CALDEIRA HIBRIDA PARA GERAÇÃO E CONVERSÃO ELETROMECÂNICA DE ENERGIA

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UNIVERSIDADE POTIGUAR - UNP 
ESCOLA DE ENGENHARIAS E CIÊNCIAS EXATAS 
ENGENHARIA ELÉTRICA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CALDEIRA HIBRIDA PARA GERAÇÃO E CONVERSÃO ELETROMECÂNICA DE 
ENERGIA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
NATAL-RN 
JUNHO/2017 
 
 
ALLISSON RUSK 
CAIO GRACO 
ELIAS LEIDSON 
FRANCISCO VLAUBER 
MAILTON ISMAR 
PAULO SERGIO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CALDEIRA HIBRIDA PARA GERAÇÃO E CONVERSÃO ELETROMECÂNICA DE 
ENERGIA 
 
 
 
 
 
 
Parte escrita do Projeto de Geração e 
conversão eletromecânica de 
energia, apresentado ao 
Departamento de Engenharia Elétrica 
da Universidade Potiguar, como 
parte integrante de avaliação 
semestral das disciplinas de 
conversão eletromecânica de energia 
bem como geração de energia 
elétrica. 
 
Orientador: Prof. Dr. João Campos 
 
 
 
NATAL 
2017 
 
RESUMO 
Neste trabalho é apresentado o protótipo de uma caldeira que funcionará de 
maneira hibrida afim de gerar uma determinada potência para geração de energia. 
Nele, são abordados temas referentes aos elementos obrigatórios e opcionais que 
devem compor o equipamento, bem como a disposição física do mesmo. Também 
são discutidas as principais características e comportamentos típicos a este tipo de 
equipamento com o auxílio de tabelas, figuras, quadros, gráficos dentre outros; afim 
de esclarecer o modo de operação do dispositivo. 
 
LISTA DE FIGURAS 
Figura 1 - Caldeira Flamotubular. ............................................................................................ 6 
Figura 2 - Caldeira Aquatubular ............................................................................................... 7 
Figura 3 – Válvula de segurança de pressão ............................................................................. 8 
Figura 4 - Indicador de Nível.................................................................................................... 8 
Figura 5 - Sensor de temperatura PT100 .................................................................................. 9 
Figura 6 - A Eolípia ................................................................................................................ 10 
Figura 7 - Funcionamento básico de uma turbina a vapor...................................................... 11 
Figura 8 - Primeiro Rascunho ................................................................................................. 12 
Figura 9 - Parábola com espelhos para sistema heliotérmico ................................................. 13 
Figura 10 - Ventilador para confecção da turbina .................................................................. 13 
Figura 11 - Alternador automotivo ......................................................................................... 14 
Figura 12 - Tubulação de aço 8' .............................................................................................. 14 
Figura 13 - Diagrama elétrico dos sensores ............................................................................ 15 
Figura 14 - Lógica LADDER ................................................................................................. 17 
Figura 15 - Confecção do conversor ....................................................................................... 18 
Figura 16 - Diagrama elétrico do conversor ........................................................................... 18 
Figura 17 - Circuito impresso do conversor ........................................................................... 19 
Figura 18 - Aproximação do ciclo Rankine simples .............................................................. 19 
Figura 19 - Código Matlab para o gráfico de Rankine ........................................................... 22 
Figura 20 - Gráfico de Rankine pelo Matlab .......................................................................... 23 
 
SUMÁRIO 
 
 
1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 5 
2 CALDEIRAS ...................................................................................................................... 6 
2.1 Definição NR-13 ......................................................................................................... 6 
2.2 Classificação ............................................................................................................... 6 
2.3 Componentes e equipamentos ................................................................................ 7 
2.3.1 Equipamentos Auxiliares ................................................................................ 8 
2.4 Tratamento de água para caldeiras ........................................................................ 9 
3 TURBINA ......................................................................................................................... 10 
3.1 Histórico ..................................................................................................................... 10 
3.2 Definição de turbina a vapor .................................................................................. 10 
3.3 Funcionamento ......................................................................................................... 11 
4 DETALHES CONSTRUTIVOS DO PROJETO ......................................................... 11 
4.1 Ideia inicial ................................................................................................................. 11 
4.2 Materiais utilizados .................................................................................................. 12 
4.3 Sistema elétrico do equipamento .......................................................................... 14 
4.4 Lógica LADDER do equipamento ......................................................................... 16 
4.5 Confecção do conversor ......................................................................................... 17 
4.6 Ciclo Rankine e estimativa de geração ................................................................ 19 
5 CONCLUSÕES ............................................................................................................... 23 
 
