ES672 GeracaodeVapor

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Faculdade de Engenharia Mecânica 
Departamento de Energia 
Geração e distribuição de vapor 
Joaquim E. A. Seabra 
ES672 
Introdução 
• Principais formas de uso de energia em processos industriais: 
– Eletricidade, aquecimento por queima direta e vapor. 
• Utilização do vapor d’água: 
– Aquecimento em processos, controle de pressão e temperatura, 
acionamento mecânico, separação de componentes, fonte de água para 
reações. 
• Vantagens do vapor d’água: 
– Baixa toxidade, facilidade de transporte, alta eficiência do processo, calor 
específico elevado e baixo custo em relação a outras alternativas. 
 
1720 Caldeira de Haycock 1769 Caldeira vagão, James Watt 
1804 Caldeira de tubos, John Stevens 1877 Caldeira de tubos retos, Babcock e Wilcox 
1880 Caldeira de tubos curvados, Stirling 
Caldeiras 
• Unidades geradoras de vapor (simplesmente, caldeira). 
• Classificação geral: 
– Aquatubulares 
– Flamotubulares 
– Elétricas 
Caldeiras flamotubulares 
• Água circula ao redor de diversos tubos, montados entre espelhos, na 
forma de um único feixe tubular. 
• Gases de combustão circulam por dentro dos tubos, em duas ou mais 
passagens, em direção da chaminé. 
• Aplicação restrita às operações que admitem o uso de vapor saturado. 
– Instalações de pequeno porte com pressões inferiores a 15 bar ou 
capacidades inferiores a 15 t/h de vapor saturado. 
• Em geral, apresentam menores gastos com manutenção. 
Caldeiras flamotubulares 
Caldeiras flamotubulares 
Caldeiras flamotubulares 
Caldeiras aquatubulares 
• Água circula por dentro de diversos tubos de pequeno diâmetro. 
• Tubos dispostos na forma de paredes d’água ou de feixes tubulares. 
• Tubos interligam usualmente dois ou mais reservatórios cilíndricos 
horizontais. 
– Tubulão superior (separação das fases); tubulão inferior (decantação e 
purga dos sólidos em suspensão) 
– Opção por um único tambor em unidades de grande pressão. 
• As de maior porte são montadas em campo e normalmente suspensas: 
– Permite livre dilação térmica durante o processo de aquecimento. 
– Tubos geralmente curvados para garantir a circulação eficiente da água. 
Caldeiras aquatubulares 
• Normalmente há duas seções de transferência de calor no interior da 
caldeira: 
– Seção de radiação: 
Troca de calor por radiação direta da chama aos tubos de água, os quais 
geralmente delimitam a câmara de combustão. 
– Seção de convecção: 
Troca de calor por convecção forçada, dos gases quentes que saíram da 
câmara de combustão atravessando um banco de tubos de água. 
Flamotubulares Aquatubulares 
Vantagens Atendem bem a demandas variáveis 
de vapor; são de fácil construção; não 
requerem tratamento apurado de 
água. Requerem pouca ou nenhuma 
alvenaria 
Suportam altas pressões (centenas de 
atm); grande área de troca de 
calor/volume; partida 
proporcionalmente mais rápida; 
capacidade de geração alta (em kg/h); 
boa circulação de água 
Desvantagens Partida lenta devido à grande massa 
de água; ocupam muito espaço para 
uma dada superfície de aquecimento; 
possuem circulação de água deficiente 
(convecção natural ou induzida); 
trabalham com pressões moderadas 
(até 15 atm) 
Requerem tratamento de água 
apurado; exigem sempre paredes de 
alvenaria especial (refratária); são 
sensíveis a demandas variáveis de 
vapor; exigem controle automático de 
fogo 
Aplicações Onde o vapor requerido é saturado e a 
pressões baixas. São as mais baratas 
Quando se necessita de grandes 
quantidades de vapor a alta pressão 
ou vapor superaquecido. Têm projeto, 
construção e manutenção mais caros 
Caldeiras mistas 
Caldeiras elétricas 
Caldeira a resistores 
Caldeira a eletrodos submersos 
Caldeira a eletrodos jateados 
Caldeiras de recuperação de calor 
• Gases de processo ou de combustão com temperatura alta o suficiente 
a partir dos quais se pode recuperar calor 
– Gases de alto forno, produtos de combustão de incineradores e fornos de 
alta temperatura. 
