MMPQI Aula 4 - Vapor e resfriamento

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Geração de vapor e sistema de resfriamento
Baseado em Trovati, J. Tratamento de águas: sistema de resfriamento e geração de vapor. Curso on-line. (Data não disponível)
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Geração de vapor: caldeiras
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Conceitos gerais
Calor e Temperatura	
Mecanismos de Transferência de Calor	
Condução	
Convecção	
Radiação	
Vapor	
Combustão e Combustíveis	
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Conceitos gerais
A geração de vapor é uma importante operação industrial, presente em uma infinidade de processos e segmentos. 
Geração de energia elétrica nas usinas termelétricas e nucleares
Papel e Celulose
Açúcar e Álcool 
Indústrias químicas e petroquímicas em geral
Refinarias de petróleo
Frigoríficos, abatedouros e laticínios
Indústrias têxteis e de tintas/ vernizes
Cervejarias e bebidas em geral
Indústrias de processamento de madeira e borracha
Navegação marítima e fluvial
Diversas indústrias alimentícias e farmacêuticas, entre muitos outros.
Atualmente, o vapor constitui o modo mais econômico e prático de se transferir calor, até certo limite, em processos industriais. Também pode ser usado para geração de trabalho mecânico.
Um ditado popular no âmbito industrial diz que: “O vapor movimenta o mundo”.
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Calor e temperatura
Calor: É uma forma de energia térmica em trânsito, ou seja, está sempre se transferindo de um corpo com maior temperatura para um corpo de menor temperatura. O calor não pode ser armazenado; o que pode ser feito é apenas facilitar ou dificultar sua transferência.
Temperatura: É uma medida da energia cinética, isto é, da energia de vibração das moléculas que compõem um certo corpo. Quanto mais intensa é a vibração das moléculas, maior será a temperatura do corpo em questão. É justamente a diferença de temperatura entre dois corpos que promove a transferência de calor.
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Calor e temperatura
Figura 1: Analogia entre a transferência de calor, a corrente elétrica e o escoamento de fluidos 
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Mecanismos de transferência de calor: condução
É um método no qual o calor flui pelo contato direto, molécula a molécula, do corpo. Ocorre normalmente em corpos sólidos. Nas caldeiras, a condução ocorre no metal dos tubos e dispositivos de troca térmica, onde o calor flui da face de maior temperatura (em contato com os gases quentes ou fornalha) para a de menor temperatura (por onde circula a água).
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Mecanismos de transferência de calor: condução
Figura 2: Ilustração mostrando transferência de calor por condução
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Mecanismos de transferência de calor: convecção
É um processo que consiste basicamente na transferência de calor envolvendo corpos fluidos (líquidos ou gases). A convecção é sinal de movimento, podendo ser natural ou forçada. Nas caldeiras, ocorre transferência de calor por convecção dos gases quentes para as superfícies dos tubos e das superfícies aquecidas dos tubos para a água.
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Mecanismos de transferência de calor: convecção
Figura 3: Ilustração mostrando transferência de calor por convecção
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Mecanismos de transferência de calor: radiação
É um processo predominante em temperaturas mais elevadas (acima de 500ºC). O calor neste caso é transmitido por meio de ondas eletromagnéticas. Altamente dependente da diferença de temperatura. Numa caldeira, ocorre transferência por radiação do fogo para a área irradiada da fornalha.
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Mecanismos de transferência de calor: radiação
Figura 4: Ilustração mostrando transferência de calor por radiação
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Vapor
O vapor é a água no estado gasoso. Esta mudança de estado é proporcionada pelo efeito direto do calor e inverso da pressão. Quanto maior for a pressão, mais elevada será a temperatura de vaporização da água e mais energia o vapor transportará pelas moléculas de água que o constitui. Ao se condensar, a mesma energia que as moléculas absorveram para passar para fase vapor é liberada para o meio, resultando aí na transferência de energia na forma de calor.
Existem basicamente dois tipos de vapor:
Vapor saturado: É um vapor “úmido”, contendo pequenas gotículas de água, sendo obtido da vaporização direta da mesma. Quando este tipo de vapor se condensa, cede calor latente. É usado para aquecimento direto ou indireto.
Vapor superaquecido: É obtido através do aquecimento conveniente do vapor saturado, resultando em um vapor seco. É usado para transferência de energia cinética, ou seja, para geração de trabalho mecânico (turbinas).
