TRANS CAAL

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UNIVERSIDADEPOSITIVO 
Willian Sampaio de Souza 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
PROJETO DE DIMENSIONAMENTO DE UMA CALDEIRA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Curitiba 
2020 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
PROJETO DE UMA CALDEIRA DE UMA USINA TERMELÉTRICA 
 
 
 
 
Relatório apresentado a Universidade 
Positivo, como totalidade das exigências 
para a obtenção de nota na disciplina de 
Termodinâmica das Máquinas Térmicas 
pelo professor Diego Moro. 
 
 
 
Curitiba, 12 de junho de 2020. 
 
 
 
 
 
RESUMO 
 
Apresentar o dimensionamento de uma caldeira que trabalhe com carvão mineral. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SUMÁRIO 
 
Conteúdo 
INTRODUÇÃO .......................................................................................................................................... 7 
JUSTIFICATIVA ..................................................................................................................................... 8 
OBJETIVO ............................................................................................................................................. 9 
REVISÃO DE LITERATURA ........................................................................................................................ 9 
USINAS TERMELÉTRICAS ..................................................................................................................... 9 
CICLO RANKINE .................................................................................................................................. 10 
TURBINA ........................................................................................................................................ 11 
 
CONDENSADOR ............................................................................................................................. 11 
BOMBA .......................................................................................................................................... 11 
CALDEIRA ....................................................................................................................................... 12 
PARÂMETROS DE DESEMPENHO ...................................................................................................... 12 
CICLO RANKINE COM REAQUECIMENTO .............................................................................................. 12 
PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS .................................................................................................... 13 
Cálculos feitos a partir do excel .................................................................................................... 14 
Trabalho Líquido ................................................................................................................................ 14 
Calor Alto ou Calor entra no ciclo ............................................................................................... 14 
Rendimento ..................................................................................................................................... 14 
Comparativo Ciclo Carnot ................................................................................................................. 15 
Cálculo da Massa do Carvão .............................................................................................................. 15 
Carvão mineral de Cambuí -PR ...................................................................................................... 15 
Custo por tonelada ........................................................................................................................ 15 
Custo por KW/h ............................................................................................................................. 15 
Figura 1 – Esquema de funcionamento do Ciclo proposto. ........................................................... 16 
Conclusão .............................................................................................................................................. 17 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................................................. 18 
 
 
 
 
 
 
INTRODUÇÃO 
 
O surgimento da máquina a vapor tornou a produção de energia parte 
primordial para a manutenção do bem-estar comum da sociedade humana segundo 
Souza et al (1983). Com a chegada da crise do petróleo fez-se necessário que os 
países desenvolvessem alternativas que pudessem suprir a demanda de energia. 
Para tanto, técnicos e engenheiros devem ter conhecimento em relação as mais 
variadas formas de obtenção de energia. 
 
A máquina a vapor surgiu no início do século XVIII e com ela nasceu a 
necessidade de se estabelecer parâmetros mais vantajosos que pudessem evitar ou 
diminuir as questões desfavoráveis ocasionadas pela queima direta do carvão. 
Houve então um estimulo em relação ao desenvolvimento de unidades geradoras de 
vapor. O vapor d’água, bem como o emprego de outros fluidos de trabalho em sua 
forma vaporizada, se tornaram primordiais para a manutenção do setor industrial. 
(BAZZO, 1995). 
Ainda segundo Bazzo (1995) o alto calor especifico junto a disponibilidade 
de água bastante ampla, são os motivos pelos quais há a notória preferência pelo 
vapor como fluido de trabalho. Nos dias de hoje, serviços de aquecimento e de 
acionamento mecânico utilizam o vapor. Este, atende a mais variadas ramificações 
da indústria e supre a necessidade de geração de energia de algumas regiões em 
que o vapor é primordial. A maioria das aplicações industriais utilizam o vapor 
saturado para trabalho, podendo também fazer o uso de vapor superaquecido. A 
demanda cada vez maior de energia elétrica e a falta de disponibilidade hídrica para 
a construção de usinas hidrelétricas, tem levado muitas nações a investirem em 
usinas termelétricas. 
 