• Caldeira pode ser tanto aquatubular, quanto flamotubular 
• Usualmente se opta pela aquatubular para maiores capacidades. 
Caldeiras de recuperação de calor 
Principais componentes da caldeira 
Principais componentes da caldeira 
Principais componentes da caldeira 
a) Cinzeiro: em caldeiras de combustíveis sólidos, é o local onde se depositam as 
cinzas ou pequenos pedaços de combustível não queimado. 
b) Fornalha com grelha ou queimadores de óleo ou gás. 
c) Seção de irradiação: paredes da câmara de combustão revestidas internamente 
por tubos de água. 
d) Seção de convecção: feixe de tubos de água, recebendo calor por convecção 
forçada. 
e) Superaquecedor: trocador de calor que aquece o vapor saturado a vapor 
superaquecido. 
f) Economizador: trocador de calor que aquece a água de alimentação através do 
calor sensível dos gases de combustão saindo da caldeira. 
g) Pré-aquecedor de ar: trocador de calor que aquece o ar de combustão também 
trocando calor com os gases de exaustão da caldeira. 
h) Exaustor: faz a exaustão dos gases de combustão, fornecendo energia para vencer 
as perdas de carga devido à circulação dos gases. 
i) Chaminé: lança os gases de combustão ao meio ambiente, geralmente a uma altura 
suficiente para dispersão. 
Transferência de calor em caldeiras 
• Complexo conjunto de fenômenos envolvendo troca de calor por 
radiação, convecção e condução térmica. 
• Simplificação adequada: dividir a superfície de troca de calor em 
superfície de radiação e superfície de convecção. 
• Devido às condições de temperatura, geometria e velocidade, a troca de 
calor na fornalha, onde ocorre a combustão, é basicamente por 
radiação térmica. 
Transferência de calor em caldeiras 
• Desprezando a transferência de calor para o ambiente externo e 
assumindo que o combustível e o ar são fornecidos à temperatura de 
referência (T0), o balanço da taxa de energia se reduz a: 
 
 
 
 
onde ε é a emissividade combinada chama-fornalha. A equação assume 
que a temperatura de saída dos gases de combustão da fornalha 
representa a temperatura média da fornalha. 
 0TTcmQPCIm prodpprodrc    44 pprodr TTAQ 
Transferência de calor em caldeiras 
• Emissividade combinada depende de diversos fatores 
– Combustível, tipo de queimador, excesso de ar, composição média dos 
produtos de combustão, geometria da câmara de combustão. 
• Radiação térmica emitida pela chama: 
– Emissão de radiação de partículas de carbono incandescente e da 
emissividade dos gases de combustão, principalmente CO2 e H2O. 
– Emissividade dos gases varia com a temperatura e formato geométrico da 
câmara de combustão. 
• Ordem de grandeza da emissividade: 
 0,75 a 0,95 para chama de óleo e carvão pulverizado 
 0,55 a 0,80 para gases e combustível sólido em grelha 
Transferência de calor em caldeiras 
• Área de troca de calor representada pela superfície projetada dos 
tubos de troca de calor nas paredes da fornalha. 
• Caldeira flamotubular: 
– Fornalha cilíndrica completamente circundada por parede de água. 
– Superfície de troca é a própria superfície interna da fornalha. 
