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7d-InstalacoesCaldeira

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calor cedido pelos gases Q é transmitido pela superfície de aquecimento ao fluido
de trabalho (água, vapor, ar):
onde D é a vazão do fluido de trabalho (fluido motor); hentra e hsai as entalpias do fluido motor
na entrada e saída da superfície de aquecimento.
Superaquecedores
Os superaquecedores aumentam a temperatura do vapor saturado que sai da caldeira,
transformando-o em vapor superaquecido, utilizando o calor dos produtos da combustão. São
utilizados normalmente nas caldeiras aquotubulares, e em algumas caldeiras flamotubulares.
Em caldeiras de alta temperatura e pressão, a absorção de calor nos superaquecedores pode
representar até 60% do calor total. De acordo com o processo de transmissão de calor, os
superaquecedores, ou suas seções, são classificados em radiativos, convectivos ou
semiradiativos (figura 6).
Figura 6. Tipos de Superaquecedores.
A localização do superaquecedor na caldeira depende da disponilidade de espaço e da
temperatura desejada do vapor. Para se obter grande superaquecimento do vapor, é necessário
a instalar o superaquecedor dentro da fornalha, na região de alta temperatura, e troca de calor
ocorre por radiação. Neste caso têm-se os superaquecedores radiativos.
Os superaquecedores convectivos são instalados ao longo do duto horizontal de gases,
ou no início do poço convectivo, em forma de conjuntos de serpentinas, com passo 2,5-3
diâmetros do tubo. De acordo com a direção do fluxo de gases e vapor, os superaquecedores
podem ser classificados em contracorrente, concorrente ou fluxo combinado (figura 7).
Os superaquecedores são geralmente fabricados com tubos liso de 22-54 mm de
diâmetro, e constam de uma série de tubos ligados a 2 coletores. O primeiro recebe o vapor
saturado e o outro fornece o vapor superaquecido.
O cálculo térmico dos superaquecedores é efetuado com as mesmas equações acima.
Deve-se evitar velocidades de circulação de vapor muito elevadas, para dimiuir as perdas de
pressão. Normalmente utiliza-se velocidades entre 12 e 20 m/s.
A temperatura do vapor superaquecido deve-se manter constante, independente da carga
e do regime de trabalho da caldeira. A diminuição da temperatura aumenta o teor de umidade
do vapor nos últimos estágios da turbina, e o aumento da temperatura acima do calculado,
aumenta o perigo de deformações térmicas e da diminuição da resistência mecânica dos
diversos elementos da turbina. A temperatura do vapor é controlada através de
dessuperaquecedores. O dessuperaquecedor mais comum é o injetor, onde o controle da
temperatura é efetuado pela injeção de água tratada (condensado) no fluxo de vapor. A
evaporação dessa água absorve parte da entalpia do vapor e diminui a sua temperatura.
Economizadores
Os economizadores aquecem a água de alimentação, antes da seção vaporizadora da
caldeira, recuperando o calor residual dos produtos da combustão, permitindo uma vaporização
mais rápida e um aumento do rendimento da caldeira. Normalmente são fabricados com tubos
de aço 25-38mm de diâmetro, formando serpentinas verticais montadas em conjuntos
compactos. A água circula dentro dos tubos. Os tubos são dispostos em arranjos bem densos:
no sentido transversal ao fluxo de gases, a distância entre tubos vizinhos é 2-2,5 diâmetros de
tubo e ao longo do fluxo 1-1,5 diâmetros. A fixação dos tubos das serpentinas é feita
normalmente por suportes de apoio, fixos em vigas ôcas (para refrigeração com ar) isoladas
dos gases quentes (figura 8).
De acordo com o tipo de aquecimento da água, os economizadores são classificados
em vaporizadores e não vaporizadores. Os economizadores vaporizadores, podem transformar
até 20% da água em vapor.
O número total de tubos em paralelo, é determinado pela velocidade de fluxo da água:
>0,5 m/s para os economizadores não vaporizadores >1,0 m/s para os economizadores
vaporizadores. Essas velocidades são necessárias para retirar as bolhas de ar das paredes, que
contribuem para a corrosão, e para evitar a separação da mistura água/vapor, o que poderia
conduzir ao superaquecimento da parede superior do tubo, devido à pequena absorção pelo
vapor, e a ruptura do tubo. A circulação da água no economizador é sempre ascendente.
