EER0013 Aula 13 Geradores de Vapor (Parte 1)

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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 13 – Geradores de Vapor (Parte 1)
EER0013 – Máquinas Térmicas
EER0013 – Máquinas Térmicas 2 / 24
Tópicos da Aula
● Geradores de Vapor:
● Principais componentes:
● Fornalha.
● Caldeira.
● Superaquecedor.
● Atemperador.
● Economizador.
● Aquecedor de ar.
● Classificação de caldeiras:
● Aquotubulares.
● Flamotubulares.
● Elétricas.
● Tipos de Fornalhas:
● De queima em suspensão.
● De queima em grelha.
● De queima em leito fluidizado.
● Fornalhas:
● Volume da fornalha.
● Queimadores.
● Ar de combustão.
● Taxa de carregamento.
● Tecnologias de queima de combustíveis:
● Queima de óleo.
● Queima de carvão pulverizado.
● Queima em grelha.
● Queima em leito fluidizado.
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Componentes de um Gerador de Vapor Aquotubular
● Componentes de um Gerador de Vapor Aquotubular:
● Fornalha ou Câmara de combustão.
● Caldeira:
● Paredes d'água.
● Tambor.
● Superaquecedor:
● Radiante.
● Convectivo.
● Misto (radiante + convectivo).
● Atemperador.
● Reaquecedor (opcional).
● Economizador (opcional).
● Aquecedor de ar (opcional).
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Componentes de um Gerador de Vapor Aquotubular
● Fornalha ou Câmara de Combustão:
● É onde ocorre a conversão da energia química do
combustível em energia térmica.
● Queimadores sopram a mistura de carvão pulverizado e ar.
● Cinzas pesadas caem por gravidade no fundo.
● Cinzas leves são arrastadas pelos gases.
● Caldeira:
● É onde ocorre a mudança de fase da água líquida para vapor.
● Composta pelas paredes d'água e pelo tambor.
● Paredes d'água: Tubos dispostos lado a lado nas paredes.
● Tambor:
● Acumula o vapor saturado formado após a água circular
por diferença de densidade nas paredes d'água.
● Possui a função de separar o vapor do líquido saturado.
● O vapor sai do tambor e segue aos superaquecedores.
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Componentes de um Gerador de Vapor Aquotubular
● Superaquecedor:
● São trocadores de calor que objetivam aumentar a
temperatura do vapor saturado vindo do tambor,
transformando-o em vapor superaquecido, que é então
enviado à turbina a vapor.
● Composto por um ou mais feixes tubulares.
● Absorvem energia por radiação e convecção.
● Atemperador:
● Objetiva controlar a temperatura final do vapor
superaquecido que é enviado à turbina a vapor.
● O controle é feito injetando água líquida ou vapor saturado,
quando o vapor superaquecido possui uma temperatura
maior que a desejada.
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Componentes de um Gerador de Vapor Aquotubular
● Reaquecedor:
● São trocadores de calor que possuem a mesma função do
superaquecedor.
● Usado quando a turbina a vapor possui mais de um estágio,
sendo necessário elevar a temperatura do vapor para o
estágio seguinte.
● Economizador:
● São trocadores de calor que objetivam pré-aquecer a água
líquida de alimentação.
● Instalado após os superaquecedores, absorvendo o
calor residual dos gases de combustão.
● Aumenta o rendimento térmico da instalação.
● Minimiza o choque térmico.
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Componentes de um Gerador de Vapor Aquotubular
● Aquecedor de ar:
● São trocadores de calor que objetivam pré-aquecer o ar de combustão, através 
da absorção do calor residual contido nos gases de combustão após passar pelo 
superaquecedor, reaquecedor e economizador.
● Contribui para aumentar a eficiência energética da planta.
● Temperatura final dos gases de combustão:
● Fator determinante do real aproveitamento térmico das unidades geradoras 
de vapor.
● Deve ficar entre 120 a 300oC.
● Geralmente se localiza depois do economizador.
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Componentes de um Gerador de Vapor Aquotubular
● Correntes Paralelas x Correntes Opostas:
● Trocadores de calor que operam com correntes opostas (ou contra-corrente) são 
mais vantajosos que aqueles que operam com correntes paralelas, pois:
● Possuem maior eficiência.