 
 
 
5 
1 INTRODUÇÃO 
A caldeira trata-se de um equipamento destinado a gerar vapor através de 
uma troca térmica entre a fonte geradora de calor e o liquido (água) utilizado como 
fluido a ser comprimido, desde que seja aquecido de forma indireta através das 
partes metálicas da mesma. Transferindo o calor ao liquido interno, passando o 
mesmo ao estado gasoso (vapor pressurizado). 
A necessidade e finalidade de se gerar vapor advém do intuito de movimentar 
máquinas para realização de trabalho e turbinas para geração de energia elétrica. 
Com o passar do tempo e com o surgimento de novas tecnologias para geração de 
energia limpa, cada vez mais são utilizados sistemas híbridos para redução de 
impactos e geração limpa de energia. Com este foco foi implantado, a critério dos 
pensadores integrantes do grupo em conjunto com o orientador do projeto, uma 
forma a vir reduzir a utilização de gás para geração de calor. Desta forma foi 
implantado um pré – aquecedor na caldeira sendo este composto por um sistema 
heliotérmico de geração de calor, fabricado de forma artesanal e apresentando um 
bom resultado em relação a quantidade de calor gerado. 
 
 
 
6 
 
2 CALDEIRAS 
2.1 Definição NR-13 
“Caldeiras a vapor são equipamentos destinados a produzir e acumular vapor 
sob pressão superior à atmosférica, utilizando qualquer fonte de energia, 
excetuando-se os refervedores e equipamentos similares utilizadosem unidades de 
processo. “ 
As caldeiras ou geradores de vapor, são equipamentos destinados a 
transformar água em vapor. A energia necessária à operação, isto é, o fornecimento 
de calor sensível à água até alcançar a temperatura de ebulição, mais o calor latente 
a fim de vaporizar a água e mais o calor de superaquecimento para transformá-la em 
vapor superaquecido, é dada pela queima de um combustível. 
 
2.2 Classificação 
As caldeiras podem ser classificadas, conforme o tipo, de duas formas. São elas: 
 Flamotubular: Os produtos de combustão circulam no interior dos tubos, que 
ficam imersos na água a ser vaporizada. 
 
Fonte: Prominp - 2008 
 
Figura 1 - Caldeira Flamotubular. 
 
 
 
7 
 Aquatubulares: A água a ser vaporizada circula pelos tubos, e os produtos de 
combustão pelo exterior deles. 
Fonte: Prominp - 2008 
 
Figura 2 - Caldeira Aquatubular 
2.3 Componentes e equipamentos 
Nesta seção, teremos uma abordagem a respeito das partes e equipamentos 
dispostos na caldeira e a função de cada um deles. 
a) Tubulão de água inferior – É o elemento de ligação dos tubos para 
possibilitar a circulação de água na caldeira, tem por função de acumular 
lama formada pela reação dos produtos químicos com a água da caldeira. A 
água que sai deste sistema é encaminhada para tratamento. 
b) Tubulão de água superior – É um corpo de água cilíndrico contendo em seu 
interior água e vapor formado pela troca térmica entre os gases da combustão 
e a água em circulação na caldeira. Sua principal função é separar a água do 
vapor (ambos saturados). Estes tubos, contém conexões para visores de 
nível, válvulas de segurança, instrumentos de indicação e controle, além de 
tubos de ligação com superaquecedor de vapor. 
c) Defletor – É constituído de chapas, colocados no costado frontal do tubulão 
de vapor, formando uma câmara para receber o vapor, dos tubos geradores. 
d) Queimadores – Os queimadores são peças destinadas a promover, de forma 
adequada e eficiente, a queima dos combustíveis em suspenção. 
 
 
 
 
8 
2.3.1 Equipamentos Auxiliares 
Neste momento serão descritos de forma breve os equipamentos auxiliares a 
montagem e funcionamento da caldeira. 
a) Válvulas de segurança – As válvulas de segurança, ou de alivio de pressão, 
são dispositivos que protegem automaticamente os equipamentos de 
processo de um eventual excesso de pressão. Caldeiras e vasos de pressão, 
obrigatoriamente necessitam desses dispositivos de segurança para sua 
proteção, em cumprimento a legislação através de normas como a NR-13, e 
atendendo aos códigos nacionais e internacionais de projeto. 
Fonte: http://www.mabore.com.br/valvula-de-seguranca-ref-vss-175-schweers/p 
 
Figura 3 – Válvula de segurança de pressão 
 
b) Indicadores de nível – Tem por objetivo indicar o nível de água dentro do 
tubulão de evaporação. Em geral, são constituídos por um vidro tubular. 
Fonte: http://www.casadacaldeira.com.br/home/produtos/visores-de-nivel/indicador-de-nivel/ 
 
Figura 4 - Indicador de Nível 
c) Sistemas de controle de água de alimentação – devem regular o 
abastecimento de água ao tubulão de evaporação para manter o nível entre 
limites desejáveis. Esses limites devem ser observados no indicador de nível. 
 
