Termodinâmica Aplicada: Caldeiras

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TERMODINÂMICA
Aplicada: CALDEIRAs
Carolina Rizziolli Barbosa
Gabriel Mendes Hirayama Machado
 Hugo André Magalhães de Azevedo
 Kamila Carla Trindade Ferreira
 Matheus da Cunha Brito
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Pará – IFPA (Campus Belém)
Engenharia de Materiais
Sumário
1 Desenvolvimento Histórico
 1.1 Primeiro Uso do Vapor
 1.2 Primeira Máquina à Vapor
 1.3 James Watt
 1.4 Combustíveis
2 Funcionamento da Caldeira
 2.1 Como funciona...
 2.2 Aplicação: Ciclo Rankine
3 Tipos de Caldeiras
 3.1 Classificação das Caldeiras
 3.2 Caldeiras Flamotubulares
 3.3 Caldeira Aquatubular
4 Acessórios, Componentes e Riscos
 4.1 Partes Componentes
 4.2 Outros Componentes e Acessórios
 4.3 Riscos de Explosão
5 Tratamento de Água da Caldeira
 5.1 Objetivos
 5.2 Contaminantes da Água
 5.3 Consequências da Contaminação
 5.4 Métodos de Tratamento
 5.5 Considerações
6 Referências
7 Agradecimentos
1 Desenvolvimento Histórico
1.1 Primeiro uso do vapor
No primeiro século da era cristã, portanto há mais de 1800 anos, um estudioso chamado Heron de Alexandria, construiu uma espécie de turbina a vapor, chamada eolípila.
1.2 Primeira Máquina à vapor
Mas, a utilização efetiva dessa tecnologia só se iniciou com a invenção de Thomas Savery patenteada em 1698 e aperfeiçoada em 1712 por Thomas Newcomen e John Calley.
1.3 james watt
Watt separou o processo de condensamento para uma camara de condensamento e projetou uma máquina rotativa de ação dupla, na qual o vapor era introduzido de ambos os lados do pistão de modo a produzir um movimento para cima e para baixo. Isso tornou possível prender o êmbolo do pistão a uma manivela ou um conjunto de engrenagens para produzir movimento rotativo.
1.4 combustíveis
Os combustíveis mais usados: Diesel, B.P.F., Carvão Mineral e Vegetal e Lenha.
Como escolher o combustível ideal: custo, qualidade dos fumos, agressão ao meio ambiente e produção de energia.
2 funcionamento da caldeira
2.1 Como funciona…
‘’Utiliza a energia presente em determinado combustível para transformar água em vapor’’.
Combustível
Antracito
Hulha
Densidadeenergética (MJ/L)
34~46
23~49
2.1 Como funciona…
Transmissão do calor gerado para a água e/ou vapor se dá de três formas:
Radiação: Da chama para os tubos
Condução: Do tubo para a água ou para o vapor
Convecção: Dos gases para os tubos. 
2.1 Como funciona…
 Após o aquecimento, água saturada se deposita no tubulão de vapor, que também é responsável por fazer a divisão da água entre os estados sólido e gasoso.
 O vapor será liberado para uso, enquanto a água condensada se junta à água de alimentação em mais um ciclo de aquecimento. 
2.2 Aplicação: Ciclo Rankine
Ciclo termodinâmico idealizado. Usado para prever a performance de um sistema de turbinas a vapor em um sistema fechado que converte calor em trabalho mecânico.
2.2 Aplicação: Ciclo Rankine
Baixa eficiência e capacidade
 
2.2 Aplicação: Ciclo Rankine
Maior eficiência
3 tipos de caldeira
3.1 Classificação das Caldeiras
As caldeiras podem ser classificadas em dois tipos:
Caldeiras Flamotubulares: neste tipo, os produtos de combustão circulam por dentro dos tubos. Os tubos ficam imersos na água que será evaporada.
Caldeiras Aquatubulres: nestas caldeiras, a água circula por dentro dos tubos e os produtos de combustão circulam pelo exterior.
3.2 Caldeiras flamotubulares
Menor custo de aquisição;
Ideal para pequenas instalações;
Partida lenta;
Baixo rendimento térmico;
Capacidade de produção limitada;
Dificuldade para instalação de alguns componentes;
Podem ser classificadas em dois tipos: verticais e horizontais;
As horizontais se dividem em outros tipos. Exemplos: Cornuália, Lancaster, Multitubular.
3.2 Caldeiras flamotubulares
Caldeiras Verticais
Tubos verticais num cilindro fechado;
Possui fornalha interna e externa;
Serragem, palha, casca de café e amendoim, óleo combustível.
3.2 Caldeiras flamotubulares
Caldeiras Horizontais
Caldeira de Cornuália: um dos primeiros modelos desenvolvidos, é simples e possui um rendimento muito baixo.
Caldeira de Lancaster: praticamente idêntica a anterior, porém é tecnicamente mais evoluída.