JUSTIFICATIVA 
 
Segundo EberhardJochem, três a quatro atmosferas seriam necessárias 
para absorver a quantidade de CO2 lançados na atmosfera pela queima de 
combustíveis fosseis e carvão. A demanda por energia vem crescendo nos últimos 
anos o que não acompanha a disponibilidade de recursos naturais para sua 
obtenção. 
Pode-se notar, portanto que há a necessidade do melhor aproveitamento 
energético, tanto nas fontes renováveis de energia quanto nas plantas de geração 
com recursos não renováveis. Técnicos e engenheiros têm de conhecer as formas 
como estas plantas funcionam, entendendo seus processos internos bem como a 
sua interação com o meio ambiente, para que seu aproveitamento seja maior e mais 
vantajoso do ponto de vista social, econômico e ambiental. 
 
 
OBJETIVO 
 
Projetar uma usina termelétrica alimentada por carvão mineral. 
 
 
 
REVISÃO DE LITERATURA 
 
USINAS TERMELÉTRICAS 
 
Para Souza et al. Centrais termelétricas são aquelas capazes de produzir 
energia elétrica a partir de determinados combustíveis. Podem ser convencionais, 
que utilizam como combustível petróleo e seus derivados, gases como o gás natural, 
madeira, carvões entre outros, e usinas termelétricas nucleares que, como o próprio 
nome sugere, faz o uso da energia advinda da fissão nuclear. 
No Brasil, as centrais convencionais são largamente utilizadas no intuito de 
complementar as usinas hidrelétricas e também para casos de emergência (SOUZA 
et al., 1983). 
Essas plantas podem ser responsáveis apenas pela produção de energia ou 
também pela produção de vapor para utilização em processos que utilizam vapor 
como fluido de trabalho (SOUZA et al., 1983). 
Segundo Torreira (1995) unidades de geração de energia por vapor são 
usualmente equipadas com: fornalha ou câmara de combustão, câmara de agua e a 
câmara de vapor. 
A câmara de combustão é o ambiente em que se queima o combustível para 
o aquecimento do fluidoe posterior produção de vapor. A usina em questão do 
presente trabalho trata-se de uma termelétrica movida a carvão mineral. Neste caso, 
o carvão é queimado em grelhas, dentro da câmara de combustão, permitindo a 
passagem dos gases quentes para a parte de cima da câmara e a deposição de 
cinzas na parte inferior, pelo qual entra também o comburente, no caso o ar, que 
reage com o combustível (TORREIRA, 1995). 
 
As paredes da câmara de combustão são denominadas câmaras de vapor, 
uma vez que nesta se permite a passagem de água para aquecimento. São 
constituídos de invólucros de metal, hermético com resistência mecânica capaz de 
suportar altas temperaturas. Assumem a forma de cilindros e tubos, no intuito de 
aumentar a superfície de contato e favorecer a troca de calor entre a câmara de 
combustão e a câmara de vapor (TORREIRA, 1995) 
De acordo com Bazzo (1995), unidades bem dimensionadas garantem que 
paredes d’água que ocupam uma área em torno de 10% da câmara de combustão, 
são capazes de absorver 50% da energia produzida. Posteriormente no decorrer da 
caldeira, a troca de calor é dada por convecção e radiação. 
Ainda segundo o mesmo autor, as caldeiras podem ser classificadas em: 
aquotubulares, famotubulares e elétricas. 
Este trabalho trata das caldeiras aquotubulares por ser mais difundida no 
meio industrial e estabelecer um parâmetro de versatilidade de emprego tanto 
quando se trata de pequenas indústrias até grandes plantas termelétricas. 
 