 
9 
A quase totalidade das caldeiras são equipadas com sistemas automatizados, 
que proporcionam maior segurança, maiores rendimentos e menores gastos 
de manutenção. 
d) Sensores de temperatura – Os sensores fazem a medição da temperatura 
dos fluidos. São mais utilizados os PT100, medem as temperaturas dos gases 
de combustão, do ar de entrada, da água de entrada, do vapor gerado e do 
combustível. 
Fonte: http://www.ecil.com.br/temperatura-industrial/sensores-pt100/ 
 
Figura 5 - Sensor de temperatura PT100 
2.4 Tratamento de água para caldeiras 
A água para caldeiras deve receber tratamento que permita: remoção total ou 
parcial de sais de cálcio e magnésio, os quais produzem incrustações. O processo, 
designado por abrandamento da água pela cal soldada, consiste na injeção de 
soluções de CaO (cal) e NaCO3 (carbonato de sódio) para precipitar o carbonato de 
cálcio e formar hidróxido de magnésio floculado, de modo a serem removidos antes 
de a água ser bombeada para a caldeira. As principais grandezas de qualidade da 
água são: Dureza total e PH. 
Com relação a manutenção, todo tratamento para obter bons resultados 
depende de um controle eficiente e sistemático, sejam dos parâmetros químicos ou 
físicos, como de certas operações e procedimentos, controle químico, limpeza 
química das caldeiras, proteção de caldeiras contra corrosões, etc. 
Um dos principais responsáveis pela deterioração das caldeiras é a corrosão, 
que age como fator de redução da espessura das superfícies submetidas à pressão. 
A corrosão não é sentida pelos instrumentos de operação da caldeira, ou seja, os 
pressostatos e as válvulas de segurança não detectam sua evolução por que não é 
acompanhada por elevação de pressão. 
 
 
 
10 
3 TURBINA 
3.1 Histórico 
O primeiro motor movido a vapor que se tem registro na história era 
considerado um mero brinquedo, a eolípia foi inventada no primeiro século por 
Heron de Alexandria. 
Outros dispositivos só foram inventados muito tempo depois, um destes foi 
criado pelo italiano Giovanni Branca no ano de 1629. 
Fonte: http://historiofobia.blogspot.com.br/2010/11/invencoes-da-antiguidade-eolipila.html 
 
Figura 6 - A Eolípia 
 
A turbina a vapor moderna foi inventada por Anglo Irishman em 1884, porém 
foi Charles A. Parsons que acoplou a turbina em dínamo visando a geração de 
energia elétrica. Porém os grandes saltos de tecnologia só ocorreram após a 
revolução industrial e as guerras mundiais. 
3.2 Definição de turbina a vapor 
A turbina a vapor é definida como sendo uma máquina térmica, onde a 
energia potencial termodinâmica contida no vapor é convertida em trabalho 
mecânico. 
Desta forma, as turbinas a vapor são máquinas de combustão externa (os 
gases resultantes da queima do combustível não entram em contato com o fluído de 
trabalho que escoa no interior da máquina e realiza os processos de conversão da 
energia do combustível em potência de eixo). Devido a isto, apresentam uma 
 
 
11 
flexibilidade em relação ao combustível a ser utilizado, podendo usar inclusive 
aqueles que produzem resíduos sólidos (cinzas) durante a queima. 
3.3 Funcionamento 
A passagem do vapor gera forças, que aplicadas às pás, determinam um 
momento motor resultante, que faz girar o rotor. Trata-se de uma máquina térmica 
que utiliza a energia do vapor sob forma de energia cinética 
Fonte: http://www.mspc.eng.br/termo/termod0540.shtml 
 
Figura 7 - Funcionamento básico de uma turbina a vapor 
 
Quando a turbina é acoplada a um gerador, se obtém a transformação da 
energia mecânica em energia elétrica. 
 
