Aula 20 apos 2 prova

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Prof. Msc. Marcus SoeiroCEFET-MG – Campus II
Engenharia Mecânica Geração, Distribuição e Utilização de Vapor
CEFET-MG – Campus II
Engenharia Mecânica Geração, Distribuição e Utilização de Vapor
GERAÇÃO, DISTRIBUIÇÃO E UTILIZAÇÃO DE VAPOR
BIBLIOGRAFIA:
Material da Spirax Sarco; 
Catálogo de Operação de Caldeiras da ATA.
PERA, HILDO. Geradores de Vapor de Água. Ed. Fama S/C Ltda. São Paulo. 1990.
Disponível na biblioteca do CEFET, Campus II:
BAZZO, ED. Geração de Vapor. Ed. Da UFSC. Florianópolis. 1992.
MACINTYRE, J., Instalações Hidráulicas, Prediais e Industriais. LTC- Livros Técnicos e Científicos Editora, Rio 
de Janeiro, 1996
TORREIRA, R. P. Geradores de Vapor. Ed. Libris.-CIA Melhoramentos. São Paulo. 1995.
TELLES, P. C. SILVA. Tubulações Industriais, LTC, Livros Técnicos e Científicos Editora, 1998.
Conteúdo:
APRESENTAÇÃO DA DISCIPLINA
REVISÃO: TERMODINAMICA
COMBUSTIVEIS E COMBUSTÃO
GERADORES DE VAPOR: CLASSIFICAÇÃO, TIPOS, CONCEITOS
BALANÇO TÉRMICO EM GERADORES DE VAPOR
CÁLCULO DE CARGA TÉRMICA PARA SISTEMAS A VAPOR
DIMENSIONAMENTO DE LINHAS DE VAPOR
DIMENSIONAMENTO DE LINHAS DE RETORNO DE CONDENSADO
SELEÇÃO DE ACESSÓRIOS: VÁLVULAS, PURGADORES, TANQUES DE CONDENSADO
Eficiência Térmica de Geradores de Vapor
MÉTODOS DE MEDIDAS DE EFICIÊNCIA TÉRMICA DE CALDEIRAS
Método Indireto 
 Perda de calor por combustão incompleta ou combustível não queimado (P3).
 As perdas por combustão incompleta podem ser identificadas pela presença de CO, H2 ou fuligem nos
produtos de combustão.
 Monóxido de carbono é produto típico de combustão incompleta e sua presença em concentrações da
ordem de 0,2% já indicam anomalias no sistema de combustão. Sistemas de combustão bem operados
apresentam concentrações de CO da ordem de 100 a 1000 ppm.
 A combustão do H2 causa a perda de calor, pois o produto da combustão é a água que foi convertida em
vapor consumindo calor latente.
 A perda pela presença de CO e H2 pode ser calculada facilmente conhecida a concentração dos mesmos e
deve ser imediatamente sanada, pois além da própria perda de energia, produz poluição ambiental
MÉTODOS DE MEDIDAS DE EFICIÊNCIA TÉRMICA DE CALDEIRAS
Método Indireto 
 Perda de calor por combustão incompleta ou combustível não queimado (P3)
 

r
g CO
CO
CO G PC
P3
PC
 

r
g H2
H2
H2 G PC
P3
PC
 
CO
CO concentração de CO nos gases secos na chaminé 
PC poder calorífico do CO [10098kJ/kg]
PC poder calorifico do combustível



 2 2 H2 gs
H2 2
H concentração de H nos gases secos na chaminé [Nm³ / Nm³ ]
PC poder calorífico do H [1195540 kJ/kg]


A perda por H2 é muito difícil de ocorrer devido a alta reatividade
MÉTODOS DE MEDIDAS DE EFICIÊNCIA TÉRMICA DE CALDEIRAS
Método Indireto
 

cinzasz PC
P4
PC
 Perda de calor por matéria combustível recolhida no cinzeiro (P4).
 Em caldeiras a combustível sólido utilizando grelha fixa ou basculante, as perdas por carbono livre
nas cinzas pode ter valores consideráveis
 Uma amostra das cinzas, com análise do teor de carbono livre, ou uma análise do Poder Calorífico das
cinzas restantes determinam a energia perdida
  cinzas comb
cinzas
z percentual em peso das cinzas recolhidas no cinzeiro [kg / kg ]
PC poder calorífico das cinzas


Leito fluidizado geralmente refere-se a um leito de sólidos finamente divididos através dos quais se passa um gás ou 
um líquido e este comporta-se num estado intermediário entre um leito estático e um em que os sólidos estejam 
suspensos num fluxo gasoso, assim como ocorre no transporte pneumático.
MÉTODOS DE MEDIDAS DE EFICIÊNCIA TÉRMICA DE CALDEIRAS
Método Indireto
 Perda de calor pela fuligem (P5)
 

fuligemf PC
P5
PC
 Fuligem: arraste de cinzas pelos gases efluentes
 A queima de combustíveis líquidos e gasosos atenuam e até eliminam esta perda de calor
 Há dificuldade em se avaliar o peso da fuligem arrastada com os gases de combustão
  fuligem comb
fuligem
f percentual em peso da fuligem por kg de combustível [kg / kg ]
PC poder calorífico da fuligem


