Aula_15 Geradores de vapor - Introdução

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Operações Unitárias 2
GERAÇÃO DE VAPOR 
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Operações Unitárias 2
• Um gerador de vapor é um trocador de calor complexo,
constituído por diversos dispositivos, que produz vapor de
água sob altas pressões a partir da energia de um
combustível e de um elemento comburente;
• Popularmente conhecidos como “CALDEIRAS DE
VAPOR”.
O que é um gerador de vapor? 
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Operações Unitárias 2
Aplicação do vapor:
✓Geração de energia elétrica: turbinas movidas a vapor
em usinas termelétricas;
✓Acionamento mecânico de dispositivos tais como:
bombas, compressores, ventiladores, exaustores (força
motriz);
✓Fonte de aquecimento em diversos processos: reatores
químicos, trocadores de calor, evaporadores, secadores e
vários outros;
✓Secagem, limpeza, hidratação, esterilização,
umidificação.
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Operações Unitárias 2
 Caldeiras de vapor: queimam algum tipo de combustível
(sólido, líquido ou gasoso) como fonte geradora de calor;
 Caldeiras de recuperação: não utilizam combustíveis
como fonte de calor. Aproveitam o calor residual de processos
industriais para vaporizar o fluido (gás de escape de motores,
de turbinas, gases de incineradores e fornos);
 Caldeiras de água quente: o fluido é aquecido mas não
vaporizado, sendo aproveitado na fase líquida (calefação,
processos químicos);
 Geradores - reator nuclear: produzem vapor utilizando
como fonte de calor a energia liberada por combustíveis
nucleares.
Na prática, são adotados os seguintes nomes para os
diferentes tipos de dispositivos geradores de vapor:
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Operações Unitárias 2
1- Caldeiras Flamotubulares
Também conhecidas como: Pirotubulares, Fogotubulares ou Tubos de Fumaça.
➢ Os gases quentes produzidos na combustão circulam pelo interior dos tubos
e a água a ser vaporizada circunda os tubos e os tubos se localizam dentro
do corpo da caldeira.
Classificação das Caldeiras de vapor
Uma das classificações mais aceitas é feita de acordo à
configuração de escoamento dos gases de combustão e da água:
Tubulações
de gasesvapor
calor
água
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Caldeira flamotubular
vertical: os gases da
combustão sobem através de
tubos verticais colocados num
corpo cilíndrico fechado,
aquecendo e vaporizando a
água que está em volta deles.
Caldeira flamotubular horizontal:
Tipos:
Cornuália;
Lancaster;
Multitubular;
Locomóvel;
Escocesa.
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Vantagens:
• Maior facilidade de construção e operação;
• Custo de aquisição mais baixo.
Desvantagens:
• Baixo rendimento térmico (menor superfície de troca térmica);
• Baixa capacidade de produção de vapor (até 10 ton/h);
• Baixa pressão de operação (entre 15 e 20 bar);
• Utilizadas somente para instalações de pequeno porte.
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2 - Caldeiras Aquatubulares
✓ Os gases quentes circulam pela parte externa dos tubos e a
água a ser vaporizada escoa pela parte interna;
✓ Os tubos são localizados fora do corpo da caldeira dispostos
na forma de feixes tubulares e paredes d’água;
✓ Uso mais frequente nas mais diversas aplicações industriais,
principalmente em usinas termoelétricas.
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Operações Unitárias 2
Vantagens:
• Alto rendimento térmico (aumento da superfície de troca
térmica);
• Alta capacidade de produção de vapor (entre 15 e 150 ton/h,
podendo chegar a 750 ton/h);
• Grandes pressões de operação (entre 90 e 100 bar);
• Fácil adaptação da geometria e uso com diferentes tipos de
combustível.
• Fácil limpeza do tubos.
Desvantagens:
• Maior custo, complexidade de construção (a câmara de
combustão deve ser bem projetada);
• Grandes exigências no controle da qualidade da água de
alimentação para reduzir depósito de incrustações na parede
interna dos tubos.
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Valores adotados para classificação de geradores
de vapor em relação à pressão de trabalho:
➢ Baixa pressão: até 10 kgf/cm² (9,8 bar);
➢Média pressão: de 11 a 40 kgf/cm² (10,79 - 39) 
bar;
➢ Alta pressão: maior que 40 kgf/cm (> 39 bar).
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Caldeira Aquatubular – Componentes principais 
A construção de unidades geradoras de vapor é feita de acordo
com as normas ou códigos vigentes em cada país e de forma a
melhor aproveitar a energia liberada pela queima de um
determinado tipo de combustível.
Unidades modernas e de grande porte são normalmente equipadas
com os seguintes componentes principais: fornalha, câmara de
combustão, tubulões, superaquecedor, economizador e pré-
aquecedor de ar.
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 Fornalha
 Tubulações 
 Superaquecedor
 Economizador
 Aquecedor de ar
Componentes 
principais de uma 
caldeira de vapor:
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Operações Unitárias 2
Componentes de um GV 
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Operações Unitárias 2
Fornalha: equipamento utilizado para a queima do combustível.
Entre as suas funções estão: a mistura ar-combustível, a
atomização do combustível, a manutenção da chama e de uma
queima contínua da mistura.
Câmara de combustão: volume que tem a função de manter a
chama numa temperatura elevada com duração suficiente para
que o combustível queime totalmente. As temperaturas no interior
da câmara podem alcançar entre 900°C e 1400°C.
