Ciclos Térmicos em Caldeiras

Prévia do material em texto

Máquinas Térmicas 
Ciclos térmicos a vapor
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
Departamento de Química e Energia
Ciclos térmicos de potência (a vapor)
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
BORGNAKKE, C.; SONNTAG, R.E. Fundamentos da Termodinâmica. São Paulo: Edgard Blücher, 2010
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
h
reduzir Pcond
aumentar Pvapor vivo
Ciclos térmicos de potência (a vapor)
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
BORGNAKKE, C.; SONNTAG, R.E. Fundamentos da Termodinâmica. São Paulo: Edgard Blücher, 2010
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
𝑉𝐶 𝑛𝑎 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎:
𝐸𝐶𝑀: ሶ𝑚1 = ሶ𝑚2
𝐸𝐶𝐸: ሶ𝑊𝑏 = ሶ𝑚1ℎ1 − ሶ𝑚2ℎ2
𝑉𝐶 𝑛𝑎 𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑖𝑟𝑎:
𝐸𝐶𝑀: ሶ𝑚2 = ሶ𝑚3
𝐸𝐶𝐸: ሶ𝑄𝑐𝑎𝑙𝑑 = ሶ𝑚3ℎ3 − ሶ𝑚2ℎ2
𝐸𝐶𝑀: 0 =
𝜕
𝜕𝑡
න
𝑉𝐶
𝜌𝑑𝑉 + න
𝑆𝐶
𝜌 Ԧ𝑣. 𝑑 Ԧ𝐴
𝐸𝐶𝐸: ሶ𝑄𝑉𝐶 − ሶ𝑊𝑒 =෍
𝑠
ሶ𝑚𝑠ℎ𝑠 −෍
𝑒
ሶ𝑚𝑒ℎ𝑒
𝑉𝐶 𝑛𝑎 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎:
𝐸𝐶𝑀: ሶ𝑚3 = ሶ𝑚4
𝐸𝐶𝐸: ሶ𝑊𝑇 = ሶ𝑚3ℎ3 − ሶ𝑚4ℎ4
𝑉𝐶 𝑛𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜𝑟:
𝐸𝐶𝑀: ሶ𝑚4 = ሶ𝑚1
𝐸𝐶𝐸: ሶ𝑄𝑐𝑜𝑛𝑑 = ሶ𝑚1ℎ1 − ሶ𝑚4ℎ4
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
Exemplos de ciclos térmicos de geração
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
https://beingmechanical.files.wordpress.com/2015/02/wpid-wp-14247663827521.jpeg?w=816&h=9999 
http://www.thermopedia.com/content/1072/rankinecycle
https://www.ohio.edu/mechanical/thermo/Applied/Chapt.7_11/SteamPlant
/cogen_cfwh.gif
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
Indicadores empregados em ciclos térmicos
• Rendimento térmico
• Consumos específicos:
• de calor (heat rate)
• de combustível (fuel rate ou specific fuel consumption)
• de vapor (steam rate)
PCIm
WW
Q
W
c
btv
cald
liq
t 