CICLO RANKINE 
 
Sistemas de potência a vapor podem ser alimentados termicamente de 
vários combustíveis e podem funcionar com diversos fluidos de trabalho. 
Independentemente destes parâmetros, estes podem ter seu funcionamento 
genérico descrito. A instalação pode ser descrita desmembrando o sistema em 
subsistemas denominados cada um pelas letras A, B, C e D. O subsistema A 
compreende o foco da termodinâmica. Compreende efetivamente a transformação 
de calor em trabalho (MORAN; SHAPIRO, 1988). 
O subsistema B é responsável por fornecer a energia que é necessária para 
a vaporização do fluido de trabalho que transita pela caldeira. O vapor produzido, 
segue então para a turbina, na qual ele se expande até atingir pressões menores. O 
eixo conectado a turbina é acoplado a um alternador, responsável pela geração de 
energia elétrica. Este compreende no subsistema D. O vapor segue então para o 
condensador que, por sua vez, irá resfriar a água para maior queda na pressão e 
maior eficiência do sistema (subsistema C). O ciclo Rankine trata da discussão do 
subsistema A (MORAN; SHAPIRO, 1988). 
 
 A atenção aqui será voltada para o vapor d’água como fluido de trabalho, 
pela sua abrangência de utilização, e o uso de carvão mineral como combustível. 
Para análise do ciclo Rankine a modelagem assume alguns parâmetros: as 
perdas de energia que ocorrem entre os componentes do sistema e suas 
vizinhanças são desprezado bem como as variações de energia cinética e potencial. 
Os componentes do sistema operam em regime permanente. Com esses modelos 
juntos aos princípios de conservação de massa e energia, tem-se a análise de para 
cada componente: 
 
TURBINA 
 
No estado 1, o vapor que sai da caldeira se expande para gerar trabalho na 
turbina, reduzindo a sua pressão. É descarregado no estado 2 com uma pressão 
mais baixo do que na admissão. Considerando regime permanente: 
 
�̇�𝑡
�̇�
= ℎ1 − ℎ2 
Em que �̇� é a vazão mássica do fluido de trabalho e 
�̇�𝑡
�̇�
 é a taxa de trabalho 
(trabalho pela unidade de massa de vapor que passa pela turbina). 
CONDENSADOR 
No condensador há a troca de calor entre o fluido de trabalho e a água de 
arrefecimento. O vapor condensa cedendo calor para a água. Em regime 
permanente: 
�̇�𝑠𝑎𝑖
�̇�
= ℎ2 − ℎ3 
O termo 
�̇�𝑠𝑎𝑖
�̇�
 é a taxa de troca de calor entre o vapor e a água de 
arrefecimento por unidade de massa de fluido de trabalho. 
BOMBA 
O fluido que deixa o condensador desemboca na bomba. Esta, por sua vez, 
é responsável por introduzir o fluido na caldeira com uma pressão maior. Admitindo-
se que não há troca de calor entre a bomba e o fluido tem-se: 
 
𝑊𝑏̇
�̇�
= ℎ4 − ℎ3 
Onde 
𝑊𝑏̇
�̇�
 é a potência de entrada, por unidade de massa que passa pela 
bomba. 
CALDEIRA 
O ciclo é completo em 4, quando a água bombeada para a caldeira e assim 
aquecida a vapor superaquecido. A taxa de massa e energia ficam então: 
�̇�𝑒𝑛𝑡
�̇�
= ℎ1 − ℎ4 
Em que 
�̇�𝑒𝑛𝑡
�̇�
 é a taxa de transferência de calor da fonte de energia para o 
fluido de trabalho. 
PARÂMETROS DE DESEMPENHO 
O trabalho líquido disponível para uso em relação ao trabalho total fornecido de 
um ciclo Rankine mede a sua eficiência térmica: 
 
𝜂 =
𝑊𝑡
�̇�⁄ −
𝑊𝑏
�̇�⁄
𝑄𝑒𝑛𝑡
�̇�⁄
=
(ℎ1 − ℎ2) − (ℎ4 − ℎ3)
(ℎ1 − ℎ2)
=
𝑄𝑒𝑛𝑡
�̇�⁄ −
𝑄𝑠𝑎𝑖
�̇�⁄
𝑄𝑒𝑛𝑡
�̇�⁄
 
CICLO RANKINE COM REAQUECIMENTO 
 
Segundo Shapiro (2012) há determinadas maneiras de se melhorar os ciclos 
de potência. No caso do ciclo Rankine muitas vezes é empregado o reaquecimento 
no intuito de aumentar a eficiência do sistema causando pressões maiores na 
câmara de vapor e evitando um título baixo na saída da turbina. Neste esquema, o 
vapor ao sair da caldeira, entra em uma primeira turbina, a turbina de alta pressão. A 
pressão do fluido de trabalho cai a valores entre a pressão da caldeira e a pressão 
do condensador. Logo então, o vapor é reaquecido e passa através da segunda 
turbina, a turbina de baixa pressão, se expandindo mais uma vez e se igualando a 
pressão do condensador. Posteriormente o ciclo segue em seu curso normal. 
 