O número de tubos no plano transversal ao fluxo de gases é determinado pela
velocidade dos produtos da combustão (6-9 m/s). Essa faixa de velocidade preserva as
serpentinas contra a obstrução das cinzas e diminui a erosão devido às cinzas. Para facilitar
a reparação e limpeza exterior dos tubos, os economizadores são divididos em pacotes de 1-1,5
metros de altura, distanciados entre si de até 800 mm.
As deposições de cinzas nas superfícies exteriores dos tubos são retiradas
periodicamente por jato de areia. A aderência das cinzas é conseqüência da condensação do
orvalho dos produtos da combustão sobre as superfícies dos tubos. Por isso, muitas vezes
efetua-se um aquecimento prévio da água de alimentação a uma temperatura superior ao ponto
de orvalho da água e do ácido sulfúrico presentes nos produtos da combustão.
Em uma caldeira para combustível sólido, as fileiras superiores dos tubos do
economizador, sofrem uma acentuada erosão pelas cinzas, devido à alta velocidade dos gases.
Para prevenir a erosão desses tubos, são instaladas superfícies protetoras.
O cálculo térmico dos economizadores são efetuados pelas mesmas fórmulas acima.
Preaquecedores de ar
Os preaquecedores de ar são utilizados para elevar a temperatura do ar de combustão
e do ar do moinho de carvão, aproveitando o calor dos produtos da combustão efluentes.
De acordo com o princípio de funcionamento os preaquecedores de ar são classificados
em recuperativos e regenerativos. Nos preaquecedores recuperativos, o calor dos gases é
transmitido ao ar através da parede do tubo que os separa. De modo geral, esses
preaquecedores são construídos com tubos de aço (diâmetro 30-40mm), conforme o esquema
da figura 6. Normalmente esses tubos são instalados na vertical, com os gases circulando no
interior, e o ar passando transversalmente pelo exterior em vários passos.
O gás atravessa os tubos a uma velocidade 9-13 m/s, o ar contorna os tubos à metade
dessa velocidade. Assim, obtem-se aproximadamente o mesmo coeficiente de transmissão de
calor dos dois lados da parede do tubo.
Para evitar a corrosão e a aderência das cinzas, é desejável manter a temperatura das
paredes dos tubos acima do ponto de orvalho. Isso é possível mediante o aquecimento prévio
do ar em um preaquecedor a vapor ou pela a recirculação de uma fração do ar preaquecido.
O cálculo térmico dos preaquecedores de ar, também são efetuados pelas mesmas
fórmulas acima.
No preaquecedor de ar regenerativo, os gases aquecem um enchimento metálico, que
depois é colocado em contato com o fluxo de ar, cedendo calor ao ar. Este ciclo
aquecimento/resfriamento se repete de forma cíclica. Nas caldeiras, o tipo mais utilizado é o
preaquecedor Ljüngströn (figura 10). O Ljüngströn consiste de um rotor cilíndrico, dividido
em vários compartimentos, recheados com chapas finas onduladas de aço. Esse rotor
encontra-se montado entre dois canais onde circulam separadamente, e em contracorrente os
gases e o ar. O rotor gira lentamente (2-5 rpm) acionado por um pequeno motor, de modo que
a cada instante metade de sua superfície está em contato com o fluxo de gases quentes e
metade com o ar, absorvendo calor dos gases e cedendo ao ar. Apesar da temperatura do
enchimento variar periodicamente, a temperatura de preaquecimento do ar mantêm-se
constante.
Os preaquecedores de ar regenerativos são bastante utilizado em caldeiras a vapor, e
destacam-se por sua grande compacidade (até 250 m2 de superfície de aquecimento por m3 de
recheio). Seu principal inconveniente é a fuga de ar (até 10%) para o duto de gases,
aumentando as perdas de energia com os gases efluentes e obrigando o uso de maiores
ventiladores de tiragem forçada e induzida.
5. CÁLCULO DOS ELEMENTOS CONVECTIVOS
As superfícies de aquecimento por convecção são comumente constituídas de um banco
de tubos que é exposto ao fluxo dos produtos