4 DETALHES CONSTRUTIVOS DO PROJETO 
4.1 Ideia inicial 
A ideia do projeto foi pensada e apresentada a equipe pelo Prof. Dr. João 
Campos como parte integrante de nota para as disciplinas de conversão e geração 
de energia. Em primeiro instante, nosso projeto seria apenas uma caldeira 
convencional. Porém, no decorrer da disciplina, decidimos inserir um pré aquecedor 
juntamente com um sistema heliotérmico, buscando reduzir o consumo de gás 
utilizado na queima para aquecimento da água. 
 
 
12 
Fonte: Próprio do autor 
 
Figura 8 - Primeiro Rascunho 
Reformuladas as ideias, demos início ao projeto definitivo e incorporamos 
outros equipamentos de acordo com as necessidades que foram surgindo durante o 
processo de fabricação. 
4.2Materiais utilizados 
O critério máximo de reutilização de sucatas e materiais descartados foi 
usado para minimizar os custos do projeto, com isso os recipientes de pré- 
aquecimento, tubulão para aquisição da água, manta térmica para reduzir as perdas 
de calor, zinco de proteção a manta térmica, tubos e conexões de interligação, 
parábola e espelhos, alternador automotivo, turbina de ventilador axial, foram todos 
retirados de sucatas de outros equipamentos que já estavam fora de operação. 
 
 
13 
Fonte: Própria do autor 
 
Figura 9 - Parábola com espelhos para sistema heliotérmico 
Para a parábola, foram cortados espelhos em tamanhos iguais e colados lado 
a lado com silicone afim de concentrar a incidência e reflexão da radiação solar em 
um único foco. 
Fonte: Própria do autor 
 
Figura 10 - Ventilador para confecção da turbina 
 A turbina axial foi retirada de um ventilador de cabine de elevador e 
trabalhada de acordo com a necessidade do projeto. 
 
 
14 
Fonte: Própria do autor 
 
Figura 11 - Alternador automotivo 
 O alternador automotivo foi pensado por ser tratar de um equipamento pronto 
e com forma de onda retificada ou alternada, ficando a escolha do grupo que tipo de 
tensão utilizar. 
Fonte: Própria do autor 
 
Figura 12 - Tubulação de aço 8' 
 A tubulação de aço foi escolhida por medida de segurança por se tratar de um 
equipamento que irá trabalhar a uma pressão considerável. 
 
4.3 Sistema elétrico do equipamento 
Como parte do sistema de comando, foram usados os seguintes 
equipamentos: 
 CLP (Controlador Lógico Programável); 
 
 
15 
 Relé de nível; 
 Indicador de temperatura; 
 Sensor de temperatura (PT100); 
 Válvula solenoide; 
 Sinaleiros; 
 Botoeiras; 
 Displays LCD 16x2; 
 Arduino Uno R3 e 
 Conversor DC/AC. 
 
 
Fonte: Própria do autor 
 
Figura 13 - Diagrama elétrico dos sensores 
 
 
 
 
 
 
 
16 
4.4 Lógica LADDER do equipamento 
Ao ser acionada a botoeira B1 (NA), o sistema está ligado e pronto para 
operar. Estando a caldeira vazia, conforme sinal do relé de nível, é acionada a 
válvula Y1 de abastecimento de água até que a água no interior da caldeira atinja 
seu nível de trabalho. Após a água atingir o nível de trabalho, a válvula Y1 é fechada 
e a lâmpada L1 de sinalização de nível de água é ligada. O próximo passo é 
acender a chama no queimador de gás e com isso, é iniciado o processo de 
aquecimento da água com o acompanhamento da temperatura interna da caldeira 
através do indicador de temperatura que nos mostra o valor medido pelo PT100. Ao 
tingir o valor os valores de temperatura e pressão necessários, a lâmpada L2 é 
ligada, e é realizada a abertura da válvula reguladora (este processo é realizado 
manualmente) até que o vapor saia com pressão e vazão suficientes para mover a 
turbina. A velocidade da turbina é medida através de um encoder que está 
interligado a um arduino que nos fornece os valores processados através do display 
LCD. 
Estando a turbina em sua velocidade de trabalho, definida entre 800 e 1000 
RPM, o gerador acoplado a turbina nos fornece 12 Volts em corrente contínua. Essa 
tensão gerada é convertida na tensão de corrente alternada ao nível de 220 Volts 
com frequência de 60 Herts. 
Sempre que o nível de água no interior da caldeira for diminuindo, é iniciado 
um novo ciclo que irá se repetir até que seja acionada a botoeira B0 que desliga 
todo o sistema. 
 