 
PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS 
 
 
Foi desenvolvida metodologia para dimensionamento de máquina a vapor, 
através de uma planilha de cálculo criada no Excel. 
Utilizando esta metodologia, foi possível determinar a influência dos principais 
parâmetros do vapor: pressão, temperatura e vazão mássica, sobre o 
desempenho térmico e a operação da Caldeira. 
 
Primeiramente, foi nos requerido dimensionar a caldeira, sabendo que a mesma 
precisava gerar uma quantidade “X” de potência definida pelo grupo. Para isto foi 
necessário partir de pressuposto a maior temperatura que poderíamos trabalhar 
em função dos matérias utilizados na construção da caldeira. Para trabalharmos 
com segurança utilizando materiais metálicos, definimos como temperatura 
máxima 400ºC, ou 673K, com a pressão máxima de 4MPa. A partir destes 
valores usamos a função propsSI do Excel para determinar o valor da entalpia 
na saída da caldeira em função da temperatura e da pressão. A expressão 
utilizada foi PropsSI("H";"P";C7;"T";B7;"water"), da mesma forma foi definida a 
entropia como PropsSI("S";"P";C7;"T";B7;"water"). 
 
 
 
Cálculos feitos a partir do excel 
 
A B C D E F 
3 Pressão Titulo(X) h s 
4 T (K) P (Pa) Q Entalpia (J/Kg) Entropia (J/[Kg*k]) 
5 Ponto 1 319 10000 0 191805,9446 649,1956052 
6 Ponto 2 319 4000000 - 195833,5036 649,1956052 
7 Ponto 3 673 4000000 - 3214117,699 6770,828776 
8 Ponto 4 417 400000 0,975648 2686101,372 6770,828776 
9 Ponto 5 673 400000 - 3273596,562 7899,769668 
10 Ponto 6 319 10000 0,966792 2504422,43 7899,769668 
Tabela 1- Valores encontrados nos cálculos de dimensionamento da potência da 
caldeira. 
 
O ponto 3 é a saída da caldeira, ele e o ponto 5, por se tratar de uma caldeira do 
ciclo Rankine com reaquecimento, são os pontos de maior temperatura no cilco. 
Sabemos que o no ponto 5 a temperatura será igual ao ponto 3, por também passa 
pela caldeira, mas como passou pelo circuito de alta pressão da turbina, sua 
pressão foi reduzida de 4MPa para 400KPa, resultando em uma entalpia de 
3,27MJ/kg e entropia de 7899,77 J/kg*K . O processo entre os pontos 5 e 6 é 
reversível e isentrópico, então o ponto 6 tem mesma entropia do ponto 5. Por se 
tratar de um processo reversível, o ponto 6 também é isobárico em relação ao ponto 
1. Então: 
Usando novamente o comando propsSI,descobrimos a temperatura do ponto 6 
PropsSI("T";"P";C10;"H";E10;"water") temperatura 319K. Através destas relações 
entre todas as transformações do ciclo Rankine pode-se chegar nos resultados da 
tabela 01. 
Trabalho Líquido 
 O trabalho liquido ocorre entre a saída da caldeira e a turbina : 
W.liq ( J/ Kg ) = (h5-h6)+(h3-h4)-(h2-h1) = 1293162,9 
Calor Alto ou Calor entra no ciclo 
QH ( J/ Kg ) = (h3-h2)+(h5-h4)= 3605779,385 
Rendimento 
O cálculo do rendimento é obtido pela divisão do trabalho líquido pelo 
calor alto 
 η = W.liq/QH *100 
ou pela variação das entalpias em cada ponto do cilco: = ((h5-h6)+(h3-
h4)-(h2-h1))/((h5-h4)+(h3-h2)) *100 
 