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Combustão
A combustão nada mais é do que uma reação de oxidação de um material denominado “combustível” com o oxigênio (comburente), liberando calor. A equação genérica para o processo é:
COMBUSTÍVEL + OXIGÊNIO  CALOR + Produtos (CO2, H2O, CO, etc.)
Diversos combustíveis são usados para queima em caldeiras de produção de vapor. Entre eles destacam-se: lenha, óleos pesados, óleo de xisto, gás (natural e GLP), gases de alto forno ou de hulha, gases de escape de turbinas a gás, carvão mineral, bagaço de cana, palha de arroz, resíduos em geral, cavacos e cascas de madeira, licor negro (caldeira de recuperação), entre outros.
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Caldeiras
Introdução	
Tipos de Equipamento	
Caldeiras Fogotubulares (ou flamotubulares)
Caldeiras Aquatubulares
Equipamentos Periféricos	
Pré-Aquecedor de Ar	
Economizador	
Soprador de Fuligem
Superaquecedor	
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Caldeiras
As caldeiras (“boilers” do inglês) são equipamentos destinados basicamente à produção de vapor, seja ele saturado ou superaquecido. 
Dentro de uma unidade de processo, a caldeira é um equipamento de elevado custo e responsabilidade, cujo projeto, operação e manutenção são padronizados e fiscalizados por uma série de normas, códigos e legislações. No Brasil, o Ministério do Trabalho é responsável pela aplicação da NR-13, que regulamenta todas as operações envolvendo caldeiras e vasos de pressão no território nacional. 
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Caldeiras Fogotubulares (ou flamotubulares)
São equipamentos derivados das caldeiras antigas, onde o fogo e os gases quentes da combustão circulam no interior dos tubos e a água a ser vaporizada circula pelo lado de fora. Ambos são contidos por uma carcaça cilíndrica denominada casco. Os tubos podem ser verticais ou horizontais, dependendo do modelo.
Normalmente este tipo de caldeira tem produção de vapor limitada a cerca de 40 t/ h e pressão de operação máxima de 16 Kgf/ cm2. 
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Figura 5: Representação de uma caldeira flamotubular
tubulão
câmara de retorno
queimador
saída de gases para chaminé
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Caldeiras Aquatubulares
Surgiram da necessidade de maiores produções de vapor e maior pressão de operação. Nestes modelos, a água ocupa o interior dos tubos, enquanto que o fogo e os gases quentes ficam por fora. Existem modelos com produção de vapor superiores a 200 t/ h e pressão de operação da ordem de 300 Kgf/ cm2 (caldeiras supercríticas).
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tanque de smelt
Saída de smelt
bullnose
economizadores
coletores de cinzas
saída de smelt
convector
balão de vapor
superaquecedor
entradas de ar
fornalha
screen
saída de gases de combustão
distribuidores de água
Figura 6: Representação de uma caldeira aquatubular
entrada de combustível
seção de transferência de calor convectiva
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Figura 7: Fluxograma de uma caldeira de recuperação aquatubular
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Dados técnicos de exemplos de caldeiras de recuperação
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Pré-aquecedor de ar
Tem por finalidade aquecer o ar que será alimentado na fornalha, de modo a conseguir um aumento na temperatura do fogo e melhorar a transferência de calor por radiação. Com isto também se consegue aumento na eficiência do equipamento e economia de combustível.
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Economizador
Tem por objetivo pré-aquecer a água que alimentará a caldeira usando o calor dos gases de combustão que saem do equipamento. Consegue-se, assim, melhor rendimento na produção de vapor, respostas mais rápidas e economia de combustível.
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Soprador de fuligem
Trata-se de um dispositivo
que penetra no interior do feixe tubular, fazendo um jateamento de vapor na parte externa do feixe. Com isso, consegue-se remover possíveis depósitos de fuligem aderidos aos tubos que podem prejudicar as operações de troca térmica.
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Superaquecedor
São equipamentos destinados a aquecer o vapor saturado produzido na caldeira e torná-lo seco, apropriado para ser usado em operações de geração de energia mecânica, como acionamento de turbinas. O superaquecedor normalmente é construído com vários conjuntos em paralelo de 2 a 4 tubos em forma “U”, formando uma serpentina colocada no alto da fornalha. Pelo fato de trabalhar somente com vapor, qualquer fluxo de água da caldeira que atinge o superaquecedor irá imediatamente vaporizar-se e, caso a mesma contenha certa quantidade de sais dissolvidos, os mesmos se incrustarão no equipamento.