● Apresentam menores superfícies de aquecimento.
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Classificação de Caldeiras
● Classificação de caldeiras:
● Aquotubulares:
● Água circula pelos tubos (gases de combustão circulam por fora).
● Uso abrangente, atendendo desde pequenas fábricas a grandes centrais.
● Produzem vapor superaquecido (até 25 Mpa).
● Vapor é usado para acionamento mecânico (turbinas a vapor).
● Flamotubulares:
● Gases de combustão circulam pelos tubos (água circula por fora).
● Uso limitado a instalações de pequeno porte.
● Produzem vapor saturado (p ≤ 1,5 Mpa), com vazões mássicas ≤ 15 t/h.
● Vapor é usado em processos industriais (aquecimento, cocção, etc).
● Elétricas:
● Convertem a energia elétrica diretamente em energia térmica (efeito Joule).
● Usam resistências elétricas ou eletrodos.
● Uso restrito às regiões onde a energia elétrica é abundante e barata.
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Fornalhas
● Fornalhas de queima em suspensão:
● Possuem aplicação abrangente.
● Permitem a queima de óleo, carvão pulverizado, casca de
arroz, gás natural, serragem, resíduos industriais, etc.
● Fornalhas de queima em leito fluidizado:
● Aplicação restrita a carvões com alto teor de cinzas.
● Consomem combustíveis sólidos como carvão.
● Fornalhas de queima em grelha:
● Restrita a unidades de pequeno e médio porte.
● Consomem combustíveis sólidos como carvão 
mineral, carvão vegetal e lenha.
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Fornalhas
● Volume da Fornalha:
● Deve ser suficiente para garantir uma combustão eficiente.
● Volumes pequenos: Combustão parcial com presença de incombusto nos gases.
● Volumes grandes: Menores temperaturas da fornalha (maior área superficial), 
dificultando a ignição.
● Carga térmica volumétrica:
● Depende do tipo de combustível, capacidade do gerador, processo de 
queima e características da câmara de combustão.
● Pode ser determinada por:
q̄= q˙V cc
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Fornalhas
● Queimadores:
● Equipamentos compactos instalados em fornalhas de queima em suspensão.
● Promovem o insuflamento e combustão da mistura ar + combustível na fornalha.
● Devem garantir chama estável e transferência de calor homogênea para as 
paredes d'água.
● Seu número depende da capacidade individual e da carga térmica da câmara.
● Disposição dos queimadores:
● Posição frontal: Mais comum para queima de
carvão pulverizado e praticamente em todas as
fornalhas a óleo.
● Posição vertical: Conveniente para fornalhas a
carvão pulverizado com fundo úmido.
● Posição tangencial: Queimadores nos cantos da
fornalha, que provocam um movimento rotacional
de alta turbulência sobre o núcleo da chama.
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Fornalhas
● Ar de Combustão:
● Primário:
● Usado para nebulização do óleo, transporte de partículas de combustível 
pulverizado ou na destilação preliminar de hidrocarbonetos.
● Secundário:
● Lançado de encontro à nuvem de mistura ar + combustível.
● Assegura uma combustão completa e estável.
● Terciário:
● Raramente usado.
● Mesmo objetivo do ar secundário.
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Fornalhas
● Taxa de Carregamento:
● Define preliminarmente as dimensões de uma grelha para queima de 
combustíveis sólidos.
● Depende:
● Do tipo de grelha.
● Do tipo de combustível.
● Da tiragem dos gases de combustão.
● Pode ser determinada por:
m̄cb=
m˙cb
Ag
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Tecnologias de Queima de Combustíveis
● Queima de Óleo:
● Geralmente é utilizada para dar a partida em fornalhas de queima em suspensão.
● Densidades de potência:● Caldeiras flamotubulares Até 2.000 kW/m→ 3.
● Caldeiras aquatubulares Menores que 400 kW/m→ 3.
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Tecnologias de Queima de Combustíveis
● Tipos de Queimadores de Óleo:
Nebulização mecânica de pressão direta. Nebulização mecânica de pressão direta
com retorno de óleo.
Nebulização mecânica com fluido auxiliar. Nebulização mecânica por copo rotativo.