η =35,8636167555% 
Comparativo Ciclo Carnot 
 
O rendimento do Ciclo Carnot é calculado por: 
η c = 1-(TL/TQ)*100; 
 
 onde TL é igual a temperatura disponibilizada para o vapor após 
passar pela caldeira e TQ é a temperatura da chama produzida pela 
combustão do carvão mineral, segundo GERVAP1, pode-se estimar esta 
temperatura a 1800K para carvão mineral 
 
η c = 1-(673/1800)*100 = 62,61% 
 
Cálculo da Massa do Carvão 
Carvão mineral de Cambuí -PR 
PCI ( kcal/kg )= 6200 ou PCI ( J/kg )= 25940800 
 
 
Para o cálculo da massa de carvão é necessário primeiro encontrar a 
massa da água dividindo a potência pelo trabalho líquido. 
M(h2o) = Potencia/Wliq = 30000000/1293162,9 = 23,2 Kg/s 
Massa do Carvão = QH* M(h2o)/PCI = 3,22Kg/s 
 
Custo por tonelada 
Massa do carvão *3600/1000 = 11,609 Ton/h 
De acordo com CASSEMIRO (2002) o preço da tonelada de carvão é de 82,66 reais. 
Sendo assim: 
11,609*82,66 = 959,58 reais por hora trabalhada 
 
Custo por KW/h 
Para este cálculo usaremos a potencia fornecida em KW, ou seja 30MW = 30000KW 
Custo por KW/h = 959,58/30000 = 0,03 R$ / h 
 
 
 
Figura 1 – Esquema de funcionamento do Ciclo proposto. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Conclusão 
 
Foram realizado vários testes de variação de pressão e temperatura no Excel 
para verificar a variação do rendimento térmico do clico termodinâmico, sempre 
ficando bem abaixo em relação ao ciclo Carnot , denotando que no processo de 
queima do carvão o calor liberado pela combustão não é totalmente absorvido 
pela fornalha e transformado em energia termina, havendo muitas perdas em 
decorrência desse processo, podendo inclusive, isso ser objeto de estudo 
posterior. Neste trabalho foi dimensionado uma caldeira para trabalhar com ciclo 
Rankine com reaquecimento , cumprindo os pré requisitos do projeto foram 
apresentado o comparativo com o ciclo Carnot, o consumo estimado de massa 
de carvão mineral e o custo esperado. Há espaço para desenvolvimento do 
sistema completo, considerando as perdas de cargas nas tubulações, válvulas , 
registros e demais itens que compõem um sistema completo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
 
BAZZO, E. Geração de Vapor. Florianópolis: Editora da UFSC, 1995. 
 
JOCHEM, E.; UMBACH, F.; MAIHOLD , G.; OLIVEIRA, A.;NAVAJAS, F.; CONT,W; 
HUSAR, J; Energia: da Crise aos Conflitos? Rio de Janeiro: Konrad Adenauer 
Stiftung,2005. 
 
MORAM, M.J.; SHAPIRO, H. N.; Princípios de Termodinâmica para Engenharia. 
Rio de Janeiro: LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 2002. 
 
SOUZA, Z.; FUCHS, R.; SANTOS, A.; Centrais Hidro e Termelétricas. São Paulo: 
Edgar BlucherLtda, 1990 
 
TORREIRA, R. P.; Geradores de Vapor. São Paulo: Libris, 1995. 
 
 GERVAP1 , disponível em: http://www.fem.unicamp.br/~em672/GERVAP1.pdf 
 
CASSEMIRO,ELIANE - Custo de Produção do Carvão Mineral e o Custo de 
Recuperação de Áreas Degradadas Pela Extração do Carvão Na Região Sul de 
Santa Catarina - IX Congresso Brasileiro de Custos – São Paulo, SP, Brasil, 13 a 15 
de outubro de 2002 
 
 
 
http://www.fem.unicamp.br/~em672/GERVAP1.pdf