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Sistemas de resfriamento
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Conceitos gerais
Refrigeração e resfriamento
Sistemas Abertos de Resfriamento	
Sistemas Semi-Abertos (ou Abertos de Recirculação)
Sistemas Fechados (“Closed-Systems”)
Processos que Exigem Operações de Resfriamento	
Torres de Resfriamento
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Introdução
A água é largamente utilizada em vários processos como agente de resfriamento. Além de sua abundância em nosso planeta, a água apresenta um calor específico relativamente elevado, tornando-a própria para as operações de resfriamento.
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Resfriamento e refrigeração
“Resfriamento” indica uma redução de temperatura, em qualquer intervalo que seja, 
“Refrigeração” indica, especificamente, a redução de temperatura a valores abaixo de 0º C (273 K).
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Sistemas abertos de resfriamento
Também chamado de sistema de uma só passagem (“once-through”), é empregado quando existe disponibilidade de água suficientemente alta, com qualidade e temperatura satisfatórias para as necessidades do processo. A água é captada de sua fonte, circula pelo processo de resfriamento e é descartada ao final, com uma temperatura mais elevada.
Neste tipo de sistema não há como proceder um tratamento químico conveniente da água, uma vez que volumes muito altos estão envolvidos. Além disso, este processo tem o inconveniente de gerar a chamada “poluição térmica”, que pode comprometer a qualidade do curso de água onde é despejada.
Emprega-se este sistema em locais próximos a fontes abundantes e/ ou pouco onerosas de água. 
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Sistemas semi-abertos de resfriamento
É utilizado quando existe demanda elevada e disponibilidade limitada de água.
Após passar pelos equipamentos de troca térmica que devem ser resfriados, a água aquecida circula por uma instalação de resfriamento (torre, lagoa, “spray”, etc.) para reduzir sua temperatura e tornar-se própria para o reuso.
Apresenta um custo inicial elevado, porém resolve o problema de eventual escassez de água, possibilita menor volume de captação e evita o transtorno da poluição térmica. Pode ser submetido a um tratamento químico adequado, capaz de manter o sistema em condições operacionais satisfatórias e, com isto, pode-se reduzir os custos operacionais do processo.
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Sistemas fechados de resfriamento
É aplicado em processos nos quais a água deve ser mantida em temperaturas menores ou maiores do que as conseguidas pelos sistemas semi-abertos.Também é empregado em instalações pequenas e móveis. 
Neste sistema, a água (ou outro meio) é resfriada em um trocador de calor e não entra em contato direto com os demais fluidos do processo (ar, gases, etc.)
Alguns exemplos que utilizam este sistema são: circuitos fechados para resfriamento de compressores, turbinas a gás, instalações de água gelada, radiadores de motores a combustão interna (automóveis, caminhões, tratores, máquinas estacionárias) e algumas instalações de ar condicionado e refrigeração.
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Processos que Exigem Operações de Resfriamento	
Operações siderúrgicas, metalúrgicas, fundições, usinagens, resfriamento de fornos, moldes, formas, etc.
Resfriamento de reatores químicos, bioquímicos e nucleares.
Condensação de vapores em operações de destilação e evaporadores, colunas barométricas, descargas de turbinas de instalações termelétricas e nucleares, etc.
Resfriamento de compressores e gases frigoríficos em circuitos de refrigeração (condensadores evaporativos), incluindo operações de ar condicionado e de frio alimentar.
Arrefecimento de mancais, peças, partes móveis, lubrificantes, rotores e inúmeras máquinas e equipamentos.
Resfriamento dos mais variados fluidos (líquidos e gases) em trocadores de calor, entre muitas outras aplicações.
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Torres de Resfriamento
Existem vários modelos e disposições diferentes de torres e sistemas de resfriamento de água, cada qual com suas aplicações mais usuais e respectivas vantagens e desvantagens.
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Torres de resfriamento
Figura 8: Modelo clássico de torre de resfriamento, mostrando seus principais componentes.
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Torres de resfriamento
Figura 9: Torres de resfriamento de águas diversas
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Sistema de resfriamento do tipo “spray-pond”.
Figura 10: Sistema de resfriamento do tipo spray-pond