 −
==






=
kWh
kJ
W
PCIm3600
HR
liq
c


3600HR t =






=
kWh
kg
W
m3600
SR
liq
v








=
kWh
kg
W
m3600
FR
liq
c


Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
Caldeiras – classificação
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
• em termos construtivos:
• caldeiras compactas
• caldeiras industriais (ou montadas em campo)
• em termos do fluxo de água e gases:
• caldeiras flamotubulares (ou fogotubulares) → pressão de vapor < 2 MPa
• caldeiras aquatubulares → ampla faixa de pressão do vapor
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
Tanuma, T (edt). Advances in steam turbines for modern
power plants. Duxford: Woodhead Pub., 2017
Caldeiras – elementos principais
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
1. Tubulão com isolamento térmico
2. Câmara de reversão
3. Reguladores de pressão
4. Controlador de sobrepressão
5. Manômetro com válvula de controle
6. Regulador de nível de água e alívio de 1° nível
7. Alívio de 2° nível
8. Painel de controle
9. Válvula de vapor principal
10. Válvula de segurança
11. Indicador de nível de água
12. Conexão para saída dos gases de escape
13. Aba de segurança
14. Bomba de alimentação de água
15. Base metálica
16. Queimador a óleo, gás ou dual
http://boiler.de/eng/steamboiler/equipment.html, acesso em 01/02/2014
http://www.hurstboiler.com/boilers/scotch_marine/series_400
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
http://boiler.de/eng/steamboiler/equipment.html
http://www.hurstboiler.com/boilers/scotch_marine/series_400
Caldeiras flamotubulares
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
http://www.bateaux-du-leman.ch/?page_id=455, http://esdrelon.com.br/~esdrelon/?page_id=7, acesso em 01/02/2014
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
http://www.bateaux-du-leman.ch/?page_id=455
http://esdrelon.com.br/~esdrelon/?page_id=7
Caldeiras aquatubulares
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
gás de 
combustão
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
Caldeiras compactas e montadas em campo
Prof. José Antonio Perrella BalestieriOs direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
Aspectos tecnológicos de caldeiras – circulação de água no evaporador
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
http://en.citizendium.org/wiki/Steam_generator, acesso em 01/02/2014
http://www.isa.org/InTechTemplate.cfm?Section=Current_Issue&template=/ContentManagement/ContentDisplay.cfm&ContentID=83045
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
http://en.citizendium.org/wiki/Steam_generator
http://www.isa.org/InTechTemplate.cfm?Section=Current_Issue&template=/ContentManagement/ContentDisplay.cfm&ContentID=83045
Aspectos tecnológicos de caldeiras – circulação de água no evaporador
Prof. José Antonio Perrella BalestieriOs direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
economizador evaporador superaquecedor
Aspectos tecnológicos de caldeiras – circulação de água no evaporador
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
http://www.victoryenergy.com/index.cfm?id=80, acesso em 01/02/2014
http://en.citizendium.org/wiki/Steam_generator, 
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
Taxa de circulação (circulation ratio, CR) é a razão entre a vazão de 
água/vapor circulando nos tubos pela vazão de vapor gerado em 
caldeiras aquatubulares:
• Caldeiras de alta pressão apresentam baixo CR e vice-versa;
• CR varia entre 5 e 100 para caldeiras de circulação natural, entre 3 
e10 para caldeiras de circulação forçada, e é igual a 1 para caldeiras 
de passe único (once-through)
http://www.energy.kth.se/compedu/webcompedu/ManualCopy/Steam_Boiler_Techn
ology/Steam_water_circulation/steam_water_circulation.pdf, 24.01.2018
http://www.victoryenergy.com/index.cfm?id=80
http://en.citizendium.org/wiki/Steam_generator
http://www.energy.kth.se/compedu/webcompedu/ManualCopy/Steam_Boiler_Technology/Steam_water_circulation/steam_water_circulation.pdf
Aspectos tecnológicos de caldeiras – controle de nível de água no tubulão
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
http://www.domanistudio.com/boiler-water-level-control-system/, acesso em 01/02/2014
http://www.instrumentation.co.za/regular.aspx?pklregularid=5237
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
 