Sistema de queima: depende do tipo de combustível. No caso
de combustível sólido são utilizadas grelhas e para combustíveis
líquidos, gasosos e sólidos pulverizados são usados queimadores.
Cinzeiro: local de deposição das cinzas e restos de combustível
que caem da fornalha.
Descrição dos componentes principais: 
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Componentes:
 Feixe de tubos: conjunto de tubos
que possibilita a circulação de água
na caldeira e onde a água é
vaporizada ao receber calor dos
gases de combustão;
 Tubulão inferior: corpo cilíndrico
fechado que acumula água e
depósitos (lama), de onde podem ser
drenados para posterior tratamento
(sistema de descarga da caldeira).
 Tubulão superior: corpo cilíndrico
onde se separa a água do vapor
gerado;
Tubulões
É o local onde ocorre a vaporização da água.
Tubulão
superior
Tubulão
inferior
Feixe de
tubos
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Tubulão
superior
Tubulão
inferior
Os tubos são distribuídos através de furos dispostos em toda a
extensão do tubulão.
Tubulões e 
tubulações
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 Tubos ascendentes ou geradores (risers): recebem o calor
da fornalha e conduzem a mistura água-vapor até o tubulão
superior. O vapor gerado é acumulado na parte de cima do
tubulão superior e encaminhado aos superaquecedores.
 Tubos descendentes ou de circulação (downcomers):
conduzem a água não evaporada do tubulão superior ao tubulão
inferior.
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Paredes d’água: 
• Os diversos tubos dispostos um ao lado do outro que revestem
as paredes da caldeira são chamados de paredes d´água;
• O uso de paredes d’água eliminou o uso de paredes refratárias
(alto custo);
• Permite um melhor aproveitamento do calor (por radiação da
chama ou grelha);
• O resfriamento da câmara de combustão é feita através do fluxo
de água que circula pelos tubos que formam as paredes.
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Operações Unitárias 2
• Aproveita o calor residual dos gases
da combustão para elevar a
temperatura do vapor gerado e
transformar o vapor saturado em
vapor superaquecido (seco).
• Localizados dentro da câmara ou na
saída.
Superaquecedor
Economizador
• Trocador de calor que aproveita o
calor residual dos gases da combustão
para aquecer a água de alimentação
da caldeira.
• Além de aumentar o rendimento da
unidade, minimiza o choque térmico
entre a água de alimentação e a água já
existente no tambor.
SUPERAQUECEDOR
ECONOMIZADOR
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Pré-aquecedor de ar
• Aproveita o calor residual dos
gases ou do próprio vapor gerado
para aquecer o ar antes de sua
entrada na câmara.
• Sua instalação melhora a
eficiência da caldeira pelo
aumento da temperatura na
câmara de combustão.
Chaminé
Os produtos da combustão percorrem o circuito dos gases
(trechos intermediários) para melhor aproveitamento do calor, e
depois são lançados naatmosfera através da chaminé, após
tratamento para retenção de cinzas e poluentes.
PRÉ-AQUECEDOR
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Queimadores
São peças destinadas a
promover, de forma adequada
a queima eficiente do
combustível em suspensão.
Acessórios e equipamentos auxiliares
Bomba de circulação forçada, retentor de fuligem,
válvulas de segurança, indicadores de nível de
água nos tubulões, sensores de controle de água
de alimentação, sensores de temperatura,
indicadores de pressão, entre outros.
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Operações Unitárias 2
Algumas características das Fornalhas
A fornalha é um dos componentes mais importantes da unidade
geradora de vapor porque é o local destinado a converter a
energia química do combustível em energia térmica
(componente onde é realizada a queima do combustível).
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Tipo de combustível:
✓ Combustível sólido
✓ Combustível líquido
✓ Combustível gasoso
Estado de divisão do combustível:
✓ Combustível sólido a granel, picado ou 
grosseiramente moído
✓ Combustível pulverizado
✓ Combustível gaseificado
Fornalhas podem ser classificadas principalmente
de acordo com:
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Operações Unitárias 2
Sistema de alimentação de combustível:
✓ Manual
✓ Mecanizada
✓ Automatizada
Tipo de construção da câmara de combustão:
✓ Paredes refratárias (custo elevado)
✓ Paredes d’água: feixe de tubos que revestem a
fornalha, absorvendo o calor radiante da chama
para vaporizar a água.
Regime de suprimento de combustível
✓ Regime intermitente
✓ Regime contínuo
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➢ Volume apropriado ao tipo e quantidade de combustível
que se deseja queimar, para garantir a queima completa;
➢ Altura adequada e suficiente para que a chama não atinja
os tubos dos superaquecedores;
➢ Disposição correta dos queimadores, de modo a evitar
qualquer contato direto da chama com as paredes da
câmara;
➢ Forma apropriada, no sentido de favorecer a queima e
garantir o fluxo regular dos gases de combustão;
➢ Temperaturas adequadas, compatíveis com o equipamento
e com o combustível.
Em termos gerais, o projeto de uma câmara de
combustão deve considerar os seguintes aspectos:
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Volume pequeno: pode implicar em combustão parcial com
presença de material combustível nos gases que deixam a
fornalha (perda de combustível).
Volume grande: pode implicar em temperaturas mais baixas na
câmara de combustão a ponto de dificultar o processo de ignição
do combustível.
cc
tqq
V
=
3
kW
m
 