3.2 Caldeiras flamotubulares
Caldeiras Horizontais
Caldeiras Multitubulares: possuem vários tubos, os gases podem percorrer os tubos em diferentes sentidos e pode possuir fornalha interna ou externa.
3.2 Caldeiras flamotubulares
Caldeiras Horizontais
Caldeira Locomóvel: têm como principal característica apresentar uma dupla parede em chapa na fornalha, pela qual a água circula. Sua maior vantagem está no fato de ser fácil a sua transferência de local e de poder produzir energia elétrica. É usada em serrarias junto à matéria-prima e em campos de petróleo.
3.2 Caldeiras flamotubulares
Caldeiras Horizontais
Caldeira Escocesa: é o modelo de caldeira industrial mais difundido no mundo. Foi criada basicamente para uso marinho e é destinada para a queima de óleo ou gás. Rendimento térmico em torno de 83%.
3.3 Caldeiras Aquatubulares
É o tipo de caldeira mais empregado;
Usadas para instalações de maior porte;
Maior produção de vapor;
Maior rendimento;
Maior custo de aquisição.
4 acessórios, componentes e riscos
4.1 partes componentes
Fornalha é o local onde ocorre a queima do combustível.
Seção de Irradiação são as paredes da câmara de combustão revestidas internamente por tubos de água.
Seção de Convecção é um feixe de tubos de água recebendo calor por convecção forçada.
Superaquecedor é um trocador de calor que aquecendo o vapor saturado transforma-o em vapor superaquecido .
4.1 partes componentes
Economizador é um trocador de calor que através do calor sensível dos gases da combustão saindo da caldeira aquecem a água de alimentação.
Pré-aquecedor de ar é um trocador de ar que aquece o ar da combustão também trocando calor com os gases de exaustão da caldeira.
Exaustor faz a exaustão dos gases da combustão, fornecendo energia para vencer as perdas de carga devido a circulação dos gases.
Chaminé lança os gases combustão ao meio ambiente, geralmente a uma altura suficiente para sua dispersão.
4.1 partes componentes
4.2 Outros componentes e acessórios
Sopradores de fuligem 
Válvulas de segurança e de alívio de pressão 
Indicador de nível 
Injetor
Sistemas de controle de água de alimentação
Pressostato
Manômetros
Sensor de chama
Válvula de Purga
Válvula de Bloqueio
4.3 Riscos de Explosão
Dentre os riscos envolvidos no emprego de caldeiras, destacam-se os riscos de explosão, devido: 
Poder se encontrar presente durante todo o tempo de funcionamento.
Na maioria dos casos, apresentar consequências catastróficas.
Poder envolver não só os operadores, mas também trabalhadores das redondezas.
Porque sua prevenção deve ser considerada em todas as fases: projeto, fabricação, instalação, operação, manutenção, inspeção e outras.
4.3 Riscos de Explosão
Para evitar a explosão surge a necessidade de empregar-se espessuras adequadas em função da resistência do material e das características do material.
4.3 Riscos de Explosão
Causas de Explosões
5 tratamento de água da caldeira
5.1 Objetivos
Eliminar os contaminantes
Evitar a formação de incrustações
Evitar os processos corrosivos
5.2 contaminantes
Contaminantes da água:
Carbonatos, Bicarbonatos, Sulfatos, Cloretos, Nitratos, Cálcio, Magnésio, Ferro, Manganês, Sílica, Fluoretos, Ácidos húmicos, Taninos, Gases dissolvidos (Oxigênio, Cloro, Dióxido de Carbono), Óxidos de enxofre e de Nitrogênio.
5.3 Consequências da contaminação
Incrustação 
Superaquecimento localizado
Ruptura de tubos sob pressão 
Aumento no consumo de combustíveis
Explosões
5.3 Consequências da contaminação
Redução da troca térmica por incrustação
5.3 Consequências da contaminação
Corrosão
Destruição da estrutura metálica da caldeira
Perda de eficiência no processo
Risco de acidentes
5.3 Consequências da contaminação
Processo Eletroquímico
Abrandamento:
Remoção total ou parcial dos sais de Cálcio e Magnésio.
Resinas trocadoras de íons sódio ou hidrogênio. 
Redução da dureza
5.4 Métodos de tratamento 
Clarificação:
Prévia floculação e filtração da água 
Reduz sólidos em suspensão
5.4 Métodos de tratamento 
Desmineralização:
Trocadores de cátions e de ânions
Substâncias sólidas e insolúveis quando em contato com soluções de íons, troca esses íons por outros de sua própria estrutura sem que haja alterações de suas características estruturais.
Desgaseificação:
Aquecimento da água para eliminação de gases dissolvidos
Vapor direto 
5.4 Métodos de tratamento
Eliminação do oxigênio dissolvido:
Controle da corrosão
Reação entre agentes redutores e o O2.