 
água vapor 
 
combQ 
http://www.domanistudio.com/boiler-water-level-control-system/
http://www.instrumentation.co.za/regular.aspx?pklregularid=5237
Estrutura de evaporadores – tipo O (aquatubulares)
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
http://www.alibaba.com/product-detail/Boiler-Re-tubing-O-Type_109251483/showimage.html, acesso em 01/02/2014
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
http://www.alibaba.com/product-detail/Boiler-Re-tubing-O-Type_109251483/showimage.html
Estrutura de evaporadores – tipo D (aquatubulares)
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
http://www.ttnet.net/ttnet/gotoprd/ID125/011/0/941303136333332313.htm, 
http://www.powerhouse.com/new-boiler/cleaver-brooks-boiler-d-type/, acesso em 01/02/2014
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
http://www.ttnet.net/ttnet/gotoprd/ID125/011/0/941303136333332313.htm
http://www.powerhouse.com/new-boiler/cleaver-brooks-boiler-d-type/
Estrutura de evaporadores – tipo A (aquatubulares)
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
http://bmrthermal.com/rentech.shtml, acesso em 01/02/2014
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
http://bmrthermal.com/rentech.shtml
Caldeiras – montagem do evaporador
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
http://www.mtipowerservices.com/field-services/oil-petrochemical-refining-/boiler-1
http://escotool.com/products/roll-throttle, em 01/02/2014
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
Welding x rolling tubes in the drum: veja mais em 
https://rananaseemshahid.files.wordpress.com/2015/09/chapter-561.pdf, 24.01.2019
http://www.mtipowerservices.com/field-services/oil-petrochemical-refining-/boiler-1
http://escotool.com/products/roll-throttle
https://rananaseemshahid.files.wordpress.com/2015/09/chapter-561.pdf
Caldeiras– mandrilamento ou expansão de tubos
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
http://escotool.com/products/roll-throttle, http://www.tubetools.ca/electric_tube_rolling_systems.html, http://krais.com/guide-to-correct-expansion/, 
http://www.ececaldeiras.com/Galeria.htm, 
http://www.aedb.br/seget/artigos09/151_artigos2009obreExpansaodeTubos.pdf, acesso em 01/02/2014
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
http://escotool.com/products/roll-throttle
http://www.tubetools.ca/electric_tube_rolling_systems.html
http://krais.com/guide-to-correct-expansion/
http://www.ececaldeiras.com/Galeria.htm
http://www.aedb.br/seget/artigos09/151_artigos2009obreExpansaodeTubos.pdf
Manutenção de caldeiras
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
http://www.goodway.com/boiler-tube.htm, acesso em 01/02/2014
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
http://www.goodway.com/boiler-tube.htm
Manutenção de caldeiras
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
http://www.thaitubecleaner.com/index.php?lay=show&ac=article&Id=371693&Ntype=4, acesso em 01/02/2014
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
http://www.thaitubecleaner.com/index.php?lay=show&ac=article&Id=371693&Ntype=4
Queimadores de líquidos e gases
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
http://www.bts.ind.br/waylerfoto3.htm, http://www.lcqueimadores.com.br/queimadores.htm, acesso em 01/02/2014 
http://www.detroitstoker.com/portuguese/queimadores/, http://holamaq.com.br/aplicacao/estufas-cabines-e-tanques/
http://www.babcock-wanson.pt/produtos_queimadores_princ.aspx
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
‘swirlers’: provocam 
turbulência no escoamento
http://www.bts.ind.br/waylerfoto3.htm
http://www.lcqueimadores.com.br/queimadores.htm
http://www.detroitstoker.com/portuguese/queimadores/
http://holamaq.com.br/aplicacao/estufas-cabines-e-tanques/
http://www.babcock-wanson.pt/produtos_queimadores_princ.aspx
Queima de combustível sólido em leito fixo (grelha)
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
http://www.detroitstoker.com/portuguese/grelhas-detroit/, acesso em 01/02/2014
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
http://www.detroitstoker.com/portuguese/grelhas-detroit/
Queima de combustível sólido em leito fluidizado
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
http://www.hpb.com.br/produtos/tecnologia, acesso em 01/02/2014
http://www.hpb.com.br/produtos/casos/detalhes/sao-martinho-leito-fluidizado-borbulhante/
https://docplayer.com.br/docs-images/40/15395839/images/page_18.jpg
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
http://www.hpb.com.br/produtos/tecnologia
http://www.hpb.com.br/produtos/casos/detalhes/sao-martinho-leito-fluidizado-borbulhante/
https://docplayer.com.br/docs-images/40/15395839/images/page_18.jpg
Caldeiras de recuperação química ou Tomlinson (setor Celulose)
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
http://en.wikipedia.org/wiki/Recovery_boiler, acesso em 01/02/2014
http://www.tappsa.co.za/archive2/APPW_2004/Title2004/Applying_best_sustainable_prac/applying_best_sustainable_prac.html
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
Veja cogeração no setor de celulose em: http://www.cgti.org.br/publicacoes/wp-
content/uploads/2015/12/POTENCIAL-T%C3%89CNICO-DE-COGERA%C3%87%C3%83O-DO-SETOR-DE-
PAPEL-E-CELULOSE-NO-BRASIL-PRESENTE-E-FUTURO.pdf, 22.05.2020
Licor Branco: é o licor usado no cozimento da madeira, responsável por separar as fibras de