• Caldeiras aquatubulares: 
– Superfície efetiva de troca de calor depende do espaçamento dos tubos da 
parede de água, onde: projfSA 
Espaçamento entre os tubos = de → f = 1,0 
Espaçamento entre os tubos = 2de → f = 0,9 
Transferência de calor em caldeiras 
• Temperatura externa dos tubos é a temperatura da superfície de troca 
de calor. 
• Pouca resistência à troca de calor na água e na parede: 
– Extremamente altos coeficientes de troca de calor por convecção da água 
evaporando no interior dos tubos
(da ordem de 5000 a 25000 W/m2K). 
– Espessuras de parede dos tubos metálicos relativamente pequenas. 
– Alta condutividade dos metais. 
• De maneira geral, pode-se assumir temperatura externa das superfícies 
de troca de 10 a 20 K maior que a temperatura do vapor saturado na 
caldeira, exceto no caso de superaquecedores. 
Transferência de calor em caldeiras 
• A superfície de convecção é tomada como as superfícies que não tem 
contato geométrico com a chama da fornalha, ou seja, aquelas não 
recebem radiação direta da chama. 
• Embora também ocorra troca de calor por radiação, este mecanismo 
não será considerado aqui por conta da sua menor importância na 
zona de convecção. 
 
Transferência de calor em caldeiras 
• Para caldeiras aquatubulares: 
3/161,0 PrRe26,0Nu
Tubos alinhados Arranjo em quicôncio 
3/161,0 PrRe33,0Nu
As equações valem para fluxo turbulento e para quantidade de fileiras de 
tubos maior ou igual a 10. Para o cálculo das propriedades dos fluidos, as 
temperaturas devem ser tomadas na temperatura média de mistura 
Exercício 
Uma caldeira flamotubular queimando óleo combustível tem dimensões da 
fornalha de 1,0 m no diâmetro interno e 4,3 m no comprimento. Calcular o 
consumo de óleo e a produção de vapor a 14 bar man. Dados de operação: 
Temperatura dos gases na saída da fornalha: 1100°C 
Temperatura dos gases na chaminé: 270°C 
PCI (óleo): 9200 kcal/kg 
Relação A/C estequiométrica: 14,7 
Excesso de ar: 35% 
Emissividade combinada: 0,85 
Temperatura da água de alimentação: 45°C 
cp médio dos gases de combustão: 1045 J/kg.K 
Exercício 
No projeto de um gerador de vapor (24 bar man.) alimentado a bagaço de 
cana, espera-se uma temperatura média dos gases da fornalha no valor de 
1050°C. Para uma produção de 100t/h de vapor, o consumo estimado é de 
10 kg/s de bagaço (50% de umidade), operando com 40% de excesso de 
ar. Faça uma estimativa da área de troca de calor na fornalha, 
considerando uma emissividade média de 0,75. Dados: 
Relação A/C estequiométrica: 3:1 (bagaço com 50% de umidade) 
PCI (b.u.): 2000 kcal/kg 
cp médio dos produtos da combustão: 1,05 kJ/kg.K 
Balanço energético de caldeiras 
• Uma avaliação completa da energia fornecida à câmara de combustão 
deve considerar: 
– Energia liberada pela própria combustão 
– Energia associada aos fluxos de massa do combustível e do ar de 
combustão 
– Energia associada à umidade do ar, vapor de nebulização e outros fluxos de 
massa envolvidos no processo de combustão 
Balanço energético de caldeiras 
Balanço energético de caldeiras 
Qtd energia que entra no VC da caldeira, denominada “calor disponível”; 
Qev energia absorvida pelas superfícies evaporativas; 
Qca energia absorvida no preaquecedor de ar; 
Qec energia absorvida no economizador; 
Qsa energia absorvida no superaquecedor; 
Qp2 perdas de calor nos gases de chaminé; 
Qp3 perdas de calor por combustão incompleta dada pela presença de gases 
combustíveis nos produtos da combustão (combustão química incompleta); 
Qp4 perdas de calor por combustão incompleta dada pela presença de carbono e 
fuligem nas cinzas (combustão “mecânica” incompleta); 
Qp5 perdas de calor para o meio ambiente, pelas paredes da caldeira; 
Qp6 perdas de calor pelo fato das cinzas serem removidas a alta temperatura; 
Balanço energético de caldeiras 
• O rendimento térmico representa a energia realmente aproveitada do 
total da energia investida no equipamento. 