Sulfito de sódio
 2 Na2SO3 + O2  2Na2SO4
Hidrazina:
 N2H4 + O2  2 H2O + N2
Mais modernos: Carbohidrazida e Ácido ascórbico
Controle do teor de cloretos e sólidos totais:
Controle da corrosão (em alta concentração de Cloretos)
Controle de arraste (teor de sólidos alto)
Purgas
Remoção de sílica:
Troca iônica 
Tratamento com óxidos de magnésio calcinado
5.4 Métodos de tratamento 
Eliminação da dureza: eliminação de carbonatos e sulfatos (depósitos duros e isolantes do calor – formação de incrustações). Métodos: 
Tratamento com quelatos:
Formação de produtos solúveis 
Quelantes utilizados: EDTA e NTA
Precipitação com fosfatos: 
Reação formando produto insolúvel não aderente as paredes da caldeira
Lodo acumulado no fundo 
Controle do pH e da Alcalinidade:
Soda a 50% e Soda em lentilhas (Hidróxido de Sódio)
Água de alimentação geralmente ácida
5.5 Considerações
Para caldeiras de baixa pressão, recomendado análise química semanal do pH, alcalinidade, dureza, fosfatos, sulfitos, cloretos e sólidos totais.
Para caldeiras de alta pressão, análise diárias dos itens citados.
Limpeza química da caldeira regular (ácido clorídrico com inibidor de corrosão)
Evitar entrada de ar na caldeira (evita corrosão): injeção de N2 no espaço vazio até uma pressão de 3-5 kgf/cm2
Observação da norma regulamentadora NR 13.3.3:
“A qualidade da água deve ser controlada e tratamentos devem ser implementados, quando necessários para compatibilizar suas propriedades físico-químicas com os parâmetros de operação da caldeira.”
5.5 Considerações
Principais grandezas de qualidade da água:
pH: Representa a medição de acidez ou alcalinidade. Quanto mais ácida, mas corrosiva.
Ácida: 1-6
Alcalina: 8-14
Neutra: 7
Dureza Total: Representa a soma das concentrações de Cálcio e Magnésio (tendência a formar incrustações). 
Mole: Até 50 ppm de CaCO3
Meio dura: 50 a 100 ppm de CaCO3
Dura: Acima de 100 ppm de CaCO3
5.5 Considerações
Valores Recomendados
6 referências
Altafini, C. R. Curso de Engenharia Mecânica – Máquinas Térmicas. Universidade de Caxias do Sul. 2002.
CRQ, IV Região. Tratamento químico de águas de Caldeira. Minicurso CRQ. 2008.
NR-13 Caldeiras e vasos de pressão. Publicação D.O.U. Portaria GM n.º 3.214, de 08 de junho de 1978.
Trovati, J. Tratamento de água para geração de vapor: Caldeiras. Curso On-line.
REDDY, V. S. et al. An Approach to Analyse Energy and Exergy Analysis of Thermal Power Plants: A Review. Smart Grid and Renewable Energy, 1, p. 143-152. 2010.
SINGH, O. Applied Thermodynamics. 3ª edição. Nova Déli: New Age International Publishers, 2009. p. 436-505.
CICLO RANKINE. In: WIKIPÉDIA, a enciclopédia livre. Flórida: Wikimedia Foundation, 2016. Disponível em: <https://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Ciclo_Rankine&oldid= 47226053>. Acesso em: 16 nov. 2016.
ENERGY DENSITY. In: WIKIPÉDIA, a enciclopédia livre. Flórida: Wikimedia Foundation, 2016. Disponível em: <https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Energy_density&ol did=751619661>. Acesso em: 19 nov. 2016.
6 referências
Caetano, Laercio. Estudo Comparativo da Queima de Óleo B.P.F. e de Lenha em Caldeiras – Estudo de Caso. Instituto Politécnico, Nova Friburgo. August 30th - September 3rd, 2004. 
MELO, C. Contribuição Científica. 2010. Disponível em: <http://jameswattcpe.blogspot.com.br/2010/04/contribuicao-cientifica.html>. Acesso em 26 nov. 2016.
PEREIRA, C. R. Invenções da antiguidade – Eolípila. Disponível em: <http://historiofobia.blogspot.com.br/2010/11/invencoes-da-antiguidade-eolipila.html>. Acesso em 26 nov. 2016
FOGAÇA, J. Carvão mineral ou natural. Brasil Escola. Disponível em: <http://brasilescola.uol.com.br/quimica/carvao-mineral-ou-natural.htm>. Acesso em 26 nov. 2016
Água para caldeiras: conheça os principais problemas e saiba como tratá-la. Revista TAE. 2012. Disponível em: <http://www.revistatae.com.br/noticiaInt.asp?id=3934>.  Acesso em 26 nov. 2016
7 agradecimentos
Ao Instituto;
À professora Patrícia;
A todos os presentes.
 OBRIGADO!