celulose da matriz de lignina, substância responsável pela rigidez da madeira. O licor é
formado basicamente por Na2S e NaOH.
Licor Verde: é o licor obtido da dissolução dos sais fundidos da caldeira de recuperação. As
substâncias que se encontram presentes nesse licor são basicamente Na2CO3, Na2S, NaOH.
Licor Negro: é o licor resultante do processo de cozimento da madeira. É formado por
materiais orgânicos e inorgânicos, provindos da solubilização da madeira e pelos químicos
utilizados no tratamento desta.
https://www.lume.ufrgs.br/bitstream/handle/10183/29289/000642615.pdf?sequence=1, 22.05.2020
http://en.wikipedia.org/wiki/Recovery_boiler
http://www.tappsa.co.za/archive2/APPW_2004/Title2004/Applying_best_sustainable_prac/applying_best_sustainable_prac.html
http://www.cgti.org.br/publicacoes/wp-content/uploads/2015/12/POTENCIAL-T%C3%89CNICO-DE-COGERA%C3%87%C3%83O-DO-SETOR-DE-PAPEL-E-CELULOSE-NO-BRASIL-PRESENTE-E-FUTURO.pdf
https://www.lume.ufrgs.br/bitstream/handle/10183/29289/000642615.pdf?sequence=1
Caldeiras de recuperação térmica (HRSG, heat recovery steam generator)
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
http://www.ccj-online.com/archives/2q-2011/hrsg-life-extension/, acesso em 01/02/2014
http://gazogenerator.com/boilers-for-power-and-process/heat-recovery-steam-generators/
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
http://www.ccj-online.com/archives/2q-2011/hrsg-life-extension/
http://gazogenerator.com/boilers-for-power-and-process/heat-recovery-steam-generators/
Caldeiras de recuperação térmica (HRSG, heat recovery steam generator)
horizontal vertical
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
http://www.bhk.co.jp/english/energy/steam/hrsg/index.html, acesso em 01/02/2014
http://gazogenerator.com/boilers-for-power-and-process/heat-recovery-steam-generators/
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
http://www.bhk.co.jp/english/energy/steam/hrsg/index.html
http://gazogenerator.com/boilers-for-power-and-process/heat-recovery-steam-generators/
Caldeiras de recuperação térmica – HRSG 1P (H) – 2P (H) – 3P (H) – 3P (V)
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
http://http-server.carleton.ca/~dkarman/Module/Public/graphics/pictures.html , 
http://www.ccj-online.com/archives/2q-2011/hrsg-life-extension/, acesso em 01/02/2014
http://gazogenerator.com/boilers-for-power-and-process/heat-recovery-steam-generators/
http://en.citizendium.org/wiki/Steam_generator
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
http://www.ccj-online.com/archives/2q-2011/hrsg-life-extension/
http://www.ccj-online.com/archives/2q-2011/hrsg-life-extension/
http://gazogenerator.com/boilers-for-power-and-process/heat-recovery-steam-generators/
http://en.citizendium.org/wiki/Steam_generator
Caldeiras de recuperação térmica – HRSG -- e diagramas T-Q
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
Valdes, M.; Duran, M.D.; Rovira, A. Thermoeconomic optimization of combined cycle gas turbine 
power plants using genetic algorithms. Applied Thermal Engineering, v. 23, p. 2169-2182, 2003.
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
Diferença de temperatura do
Pinch point: diferença entre a
temperatura dos gases de exaustão
na saída do evaporador e a
temperatura de saturação do vapor
– varia entre 10°C e 30 °C
Temperatura do approach point:
diferença entre a temperatura de
saturação do vapor e a temperatura
de saída da água do economizador
– varia de 5 °C a 12 °C
http://www.energy.kth.se/compedu/web
compedu/WebHelp/media%5CPrint%5C
S1B4C2_A4.pdf, 24.01.2019
http://www.energy.kth.se/compedu/webcompedu/WebHelp/media/Print/S1B4C2_A4.pdf
Caldeiras supercríticas
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
http://www.ohio.edu/mechanical/thermo/Intro/Chapt.1_6/steamplant/hs_supercrit.html, acesso 02/02/2014
http://www.energy.siemens.com/hq/en/fossil-power-generation/power-plants/steam-power-plants/benson.htm#content=Efficiency
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
http://www.ohio.edu/mechanical/thermo/Intro/Chapt.1_6/steamplant/hs_supercrit.html
http://www.energy.siemens.com/hq/en/fossil-power-generation/power-plants/steam-power-plants/benson.htm#content=Efficiency
Caldeiras de centrais nucleares
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
http://allthingsnuclear.org/2012/03/, http://www.thermopedia.com/content/1149/
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/27/Steam_Turbine_Cycle.png acesso 02/02/2014Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
http://allthingsnuclear.org/2012/03/
http://www.thermopedia.com/content/1149/
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/27/Steam_Turbine_Cycle.png
Modelagem térmica da caldeira:
Primeira Lei da Termodinâmica aplicada a uma caldeira convencional
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
ηcr = -0,0009L2 + 0,2288L + 66,013
R2 = 0,9997
60
65
70
75
80
85
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
carga, L (%)
re
n
d
im
e
n
to
 d
a
 c
a
ld
e
ir
a
, 
η
 (
%
)
GANAPATHY, V. Understand boiler performance characteristics. Hydrocarbon
Processing, v. 73, p. 131-135, 1994.
= produtividade
Exemplo: caldeira com rendimento de 80%, água 
entrando a 7 MPa/25°C (ha=105 kJ/kg) e vapor saindo 
a 6 MPa/400°C (hv=3177 kJ/kg):
→ PCI (OC)=40000 kJ/kg: 
→ produtividade=10,42 kg (v)/kg(c)
→ PCI (GN)=50000 kJ/kg: 
→ produtividade= 13,02 kg (v)/kg(c)
 
