-VB) é todo o trabalho

recebido pelo gás (WE). O trabalho líquido será:



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