• Cálculos aproximados desconsideram a energia associada aos fluxos de 
combustível e do ar de combustão. 
• Pode ser referenciado ao PCI (energia disponível), ou ao PCS (energia 
fornecida). Com base no PCI: 
𝜂 =
𝑄𝑢
𝑚 𝑐𝑏𝑃𝐶𝐼
=
𝑚 𝑣 ℎ𝑣 − ℎ𝑎
𝑚 𝑐𝑏𝑃𝐶𝐼
 
𝜂 = 1 −
 𝑄𝑝𝑖
6
𝑖=2
𝑚 𝑐𝑏𝑃𝐶𝐼
 
Perdas Faixa aproximada de 
valores (%) 
Comentários 
Qp2 8-18 Para uma temperatura dos gases de escape 
de 180 a 200°C. Qp2 ≈ 12% PCI
t 
Qp3 0,5-1,5 Em condições normais, a fração de gases 
combustíveis é cerca de 0,5% do PCIt 
Qp4 1-4 Esta perda depende do sistema de 
combustão e granulometria do combustível 
Qp5 0,8-4,5 Para uma caldeira corretamente projetada e 
operada, esta perda é cerca de 2% da energia 
do combustível 
Qp6 < 0,1 Pode ser desprezada 
Balanço energético de caldeiras 
Nogueira e Lora (2003) 
Balanço energético de caldeiras 
Exercício 
Estime o rendimento térmico de uma caldeira aquatubular com os 
seguintes dados de operação: 
Produção de vapor saturado a 25 bar man. 
Temperatura da água de alimentação: 50°C 
Temperatura de saída dos gases: 350°C 
Combustível: óleo combustível (PCI = 9880 kcal/kg) 
Razão A/C est.: 14,7 
Excesso de ar: 25% 
Perdas estimadas (exceto gases da chaminé): 5% (PCI) 
cp dos gases: 0,25 kcal/kg.K 
 
 
Exercício 
A adição de um recuperador de calor à caldeira do exercício anterior, 
baixando a temperatura dos gases da chaminé para 260°C através do pré-
aquecimento do ar de combustão, deve proporcionar qual economia de 
combustível? Qual seria a temperatura de entrada do ar na fornalha, 
assumindo que a temperatura antes do recuperador permaneça em 
350°C? 
 
Dispositivos de controle e segurança 
Controle do nível de água Funciona em conjunto com a bomba de alimentação de modo 
a manter o nível de água no tambor principal ou interior da 
caldeira. Caldeiras de grande porte são normalmente 
equipadas com reguladores pneumáticos ou elétricos. 
Controle da pressão de trabalho Pressostatos atuam em conjunto com os queimadores ou com 
alimentadores de combustível para manter a pressão em 
níveis usuais de operação. A instalação de manômetros ou de 
sensores de pressão é necessária para permitir a leitura direta 
pelo pessoal de operação da caldeira. 
Válvulas de segurança São dispositivos auxiliares previstos para atuarem em caso de 
falha no sistema de combustão, de modo a evitar eventual 
aumento na pressão de trabalho da caldeira. 
Separadores de vapor Purificadores de vapor são dispositivos auxiliares com a 
finalidade de minimizar o arraste de umidade, sais e sólidos 
em suspensão. 
Sopradores de fuligem São instalados em pontos estratégicos da unidade geradora de 
vapor com a finalidade de remover fuligem ou depósitos de 
cinzas das superfícies de aquecimento. 
Tratamento da água de alimentação 
• Quatro finalidades principais: 
– Prevenção contra depósitos nas paredes dos tubos, que podem causar 
superaquecimento localizado na estrutura da caldeira. 