 
água vapor 
 
combQ 
av
cald
c
v
c
avv
cald
vaporcombcald
hh
PCI
m
m
PCIm
)hh(m
QQ
−

=
−
=
=





Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
𝑉𝐶 𝑛𝑎 𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑖𝑟𝑎:
𝐸𝐶𝑀: ሶ𝑚𝑎 = ሶ𝑚𝑣
𝐸𝐶𝐸: 𝜂𝑐𝑎𝑙𝑑 ሶ𝑚𝑐𝑃𝐶𝐼 = ሶ𝑚𝑣(ℎ𝑣 − ℎ𝑎)
comb
Modelagem térmica da caldeira:
Estimativa da pressão da água antes da caldeira
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
Φ – percentual de perda de carga, assumido 
como 5% (0,05) para economizador, evaporador 
e superaquecedor
a – número de economizadores da caldeira
b – número de evaporadores da caldeira
c – número de superaquecedores da caldeira
Fonte: Bejan, A.; Tsatsaronis, G.; Moran; M. Thermal design and 
optimization. Wiley, 1995.
 
queimador suplementar (s) vapor superaquecido água 
 (v) (a) 
gases de 
exaustão, Tch 
gases de 
exaustão, Tg 
Exemplo:
Caldeira convencional com um 
economizador, um evaporador e 
um superaquecedor:
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
Bomba (Pa)
(Pv)
Turbinas a vapor: aspectos gerais
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
http://www.sandvik.coromant.com/pt-pt/industrysolutions/condensing_power/steam_turbines/pages/steam-turbine-shaft.aspx, 25/03/2014
http://www.sandvik.coromant.com/en-gb/industrysolutions/condensing_power/gas_turbines/pages/turbine-housing.aspx
http://www.grupotgm.com.br/home/produto.php?id=144
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
http://www.sandvik.coromant.com/pt-pt/industrysolutions/condensing_power/steam_turbines/pages/steam-turbine-shaft.aspx
http://www.sandvik.coromant.com/en-gb/industrysolutions/condensing_power/gas_turbines/pages/turbine-housing.aspx
http://www.grupotgm.com.br/home/produto.php?id=144
Turbinas a vapor – classificação condensação/contrapressão
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
condensação // condensação e extrações contrapressão // contrapressão e extrações
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
Turbinas a vapor – classificação condensação/contrapressão
Prof. José Antonio Perrella BalestieriOs direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
Turbinas de contrapressão pura ou com extração são
empregadas em ciclos termelétricos de cogeração, com a
saídas do vapor associadas processos; a potência gerada é uma
consequência positiva de seu funcionamento e seu rendimento
isentrópico é menor que o das turbinas de condensação.
Turbinas de condensação são empregadas em ciclos
puramente termelétricos, quase sempre com extrações de
vapor enviadas para aquecedores de mistura intermediários
(para aumentar o rendimento térmico do ciclo a vapor); nesse
caso, busca-se trabalhar com a menor temperatura de
condensação possível, para maximizar a queda entálpica do
vapor da entrada da turbina até o condensador:
→ O título na saída da turbina não deve ser inferior a 90%
(pois as gotículas de água, animadas de quantidade de
movimento, causam arrancamento do material das pás)
→ A temperatura de saída da turbina em condição
vacuométrica está sujeita às condições locais da instalação
(no Brasil, trabalha-se com valores entre 40 e 60 °C)
Turbinas de condensação e extrações também são utilizadas
em ciclos termelétricos de cogeração para aumentar o
rendimento térmico do ciclo, atendendo às necessidades de
vapor a aumentando a produção de energia elétrica.
Condensador e ejetor
Prof. José Antonio Perrella BalestieriOs direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
10.1016/j.apenergy.2016.04.047
The steam ejector consumes 4.6 times more energy for
an equivalent flow rate than the vacuum pump. The
steam ejector is characterised by high energy
consumption, favourable price, reliability (no motive
parts) and no maintenance.
The vacuum pump is energy efficient and unfavourable
in terms of price (purchase price, maintenance cost,
etc.). Even though the installation costs of the vacuum
pump are higher since for safety reasons two systems
operating in parallel need to be installed (one in
