EER0013 Aula 14 Geradores de Vapor (Parte 2)

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Universidade Federal da Integração Latino-Americana
Instituto Latino-Americano de Tecnologia, Território e Infraestrutura
Engenharia de Energia
Prof. Fabyo Luiz Pereira
fabyo.pereira@unila.edu.br
UNILA – ILATTI – EE Foz do Iguaçu / PR
Aula 14 – Geradores de Vapor (Parte 2)
EER0013 – Máquinas Térmicas
EER0013 – Máquinas Térmicas 2 / 21
Tópicos da Aula
● Geradores de Vapor:
● Caldeiras:
● Aquatubulares:
● Circulação natural.
● Circulação assistida.
● Circulação forçada.
● Flamotubulares.
● Elétricas.
● Superaquecedores:
● Convectivos.
● Radiantes.
● Mistos.
● Atemperador.
● Economizadores. 
● Aquecedores de ar:
● Recuperativos.
● Regenerativos.
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Caldeiras Aquatubulares
● Caldeiras Aquatubulares:
● Construídas de forma que a água circule por dentro de
diversos tubos de pequeno diâmetro, dispostos como:
● Paredes d'água:
● Localizadas na câmara de combustão
● Predomina a troca de calor por radiação.
● Feixes tubulares:
● Localizados na parte posterior.
● Convecção e radiação.
● Tambores:
● Em zonas protegidas da radiação.
● Tratamento da água garante
durabilidade e segurança.
● Deve-se evitar incrustações nas
superfícies de aquecimento.
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Caldeiras Aquatubulares
● Circulação da Água:
● Se deve à diferença de densidade entre as fases líquida e vapor da água.
● Esta diferença tende a ser menor conforme a pressão de operação aumenta.
● No ponto crítico, não há distinção entre as fases.
● Classificação das caldeiras aquatubulares quanto à circulação da água:
● Caldeiras de circulação natural.
● Caldeiras de circulação assistida.
● Caldeiras de circulação forçada.
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Caldeiras Aquatubulares
● Caldeiras Aquatubulares de Circulação Natural:
● São a maioria das caldeiras aquatubulares existentes.
● Construídas geralmente com paredes d'água e feixes tubulares.
● Número de tambores variável.
● Atendem unidades de grande porte com pressões de trabalho de até 16000 kPa.
● Funcionamento:
● Ao circular pelos tubos, a água absorve calor da combsutão e vaporiza.
● Por ser mais leve, o vapor sobe na forma de bolhas pelos tubos quentes e vai 
para o tambor.
● O vazio deixado pelo vapor é
ocupado pelo líquido, que desce
pelas partes mais frias.
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Caldeiras Aquatubulares
● Algumas concepções de caldeiras de circulação natural:
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Caldeiras Aquatubulares
● Caldeira aquatubular de circulação natural de uma usina termelétrica:
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Caldeiras Aquatubulares
● Caldeiras Aquatubulares de Circulação Assistida:
● Construídas geralmente com paredes d'água e um único tambor.
● Funcionamento igual ao das de circulação natural, porém a água do tambor é 
continuamente movimentada por bombas de recirculação (alta vazão e pequeno 
salto de pressão).
● Operam com pressões desde zero até pressões próximas à crítica.
● Alta eficiência térmica.
● Atingem rapidamente o regime
permanente.
● Bombas de recirculação dispensam a
necessidade de tubos de grande
diâmetro.
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Caldeiras Aquatubulares
● Caldeiras Aquatubulares de Circulação Forçada:
● Conhecidas como caldeiras de passe forçado.
● Desenvolvidas para atender usinas termelétricas de alta potência.
● Não há recirculação de água.
● Uma bomba força a água a fluir em uma única passagem pela tubulação.
● Dispensam a instalação de tubos de grande diâmetro.
● Não há tambor separador, a menos que a pressão de trabalho seja inferior à 
crítica.
● Exigem um sistema de controle bastante
sofisticado, pois a temperatura do vapor na
saída dos superaquecedores varia
rapidamente se houver oscilação na vazão
de água.
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Caldeiras Flamotubulares
● Caldeiras Flamotubulares:
● Também conhecidas como fumotubulares.
● A água circula ao redor de diversos tubos,
montados entre espelhos, na forma de um
único feixe tubular.
● Os gases de combustão circulam por dentro dos tubos, em duas ou mais 
passagens, em direção à chaminé.
● Construídas com fornalhas:
● Internas Para combustíveis gasosos e líquidos.→
● Externas Para combustíveis sólidos.→
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Caldeiras Flamotubulares
● São muito vulneráveis a superaquecimentos e explosões, pois a pressão do vapor 
atua diretamente sobre as paredes, tubos, carcaça externa e espelhos.
● Para evitar este problema:
● Nível de água que circula dentro da caldeira deve sempre permanecer acima 
da tubulação por onde circulam os gases.
● Fornalha deve ser construída sempre junto à base ou mais ao centro da 
estrutura da caldeira, jamais na parte superior.
● Caldeiras de fornalha interna a óleo ou gás natural possuem rendimentos 
térmicos da ordem de 84%.
● Pressão de trabalho de até 1500 kPa.
● Vazão de vapor de até 15000 kg/h.
● Paredes corrugadas:
● Admitem maiores pressões de trabalho.
● Garantem maior segurança.
● Aumentam a superfície de troca de calor.
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Caldeiras Flamotubulares
● Tipos de fundo (figura ao lado, acima):
● Fundo seco.
● Fundo úmido.