– Evitar a corrosão na caldeira, pela presença de O2. 
– Evitar endurecimento cáustico. 
– Redução da porcentagem de sólidos de arraste, pela formação de espuma e 
nata. 
• Impurezas na água: 
– Matérias orgânicas em solução coloidal 
– Compostos minerais em solução (bicarbonatos, cloretos, sulfatos, silicatos 
de Ca, Mg, Na, K, Fe) 
– Gases dissolvidos (CO2, O2, N2). 
Tratamento da água de alimentação 
• Caldeiras de baixa e média pressão: 
– Tratamentos internos à caldeira – adição de produtos químicos: 
• Redutores de dureza (geralmente um fosfato): precipitam Ca, Na, K, 
Mg. 
• Álcalis (NaOH ou KOH): neutralizam a acidez da água, catalisam o 
processo acima. 
• Coagulante (em geral, polímeros): impedem a aderência dos sais 
formados às paredes metálicas, indo ao fundo da caldeira em forma de 
“lama”. 
• Redutor de O2 (em geral, um sulfito ou hidrazina). 
• Neutralizante do vapor (em geral, compostos amoniacais). 
• Anti-espumante (em geral, silicone). 
– Compostos precipitados devem ser expurgados periodicamente por 
descargas de fundo. 
Tratamento da água de alimentação 
• Operação com água de rio ou caldeira com altas pressões: 
– Clarificação: eliminação dos compostos orgânicos em
solução coloidal na 
água. São usados sulfato de alumínio ou cal ou soda cáustica para flocular 
os coloides. 
– Filtração: separa a água dos sólidos em suspensão. Normalmente são 
usadas camadas de pedras, areia e antracito. 
– Troca iônica: substâncias porosas por onde passa a água (resinas 
sintéticas) e que retiram os íons de Ca, Mg e outros. 
– Desgaseificação: remoção dos gases dissolvidos na água. Normalmente se 
processa por aquecimento da água a temperaturas próximas a de ebulição 
nas condições atmosféricas. 
– Tratamento interno complementar: idêntico ao exposto anteriormente, 
com base na análise da água após o tratamento externo. 
Tiragem 
Tiragem natural Triagem forçada 
Tiragem 
Tiragem balanceada Variação da pressão estática 
Controle de emissões: NOx 
• Redução de NOx térmico, ou de NOx do combustível, ou uma 
combinação de ambos. 
• Principais estratégias: 
– Modificação da combustão: queimadores com baixa emissão de NOx, 
combustão estagiada, recirculação de gás ou tecnologia de requeima. 
– Pós-combustão: injeção de amônia (ou outro composto tal como a ureia) – 
SCR (selective catalytic reduction) e SNCR (selective noncatalytic 
reduction). 
• Na prática, os métodos de redução de CO, HCtotais e fuligem levam a um 
aumento da formação de NOx térmicos. 
Controle de emissões: Particulados 
Equipamento Campo de aplicação 
Câmara de sedimentação Coleta de partículas entre 100 e 150 μm 
Ciclos de baixa perda de carga Coleta de partículas entre 50 e 60 μm 
Ciclones de alta eficiência Coleta de partículas até 10 μm 
Lavadores a úmido Coleta de partículas até 5 μm 
Filtros de manga Coleta de partículas até 1 μm 
Precipitadores eletrostáticos Coleta de partículas até 0,1 μm 
Controle de emissões: Particulados 
Câmara de sedimentação Filtro de manga 
Controle de emissões: Particulados 
Multiciclone Precipitador eletrostático 
Controle de emissões: SO2 
• Podem se basear em técnicas de pré-combustão, modificação da 
combustão e métodos de pós-combustão: 
– Substituição do combustível 
– Remoção de enxofre do combustível 
– Combustão em leito fluidizado utilizando dolomita como material do leito 
– Uso de agentes absorventes (e.g., CaCO3, CaO, Ca(OH)2) 
– Lavagem úmida ou seca utilizando agentes absorventes 
Controle de emissões: SO2 
Controle de emissões 
Combustão de óleo combustível 
Combustão de biomassa de cana-de-açúcar 
Distribuição de vapor 
Distribuição de vapor 
• Tubulações de materiais metálicos 
– Aço carbono mais usado por conta do baixo custo e boa faixa de 
temperaturas de operação. 