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Tecnologias de Queima de Combustíveis
● Queima de Carvão Pulverizado:
● O uso de carvão exige cuidados com:
● Estabilidade da chama.
● Preparação (esteiras, silos, moinhos).
● Exige investimentos adicionais.
● Ar de combustão:
● Pré-aquecido pelos gases de
combustão no aquecedor de ar.
● Uma parte é desviada para classificar,
pré-secar e transportar o carvão pulverizado dos moinhos até os 
queimadores.
● Carvão pulverizado:
● Granulometria é variável.
● Boa pulverização 70 a 90% do carvão tem granulometria inferior a 75 → μm.
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Tecnologias de Queima de Combustíveis
● Vantagens do Uso de Carvão Pulverizado:
● Atendem a caldeiras de grande porte.
● Alta eficiência térmica.
● Combinadas com queimadores a óleo ou a gás.
● Flexibilidade de operação (resposta rápida).
● Queimadores:
● Diversos tipos estão disponíveis.
● Defletores causam movimento (turbulência) de rotação nos dois jatos.
● Problema constante:
● Manter as condições de operação desejadas.
● Qualquer flutuação na demanda de vapor altera a temperatura de saída dos 
gases no topo da câmara de combustão.
● Queimadores inclináveis ou em diversos níveis viabilizam o 
reestabelecimento das condições desejadas de forma rápida e segura.
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Tecnologias de Queima de Combustíveis
● Tipos de Fornalhas de Carvão Pulverizado:
 
Fornalha de fundo seco. Fornalha de fundo úmido. Fornalha tipo ciclone.
Comparação de porcentagem de cinzas retidas em unidades de 600 MW.
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Tecnologias de Queima de Combustíveis
● Queima em Grelha:
● Atendem a caldeiras de pequeno e médio porte.
● Se adaptam ao consumo de vários tipos de combustíveis (carvão, lenha, bagaço 
de cana, resíduos industriais, etc).
● Queima de combustível é parcial Presença de carbono incombusto no cinzeiro.→
● Área da grelha é determinada pela taxa de carregamento, que depende:
● Do tipo de grelha.
● Do grau de automação.
● Da forma de alimentação e
extração de cinzas.
● Tipo de combustível, quantidade
de cinzas e teor de voláteis.
● Fluxo de ar e tiragem dos gases
de combustão.
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Tecnologias de Queima de Combustíveis
● Tipos de Fornalhas de Grelha:
 
Fornalha de grelha fixa
ou estacionária.
Fornalha de grelha móvel rotativa. Fornalha de grelha móvel
de placas paralelas e oscilantes.
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Tecnologias de Queima de Combustíveis
● Muitas vezes, a queima de combustíveis sólidos exige a instalação de queimadores 
a óleo ou a gás para, quando necessário, garantir a sustentação da chama ou auxiliar 
no acendimento.
● Exemplo 3.3 (pg 47).
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Tecnologias de Queima de Combustíveis
● Queima em Leito Fluidizado:
● Queima em grelha e queima em suspensão demandam sempre investimentos 
adicionais para compensar a má qualidade de alguns combustíveis (carvão com 
alto teor de cinzas e enxofre).
● Sistemas de controle e remoção destes compostos envolvem altos custos e 
apenas minimizam o problema.
● Fornalhas de leito fluidizado:
● Alternativa viável para contornar todos estes problemas.
● Operam eficientemente com combustíveis menos nobres e a baixo custo.
● O combustível permanece em suspensão no leito, sob ação de uma corrente 
ascendente de ar, o tempo suficiente para que a combustão se complete.
● A concentração de combustível no leito é geralmente inferior a 5%.
● A remoção das cinzas é necessária sempre que houver excesso de material 
inerte no leito.
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Tecnologias de Queima de Combustíveis
● Tipos de leito fluidizado:
Fornalha de leito fluidizado
estacionário ou borbulhante.
Fornalha de leito fluidizado
circulante.
● Movimentação contínua do leito garante:
● Taxas de transferência de calor muito acima das de outros tipos de fornalhas.
● Presença mínima de carbono incombusto nas cinzas.
● Grande vantagem: A absorção do calor liberado chega a ser maior que 50%.
● Exemplo 3.4 (pg 53).
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