operation and the other in reserve) the investment in the
vacuum pump is more viable in terms of energy
efficiency given that its payback period is after no more
than 2.5 years of operation.
The advantages of the steam ejector, however, are its
more reliable operation, as the system has no motive
parts and requires almost no maintenance, contrary to
the vacuum pump, where exposure to cavitation is high.
Condensador e torre de resfriamento
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
https://extra.globo.com/noticias/rio/sensacao-termica-na-cidade-do-
rio-atinge-os-45-graus-diz-climatempo-11197654.html, 07/01/2018
- Quanto menor a temperatura do vapor na saída da turbina de 
condensação, maior a queda entálpica na turbina a vapor, e 
consequentemente, maior potência de eixo gerada;
- A temperatura do vapor na saída da turbina de condensação se situa, para 
as condições climáticas brasileiras, entre 40-60°C (Psat~7,38-19,94 kPa);
- Tais valores se referem à condição de funcionamento da torre de 
resfriamento, que se encontra limitada pela condição da temperatura de 
bulbo seco do local da instalação – veja exemplo ao lado, referido à 
central termelétrica de Santa Cruz, no bairro de mesmo nome, na cidade 
do Rio de Janeiro.
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
https://extra.globo.com/noticias/rio/sensacao-termica-na-cidade-do-rio-atinge-os-45-graus-diz-climatempo-11197654.html
Torres de resfriamento (cooling towers)
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
Classificação pela transferência de calor:
1) ciclo aberto - evaporativa (open cooling tower; wet cooling tower)
2) torre seca - convecção (dry cooling tower)
3) ciclo fechado – híbrido convectiva/evaporativa (closed cooling tower)
Air cooled tower x water cooled tower
http://www.homeservicesassistance.co.uk/wp-content/uploads/2016/07/Power-Plant-Chimney-768x512.jpg, 07/12/2018
Torres de resfriamento
https://www.flowcontrolnetwork.com/wp-content/uploads/2015/09/iStock_000018183312_72.jpg
https://www.sciway.net/srs-savannah-river-site/i/cooling-tower-k-reactor.jpg
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
DOI: 10.1002/2050-7038.12133
http://www.homeservicesassistance.co.uk/wp-content/uploads/2016/07/Power-Plant-Chimney-768x512.jpg
https://www.flowcontrolnetwork.com/wp-content/uploads/2015/09/iStock_000018183312_72.jpg
https://www.sciway.net/srs-savannah-river-site/i/cooling-tower-k-reactor.jpg
Turbinas a vapor – comentários sobre a vazão de condensação
Prof. José Antonio Perrella BalestieriOs direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
Nas configurações puramente termelétricas, o objetivo 
é produzir eletricidade para comercialização. Desse modo, 
• a maior parte do vapor vivo deve ser destinada ao 
condensador para aumentar a diferença entálpica entre 
entrada e saída da turbina – assume-se que não 
menos de 75% do vapor vivo deva ser direcionadoao condensador;
• As vazões de vapor referentes às extrações se 
destinam a pré-aquecedores da água a ser enviada ao 
economizador da caldeira, aumentando o rendimento 
térmico do ciclo a vapor.
Nas configurações termelétricas de cogeração, o 
objetivo é produzir potência elétrica/mecânica e alguma 
forma térmica (vapor, água/ar quente ou resfriado), na forma 
de uma central de utilidades, para serem destinados ao 
atendimento de processos fabris. Desse modo, a vazão 
destinada ao condensador varia caso a caso.
→ Uma regra de cogeração interessante seria gerar 90% da 
demanda elétrica da empresa (em déficit elétrico) ou mais 
de 110% da mesma (excedente elétrico) de modo a fugir da 
autossuficiência (gerar 100% da demanda elétrica) e manter 
um vínculo institucional com uma empresa de energia.
Veja também: https://www.ohio.edu/mechanical/thermo/Applied/Chapt.7_11/SteamPlant/GavinCaseStudy.html, 09.Maio.2019
Veja também: https://www.ohio.edu/mechanical/thermo/Intro/Chapt.1_6/steamplant/steamCoGen.html, 
09.Maio.2019
https://www.ohio.edu/mechanical/thermo/Applied/Chapt.7_11/SteamPlant/GavinCaseStudy.html