● Fundo de retorno de chama.
● Na figura abaixo, é mostrada uma caldeira
flamotubular com fornalha externa, para
uso de carvão mineral ou lenha.
● Caldeiras flamotubulares:
● Menores gastos com manutenção.
● Tratamento da água garante durabilidade,
eficiência e segurança.
● Circulação de água é sempre natural.
● Vapor saturado deixa a caldeira com título
entre 97 e 99%.
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Caldeiras Elétricas
● Caldeiras Elétricas:
● Funcionam através da conversão direta de energia elétrica em energia térmica, 
através da passagem de uma corrente elétrica:
● Por resistências elétricas (efeito Joule).
● Através da própria água (com uso de eletrodos).
● Têm aplicação restrita às regiões onde a energia elétrica é abundante e barata.
● Caldeiras elétricas com resistências elétricas:
● Potência limitada a cerca de 2,5 MW.
● Taxa de evaporação de cerca de 1,3 kg/kWh.
● Rendimento térmico de 98%.
● Caldeiras elétricas com eletrodos:
● Eletrodos submersos.
● Eletrodos de jatos de água.
● A figura ao lado mostra uma caldeira elétrica de
eletrodos submersos.
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Superaquecedores
● Superaquecedores:
● São feixes tubulares que é elevam a temperatura do
vapor saturado proveniente do tambor separador da
caldeira, até o mesmo atingir a condição de vapor
superaquecido, nas condições desejadas de projeto.
● Localizados de modo a aproveitar da melhor forma
possível o calor disponível nos gases de combustão.
● Classificação:
● Superaquecedores convectivos:
● Instalados no trajeto dos gases de combustão,
onde a troca de calor predominante se dá por
convecção e radiação gasosa.
● Superaquecedores radiantes:
● Instalados no topo da câmara de combustão,
onde a troca de calor por radiação predomina.
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Superaquecedores
● Superaquecedores mistos:
● Uso combinado dos superaquecedores convectivo e radiante ajuda a manter 
estável a temperatura do vapor, mesmo com variação da carga da caldeira.
● Se a carga da caldeira variar:
● O fluxo de vapor e o fluxo de gases de combustão varia.
● Temperatura dos gases de combustão varia.
● Aumento da capacidade de troca térmica por convecção.
● Redução da capacidade de troca térmica por radiação.
● Ambas tendem a se contrabalancear.
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● Atemperador:
● Equipamento usado para corrigir (diminuir) a temperatura do vapor 
superaquecido na saída do superaquecedor radiante, através da injeção de água 
ou vapor saturado no mesmo.
● Geralmente se localizam entre o superaquecedor radiante e o convectivo.
Superaquecedores
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Superaquecedores
● Fatores que influenciam no projeto dos superaquecedores:
● Gases de combustão Temperatura e velocidade.→
● Vapor Temperatura e velocidade.→
● Banco de tubos Arranjo e posicionamento.→
● Tubos e suportes Tipo de material.→
 
● Problemas operacionais:
● Se os gases seguirem caminhos preferenciais:
● Superaquecimentos localizados.
● Provocam trincas ou rupturas.
● Deposição de cinzas sobre a superfície dos tubos dos superaquecedores:
● Redução na taxa de troca térmica.
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Economizadores
● Economizadores:
● São trocadores de calor cujo objetivo é elevar a temperatura da água de 
alimentação da caldeira mediante o aproveitamento da energia residual ainda 
disponível nos gases de combustão, após estes terem perdido calor para os 
superaquecedores.
● Localizados depois dos superaquecedores e antes dos aquecedores de ar.
● Aumentam a eficiência térmica das
unidades geradoras de vapor.
● Aplicam-se apenas a unidades de
grande porte, devido a questões
técnicas e econômicas.
● A presença de óxido sulfúrico (SO3)
nos gases de combustão é um
problema.
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Aquecedores de Ar
● Aquecedores de ar:
● São trocadores de calor que transferem calor dos gases de combustão para o ar 
de combustão, aumentando sua temperatura.
● Se localizam no final do trajeto dos gases de combustão, após o economizador.
● Vantagens:
● Representam uma economia de energia de 5 a 10% (redução do consumo de 
combustível).
● Aumento da velocidade da combustão.
● A combustão ocorre de modo uniforme e estável.
● Classificação:
● Recuperativos.
● Regenerativos.
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Aquecedores de Ar
● Aquecedores Recuperativos:
● A transferência de energia é direta.
● Tubular (figura ao lado):
● Formados por uma bateria de tubos
retos e de grande comprimento.
● Fixados nos extremos por espelhos.
● Vantagens: resistentes e simples.
● Desvantagens: ocupam grandes
espaços e custo inicial elevado.
● De placas:
● Construídos em vários módulos, com
placas delgadas, planas e paralelas.
● Vantagem: construção compacta.
● Desvantagem: grande dificuldade de
manutenção e limpeza.
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Aquecedores de Ar
● Aquecedores Regenerativos:
● A transferência de energia é indireta.
● Constituídos por uma carcaça cilíndrica,
dividida em dois compartimentos,
destinados à passagem dos gases
quentes e do ar de combustão, com
fluxo em contra-corrente.
● O rotor é composto por placas de metal
corrugadas.
● Rotação de 2 a 4 rpm.
● As placas são montadas em módulos,
para facilitar a manutenção e limpeza.
● Selos radiais e periféricos minimizam as
fugas de ar ou gases.
● Exemplo: Aquecedor Ljungstroem.
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