 
 
17 
Fonte: Própria do autor 
 
Figura 14 - Lógica LADDER 
 
4.5 Confecção do conversor 
O princípio de funcionamento deste circuito é gerar uma frequência entre 50 e 
60Hz através do circuito integrado CD 4074. Este sinal que sai dos pinos 10 e 11 
(conforme ilustrado na figura abaixo), estão em fases opostas de 180º. Estes pulsos 
de 50 ou 60 Hertz são levados para os transistores MOSFET IRFZ 46 que 
amplificam estes pulsos dando-lhes mais corrente. Depois de amplificado, o pulso é 
levado ao transformador gerando alta tensão no secundário de 220Volts ou 110 
Volts CA dependendo do transformador usado. 
A onda de saída do conversor é quadrada podendo ser melhorada chegando 
a uma onda “modificada” de acordo com o valor do filtro C3. 
O sinal de saída não é senoidal. Portanto, não podemos usar este conversor 
para alimentar cargas indutivas como os motores elétricos, por exemplo. 
O circuito integrado usado é o CD4047. É um circuito 
integrado TTL que opera tanto no modo monoestável quanto no modo astável. 
Os componentes do oscilador do CD4047, são C1 e C2 (entre os pinos 1 e 3) 
e R3 (entre os pinos 2 e 3). Eles irão determinar a largura de pulso de saída no 
modo monoestável, e a frequência de saída no modo astável. 
 
 
 
 
18 
Fonte: Própria do autor 
 
Figura 15 - Confecção do conversor 
Fonte: Própria do autor 
 
Figura 16 - Diagrama elétrico do conversor 
Fonte: Própria do autor 
 
 
19 
 
Figura 17 - Circuito impresso do conversor 
 
 
 
4.6 Ciclo Rankine e estimativa de geração 
O ciclo Rankine trata-se de uma revolução termodinâmica com a capacidade 
de converter calor em trabalho, com isso podemos observar ou estimar a eficiência 
de uma máquina térmica. Abaixo temos o que seria uma aproximação do ciclo 
Rankine simples, observa-se que a curva de vapor saturado possui inclinação 
negativa, característica de fluidos úmidos. Por esta razão, o fluido na saída da 
turbina é constituído de uma mistura de vapor e água saturada. 
 
Fonte: http://www.mspc.eng.br/termo/termod0540.shtml 
 
Figura 18 - Aproximação do ciclo Rankine simples 
 
 
 
20 
Diante deste conceito, atribuímos e medidos alguns parâmetros de nosso 
projeto para tirar conclusões a respeito do rendimento da máquina. Os passos a 
seguir demonstram o dito. 
Calculando o volume do cilindro em m³: 
 
Sabendo que, 
 
O volume do cilindro é obtido através de: 
 
Calculando a massa da água, 
 
 
 
 
 
Sabendo que o volume colocado para teste foi de 7 litros, 
 
 
 
Calculando a potência, utilizando uma medida de temperatura através de 
equipamentos como um termovisor, PT100 e LM35. Para a potência da caldeira 
obtemos h1=160°c e h2=120°c. 
Com isso a potência disponível (real), 
 
 
 
Potencial energético (ideal), 
 
 
 
21 
 
 
Calculando o rendimento, 
 
Energia depois de 6h, 
 
 
 
Com o auxílio da ferramenta Matlab é possível visualizar os valores 
comentados a respeito do ciclo de Rankine estimado em nosso projeto; 
Fonte: Próprio do autor 
 
 
 
22 
 
 
Figura 19 - Código Matlab para o gráfico de Rankine 
 
Gráfico de resposta do código Matlab para a estimativa de rendimento do 
equipamento. 
 
 
23 
Fonte: Próprio do autor 
 
Figura 20 - Gráfico de Rankine pelo Matlab 
 Vale salientar que os alguns valores foram medidos e outros estimados 
devido as condições adversas durante a confecção do trabalho. 
 
5 CONCLUSÕES 
A atividade realizada possibilitou maior experiência a respeito do 
desenvolvimento de métodos de geração e conversão eletromecânica de energia 
aplicados a diferentes possibilidades de sistemas, o envolvimento do grupo na 
modelagem do equipamento determinou o aprimoramento do trabalho em equipe, 
em busca por soluções e hipóteses para as diversas dificuldades que surgiram 
durante a elaboração do projeto. 
Em diversos momentos, as metodologias adotadas puderam ser relacionadas 
em teoria e prática com os conteúdos de disciplina do curso, automação em 
LADDER, instrumentação industrial,eletrônica, comados elétricos, sistemas 
eletromecânicos, com isso os componentes consideram que o objetivo de aplicação 
e aprendizado foram concluídos com satisfação.