 Perda de calor sensível nas cinzas (P6)
MÉTODOS DE MEDIDAS DE EFICIÊNCIA TÉRMICA DE CALDEIRAS
Método Indireto 
  

P,z zz c T
P6
PC
 As cinzas que se desprendem da massa de combustível, caindo através da grelha arrasta calor sensível
que não é mais irradiado para a fornalha.
 A temperatura das cinzas depende do tipo de grelha e do cinzeiro. Alguns tipos de caldeiras podem
apresentar descarga de cinzas em temperatura mais alta, como por exemplo as grandes caldeiras de
carvão pulverizado.
 A temperatura das cinzas podem variar de 450 a 1000 ºC. Este valor pode ser medido diretamente.
 
 
 
cinzas comb
P,z
z
z percentual em peso das cinzas recolhidas no cinzeiro [kg / kg ]
c calor específico médio das cinzas [ 1,26 kJ/kgK]
T diferença de temp. entre a cinza quente e a temp. de entrada do comb.
 Perda de calor devido à umidade do ar de combustão (P7)
MÉTODOS DE MEDIDAS DE EFICIÊNCIA TÉRMICA DE CALDEIRAS
Método Indireto 
 A umidade nos produtos de combustão é originada da umidade presente no combustível "in natura"
sendo admitido na fornalha e da água formada por combustão da parcela de hidrogênio que compõe
o combustível.
 A perda por umidade da água formada é praticamente inevitável, e por esta razão muitas vezes é
preferido a utilização do PCI como valor de referência.
 A ordem de grandeza desta perda é de 0,10 a 0,15%
 

r
ar P,água gG c T
P7
PC

 
 
r
ar ar comb
P,agua
g
G razão entre a massa real de ar fornecida por quilo de combustível [kg / kg ]
c calor específico do vapor d´água [ 1,85kJ/kgK]
T diferença de temp. entre a saida dos gases (base da chamin
 água ar sec o
é) e a temp. do ar externo
umidade absoluta do ar [kg / kg ]
 
 

r t
ar ar
t
ar
G G
coef. excesso de ar
G relação ar / combustível teórica
 Perda de calor devido à umidade presente no combustível (P8)
MÉTODOS DE MEDIDAS DE EFICIÊNCIA TÉRMICA DE CALDEIRAS
Método Indireto 
 A umidade do combustível pode ser diminuída por secagem natural ou secagem pelos próprios gases
de combustão que saem da caldeira.
 Esta possibilidade já tem sido aplicada no caso de caldeiras de bagaço, o qual tradicionalmente
apresentam umidade natural da ordem de 50%.
   

comb lv P,água gW h c T
P8
PC
 
 
 
comb agua comb
P,agua
g
W percentual em peso de umidade no combustível [kg / kg ]
c calor específico do vapor d´água [ 1,85kJ/kgK]
T diferença de temp. entre a saida dos gases (base da chaminé) e a temp. do ar
lv
 externo
h calor latente de vaporização da água à temp ambiente [kJ / kg]
 Perda de calor pelo vapor de atomização – nebulização do combustível (P9)
MÉTODOS DE MEDIDAS DE EFICIÊNCIA TÉRMICA DE CALDEIRAS
Método Indireto 


ato P,água atoG c T
P9
PC
 Vato depende do tipo de queimador, das pressões envolvidas no processo de queima, do tipo de 
combustível. Em geral : 0,1 < Vn < 0,2 kg vapor/kg comb.

 
 
ato vapor,ato comb
P,agua
ato
G razão entre a vazão em massa de vapor atomizado e a vazão em massa comb. [kg / kg ]
c calor específico do vapor d´água [ 1,85kJ/kgK]
T diferença de temp. de saturação da água na caldeira e a temp. do gases de combustão
 Perda de calor pela água na descarga de fundo (P10)
MÉTODOS DE MEDIDAS DE EFICIÊNCIA TÉRMICA DE CALDEIRAS
Método Indireto 
 A descarga de fundo de caldeiras tem por objetivo manter estável a concentração de sólidos na
água da caldeira e dentro de certos limites.
 Se o fluxo dapurga contínua não puder ser medido, seu valor pode ser estimado através da relação
de concentração de algum composto químico (cloretos) entre a água de alimentação e a água no
interior da caldeira.
 A concentração de cloretos é recomendada porque ela dificilmente varia como resultado das reações
químicas que ocorrem em solução na água.
 A taxa de descarga de fundo em relação ao consumo da água de alimentação é então a relação
entre a concentração do composto na água da caldeira e a concentração do mesmo na água de
alimentação.
 A energia da purga contínua pode ser recuperada através de um trocador de calor, porém, como a 
ordem de grandeza de perdas é até 1,5%, dependendo da pressão de trabalho da caldeira, nem 
sempre é economicamente viável.
 Perda de calor pela água na descarga de fundo (P10)
MÉTODOS DE MEDIDAS DE EFICIÊNCIA TÉRMICA DE CALDEIRAS
Método Indireto 