 
 
3
cc
Calor liberado pelo combustível (kW)
volume da câmara (m )
tq
V
→
→
Volume da câmara de combustão
Carga térmica volumétrica
É a razão entre o total de calor gerado na câmara pela
queima do combustível e o volume da câmara:
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Operações Unitárias 2
A carga térmica volumétrica é bastante variável e
depende, principalmente:
➢ do tipo de combustível;
➢ do sistema de queima;
➢ da capacidade do gerador de vapor;
➢ das características da câmara de
combustão.
Alguns valores típicos de carga volumétrica:
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CALOR TOTAL FORNECIDO
cb ci cb cb cb ar artq m P m h m m h= +  + 
( )
( )cb
ci
ar
Calor total disponível na câmara de combustão kW
Consumo de combustível kg combustível / s
Poder calorífico inferior do combustível (kJ/kg)
Massa real de ar de combustão (kg ar/kg combustíve
tq
m
P
m
→
→
→
→ l)
kJ
s
 
 
 
(Energia disponível na câmara de combustão)
O calor total liberado na câmara da combustão corresponde:
à energia 
liberada pela 
queima do 
combustível 
ao calor 
sensível 
associado ao 
fluxo do ar de 
combustão.
ao calor 
sensível 
associado ao 
fluxo de 
combustível e; 
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( )*ar p-ar arch T T = −
( )
( )
p-cb
cb
*
c Calor específico médio do combustível (kJ / kg C)
Temperatura do combustível ao entrar na fornalha C
Temperatura de referência C
T
T
→ 
→ 
→ 
Variação de entalpia do fluxo de combustível (aquecimento
do combustível):
( )*cb p-cb cbch T T = −
Variação de entalpia do fluxo do ar de combustão
(aquecimento do ar):
( )
( )
p-ar
ar
*
c Calor específico médio do ar de combustão (kJ / kg C)
Temperatura do ar de combustão ao entrar na fornalha C
Temperatura de referência C
T
T
→ 
→ 
→ 
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Operações Unitárias 2
RENDIMENTO TÉRMICO DE CALDEIRAS
A eficiência ou rendimento térmico de uma caldeira pode ser
calculada como a razão entre a energia transferida à água para
vaporizá-la e a energia térmica liberada pela queima do
combustível:
( )v v a útil
cb ci t
m h h q
m P q