– Aços carbono comuns são normalmente usados até temperaturas de 
280°C, podendo chegar até 400°C, no caso especificações mais rígidas. 
– Acima disso, utilizam-se aços-liga (com pequenas quantidades de metais 
de liga, como níquel, cromo e molibdênio) para temperaturas até 530°C. 
– Acima disso, aços inoxidáveis e aços refratários são recomendados. 
Distribuição de vapor 
Válvulas de bloqueio Estabelece ou interrompe um fluxo; devem trabalhar 
completamente abertas ou fechadas. Os principais 
tipos são: gaveta, macho, esfera e comporta. 
Válvulas de regulagem de 
fluxo 
Permitem uma regulagem manual do fluxo através da 
abertura do obturador. Os principais tipos são: globo, 
agulha, borboleta e de diafragma. 
Válvulas de retenção Permitem fluxo em um só sentido; são aplicadas em 
saídas de bombas, caldeiras, etc. para impedir o 
retorno de fluido em paradas de operação ou outros 
eventos. Os tipos mais usados são: esfera, portinhola e 
de levantamento. 
Válvulas de controle Válvulas automáticas que controlam uma determinada 
grandeza do processo através de algum sinal elétrico, 
pneumático, ou mesmo a pressão da própria linha de 
fluido. Podem controlar a pressão à montante, à 
jusante, ou temperaturas de processo. 
Distribuição de vapor 
• Perda de calor em linhas de vapor saturado leva à indesejável formação 
de condensado (fluxo com alta densidade e alta velocidade). 
• Purgadores de vapor têm como finalidade principal descarregar 
líquido saturado para fora da linha de vapor. 
– Descarga diretamente ao ambiente externo, ou 
– Se for economicamente viável, numa tubulação ou tanques de retorno de 
condensado à caldeira. 
• Utilização de condensado na alimentação das caldeiras provoca grande 
economia de energia e de custos operacionais no tratamento da água 
de alimentação. 
Distribuição de vapor 
Distribuição de vapor 
Distribuição de vapor 
• Tubulações e equipamentos aquecidos perdem calor para o ambiente 
externo e portanto necessitam de isolamento térmico, tanto pelo fator 
de economia de energia, como pelo fator segurança. Superfícies 
aquecidas acima de 60°C podem provocar queimaduras quando em 
contato com a pele. 
A especificação e espessura do 
isolamento térmico é guiada 
normalmente pelo fator econômico. 
Para efeito de proteção do isolamento 
térmico usa-se um revestimento externo 
com algum material metálico, que pode 
ser folhas de papel aluminizado, chapas 
finas de alumínio ou aço galvanizado. 
 
Distribuição de vapor 
Exercício 
Uma seção de 50 m de uma tubulação de vapor de 10 cm de diâmetro 
externo atravessa um ambiente a 15°C. A temperatura média da superfície 
externa do tubo se mantém a 150°C. Se o coeficiente combinado de 
transferência de calor na superfície externa do tubo é 20 W/m².°C, 
determine: 
a) A taxa de transferência de calor a partir do tubo. 
b) O custo anual (para 8000 h/ano) dessa perda de energia considerando 
que o vapor é gerado em uma caldeira a gás natural com 75% de eficiência 
(PCS) e que o preço do gás natural é 15 $/GJPCS. 
c) A espessura do isolamento de fibra de vidro (k = 0,035 W/m°C) 
necessária para reduzir em 90% a perda de energia (assuma que a 
temperatura do tubo permaneça constante a 150°C).