des P,águaliq desG c T
P10
PC
A ordem de grandeza de P10 é de 0,15% a 0,20%


 
des agua,des comb
P,agualiq
des
G razão entre a vazão em massa de água da descarga e a vazão em massa comb. [kg / kg ]
c calor específico d´água liquida [kJ/kgK]
T diferença de temp. de saturação da água na caldeira e a temp. do ar externo
 Perda de calor pelo vapor injetado nos sopradores de fuligem (P11)
MÉTODOS DE MEDIDAS DE EFICIÊNCIA TÉRMICA DE CALDEIRAS
Método Indireto 


sf P,água sopG c T
P11
PC


 
sf vapor,sop comb
P,agualiq
sop
G razão entre a vazão em massa de vapor no soprador e a vazão em massa comb. [kg / kg ]
c calor específico do vapor d´água [kJ/kgK] 
T diferença de temp. de saturação da água na caldeira e a temp. dos gases de combustão
 Perda de calor devido à entrada de ar falso (P12)
MÉTODOS DE MEDIDAS DE EFICIÊNCIA TÉRMICA DE CALDEIRAS
Método Indireto 


falso P,ar falsoG c T
P12
PC


 
falso ar falso comb
P,ar
falso
G razão entre a vazão em massade ar falso e a vazão em massa comb. [kg / kg ]
c calor específico do ar [kJ/kg K] 
T diferença de temp. de saida dos gasesna caldeira e a temp. do ar externo
 Esta perda de calor devido as aberturas próprias (alimentação da caldeira) ou por frestas e
rachaduras existentes no invólucro da caldeira.
 A vazão de ar falso e calculada admitindo-se uma velocidade média de 4 m/s
 Perda de calor devido a operação intermitente
MÉTODOS DE MEDIDAS DE EFICIÊNCIA TÉRMICA DE CALDEIRAS
Método Indireto 
 A operação descontínua de um sistema de geração de vapor provoca a perda do calor acumulada no
sistema, o qual vai se dissipando ao ambiente durante a interrupção. Esta energia deve ser reposta na
partida do sistema e se traduz em um gasto adicional de combustível.
 É evidente que quanto maior a intermitência de operação, maior deve ser esta perda de energia. A
intermitência de operação está ligada diretamente ao ciclo de produção da planta consumidora de
vapor, geralmente guiada por fatores mais importantes, no caso, do que a pequena queda de eficiência
térmica que isto ocasiona.
 O cálculo estimativo desta perda depende da inércia térmica da caldeira, ou seja, da massa de água
acumulada e da massa de refratários, metais, etc., e de suas propriedades térmicas.
 Dado a quantidade de variáveis envolvida, considera-se que o esforço para cálculo de tal perda não é
compensador, já que muito pouco pode-se fazer para diminuí-la.
 A eficiência térmica global de um gerador de vapor é igual a 100% subtraídas todas as perdas
relativas calculadas
 Se o consumo de combustível pode ser estimado com boa precisão, no cálculo final pode ser
utilizados os cálculos absolutos das perdas com os valores médios das vazões sendo consideradas.
 Muito mais do que se chegar a um valor numérico que represente a eficiência térmica de um sistema
de geração de vapor, é importante e útil poder interferir diretamente nestas, a fim de diminuí-las, e
por esta razão, a análise da eficiência térmica através do método indireto é o mais adequado.
MÉTODOS DE MEDIDAS DE EFICIÊNCIA TÉRMICA DE CALDEIRAS
Método Indireto 
Perda de calor sensível nos gases de combustão (P1)
 Perda de calor através do revestimento da caldeira (P2)
 Perda de calor por combustão incompleta ou combustível não queimado (P3).
 Perda de calor por matéria combustível recolhida no cinzeiro (P4).
 Perda de calor pela fuligem (P5)
 Perda de calor sensível nas cinzas (P6)
 Perda de calor devido à umidade do ar de combustão (P7)
 Perda de calor devido à umidade presente no combustível (P8)
 Perda de calor pelo vapor de atomização – nebulização do combustível (P9)
 Perda de calor pela água na descarga de fundo (P10)
 Perda de calor pelo vapor injetado nos sopradores de fuligem (P11)
 Perda de calor devido à entrada de ar falso (P12)
MÉTODOS DE MEDIDAS DE EFICIÊNCIA TÉRMICA DE CALDEIRAS
MÉTODO INDIRETO
th 1 Perdas  