−
= =

( )
( )
( )
Eficiência da caldeira;
Vazão mássica do vapor produzido (kg/s);
Entalpia do vapor produzido kJ / kg ;
Entalpia da água de alimentação kJ / kg ;
Consumo de combustível kg / s ;
Poder calorífico 
v
v
a
cb
ci
m
h
h
m
P
 →
→
→
→
→
→ ( )inferior do combustível kJ / kg .
CALOR LIBERADO PELO 
COMBUSTÍVEL 
Desprezando: aquecimento do ar e do combustível
CALOR ABSORVIDO 
PELA ÁGUA
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Operações Unitárias 2
Exemplo
Uma unidade geradora de vapor, com capacidade para
produzir 200 kg/s de vapor (12000 kPa e 520°C), é
projetada para queimar óleo combustível. Admitindo-se
que água saturada entra na caldeira a uma temperatura
de 260°C e que o rendimento térmico é da ordem de
90%, estime:
a) O consumo de óleo combustível e;
b) O volume mínimo para a câmara de combustão.
(admita: Pci = 41600 kJ/kg e que a caldeira é do tipo
aquatubular)
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Operações Unitárias 2
Solução:
o
Dados:
200 kg/s (vapor produzido)
Na saída:
(P = 12000 kPa, T = 520 C)
vm =
o
Na entrada: água saturada
 (T = 260 C)
= 0,9 
41600 kJ/kgciP

=
a) Partimos da definição da eficiência da caldeira:
( ) ( )
(1)
v v a v v a
cb
cb ci ci
m h h m h h
m
m P P


− −
=  =
 
Precisamos encontrar as entalpias do vapor da saída, hv, e
da água na alimentação, ha:
(Consumo combustível)
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Operações Unitárias 2
Entalpia do vapor na saída, hv
Tabela. Propriedades do vapor de água saturado
o(P = 120 bar, T = 520 C)
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Operações Unitárias 2
Entalpia do vapor na saída 
Tabela. Propriedades do vapor de água superaquecido
hv = 3401,8 kJ/kg
o(P = 120 bar, T = 520 C)
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Operações Unitárias 2
Tabela. Propriedades do vapor de água saturado
Entalpia da água na entrada (líquido saturado T=260oC) 
ha = 1134,4 kJ/kg
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Operações Unitárias 2
Voltando na Eq (1):
( )
kg kJ
200 (3401,8 1134,4)
kgs kg
12,11
kJ s
0,9 41600
kg
v v a
cb
ci
m h h
m
P
−
=

 −
= =

(Consumo 
Combustível)
b) Volume mínimo da câmara de combustão:
cc
tqq
V
=
(Carga térmica volumétrica)
3
cc
Calor liberado pelo combustível (kW)
volume da câmara (m )
tq
V
→
→
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Operações Unitárias 2
Desprezando o aquecimento do combustível e do ar da
combustão, temos:
cc
cc
t t cb ciq q m Pq V
V q q

=  = =
No caso de caldeiras Aquatubulares de grande porte, a literatura
indica cargas térmicas de no máximo 400 kW/m3.
Então se adotamos: 3
kW
400
m
máxq =
3
cc
3
kg kJ
12,11 41600
s kg
1259m
kW
400
m
cb ci
máx
m P
V
q


= = =
A câmara deve 
ter no mínimo 
1259 m3
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Operações Unitárias 2
Valores típicos de cargas térmicas volumétricas indicadas
para alguns sistemas de queima:
Obs.: No caso de Caldeiras Aquatubulares de grande porte,
a literatura indica cargas térmicas de no máximo 400 kW/m3.
Carga térmica (kW/m3)
Queima de óleo ou gás em
Caldeira Aquatubular
200 - 800
Queima de óleo ou gás em
Caldeira Flamotubular
500 - 1200
Queima de carvão pulverizado 100 - 300
Queima de carvão em grelhas
móveis
250 - 450
Queima de lenha em grelhas
inclinadas
150 - 400
Queima de lenha em grelhas
móveis
150 - 600