https://www.ohio.edu/mechanical/thermo/Intro/Chapt.1_6/steamplant/steamCoGen.html
Turbinas a vapor – classificação como ação/reação e axial/radial
Prof. José Antonio Perrella BalestieriOs direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
Turbinas a vapor de ação
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
Turbina Laval
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
Turbina a vapor de reação e variantes
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
Turbina Curtis/Parsons
http://www.feng.pucrs.br/lsfm/alunos/luc_gab/turbinas.html
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
O conhecimento de como esses 
diferentes tipos de rotor operam 
– em termos de variação da 
pressão e velocidade ao longo do 
escoamento – são relevantes para 
o projeto da turbina a vapor, em 
especial a localização física das 
extrações de vapor (definidas em 
termos de sua pressão de saída).
A temperatura de saída do vapor 
nas extrações segue a linha de 
condição operacional da turbina 
na condição de pressão de 
extração.
http://www.feng.pucrs.br/lsfm/alunos/luc_gab/turbinas.html
Turbinas a vapor – diagrama de Mollier (h-s)
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
Para encontrar Tvapor entre
100 °C e 200 °C nesse
diagrama h-s: usar tabelas
termodinâmicas entrando
com Pvapor e Tvapor para
encontrar h ou s
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
O diagrama de Mollier 
completo não é de nosso 
interesse pelo fato das 
turbinas a vapor de 
condensação trabalharem 
com título superior a 90%
A linha de 100 kPa define os limites das 
turbinas de contrapressão e condensação
Traçando uma linha de condição operacional da TV no diagrama de Mollier (h-s)
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
- Admita para pressão do vapor vivo um
valor comercial (de 2 a 14 MPa) de 10 MPa
- Admita uma temperatura adequada 
(de 300 a 550°C) de 500°C 
→ Marque o estado termodinâmico
→ Trace a linha isentrópica
→ A linha azul é a linha de condição da turbina a 
vapor na condição limite para o título (acima de 
90%) e temperatura de condensação nas 
condições brasileiras (de 40 a 60°C)
→ Calcule a eficiência isentrópica e verifique se ela se 
encontra na faixa recomendada (50 a 85%, sendo 
as faixas mais elevadas para equipamentos
de maior capacidade)
→ Na pressão de 1 MPa, a temperatura do vapor 
encontra-se a ~260°C -- se for necessário fazer 
uma extração controlada de vapor para atender a 
um processo a 225°C, como será possível fazê-lo? 
(resposta no próximo slide)
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
Veja que a 
entalpia do vapor 
de condensação 
nunca é inferior a 
2330 kJ/kg!
3
4
Dessuperaquecedores
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
http://www.pickheaters.com/Images/DesuperHeater_Hires.png
http://www.mazdalimited.com/images/media3_img7.jpg http://www.powermag.com/the-evolution-of-steam-attemperation/
http://www.spiraxsarco.com/resources/steam-engineering-tutorials/desuperheating/basic-desuperheating-theory.asp 29/03/2014
Nota: para atender à questão posta no slide anterior emprega-se um 
dessuperaquecedor; caso a temperatura do vapor de processo fosse de 300°C na 
pressão de extração de 1 MPa, seria necessário empregar um superaquecedor.
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
http://www.pickheaters.com/Images/DesuperHeater_Hires.png
http://www.mazdalimited.com/images/media3_img7.jpg
http://www.powermag.com/the-evolution-of-steam-attemperation/
http://www.spiraxsarco.com/resources/steam-engineering-tutorials/desuperheating/basic-desuperheating-theory.asp
Turbinas a vapor – cálculo do rendimento isentrópico
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
http://www.monografias.com/trabajos28/sistema-circulacion-gases/sistema-circulacion-gases.shtml 29/03/2014
AKIMOV, P. Marine power plant. Moscow: Peace Publishers, s.d., 580p
)hh(m)hh(m)hh(m
)hh(m)hh(m)hh(m
W
W
s,DCx,CBs,SA
DCCBSA
s,e
r,eiso
TV
−+−+−
−+−+−
==




Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
http://www.monografias.com/trabajos28/sistema-circulacion-gases/sistema-circulacion-gases.shtml%2029/03/2014
Turbinas a vapor – comportamento operacional
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
vazão de estrangulamento (%)
carga(%)
0 25 50 75 100 125
50
100
150
200
250
0
50
100
150
máx. vazão de estrangulamento
máx. vazão para exaustão
min. vazão para exaustão
linha de referência
A
150
100
0
50
200
D
0
100
0
50
100
150
200
250
300
0 25 50 75 100 125
Seção AP Seção MP exaustão
vapor vivo
carga (%)
vazão de estrangulamento
MP
B
C
AP
Limites de vazão:
seção AP ( - /290)
seção MP (10/155)
exaustão ( 5/100)
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
Tiragem de gases de exaustão
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
- Altura da chaminé:
- Depende da vazão de gases de exaustão, características geográficas 
que condicionam a dispersão de plumas, concentração de monóxido 
de carbono, cinzas, VOC (volatile organic compounds), SO2, dentre 
outros
- Podem atingir mais de 400 m, como na GRES-2 Power Station, 
em Ekibastuz, Kazakhstan, de 1 GW (ele) 
https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_tallest_chimneys, 07/12/2018
- Ventiladores de indução (induced draft fan):
- ventiladores centrífugos
- normalmente localizado entre filtros e chaminé
- induzem pressão negativa na chaminé para forçar o escoamento dos 
gases para a atmosfera externa à caldeira
- Sujeitos a corrosão e erosão devido às altas temperaturas e ambiente 
com presença de diversos elementos químicos
https://www.featurepics.com/StockImage/20150419/power-
plant-chimney-stock-picture-3550042.jpg, 07/12/2018
chaminés
- Temperaturas desejáveis dos gases de exaustão na chaminé (stack gas temperature):
- Para evitar corrosão por causa da formação de umidade no economizador e chaminé, a temperatura de 
exaustão deve ser superior à temperatura do ponto de orvalho na pressão local
- Normalmente se evita que os gases saiam da chaminé com temperatura inferior a 100°C, quando se queimam 
combustíveis “limpos”; para queima de resíduos sólidos, a temperatura de chaminé inferior é 200°C
- Normalmente se evita que os gases saiam com temperaturas elevadas, pois isto representa perda energética –
recomenda-se limitar próximo de 200°C a temperatura de exaustão em caldeiras e conjuntos a gás, e próximo 
de 300°C para motores de combustão interna
- as temperaturas de pinch point e approach point sempre devem ser respeitadas
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_tallest_chimneys
https://www.featurepics.com/StockImage/20150419/power-plant-chimney-stock-picture-3550042.jpg
Prof. José Antonio Perrella BalestieriOs direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.