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Geradores de Vapor

Introdução: Geradores de vapor ou Caldeiras são equipamentos destinados a mudar o estado da água, do liquido para o de vapor, a fim de ser usado em; (a) aquecimento, (b) acionamento de máquinas motrizes (turbinas e máquinas alternativas), (c) em processos industriais (indústrias de alimentos, bebidas, papel e celulose, têxtil, metalúrgica, Química), (d) esterilização, (e) Geração de energia elétrica, etc

¾ Naturalmente que, com esta mesma finalidade, outros fluidos de trabalho (fluidos térmicos) poderiam ou podem ser empregados.

¾ A preferência pelo vapor de água como fluido de trabalho é justificada pelo seu elevado calor específico e pela ampla disponibilidade da água no meio industrial.

Mecanismo de transformação líquido-vapor:

¾ Fornecendo calor à água, variamos a sua entalpia (quantidade de energia por kg de massa) e seu estado físico.

¾ Quanto mais aquecermos, mais aumentaremos sua temperatura e, conseqüentemente, sua densidade diminuirá, tornando-se mais “leve”.

¾ A medida que fornecermos calor ao líquido, suas moléculas vão adquirindo energia até conseguirem vencer às forças que as mantém ligadas (na forma líquida). ¾ A rapidez da formação do vapor será tal qual for a intensidade do calor fornecido.

¾ A pureza da água e a pressão absoluta exercida sobre ela são os fatores que irão impor a temperatura na qual se produz a ebulição. ¾ Assim, quanto menor for a pressão, menor será a temperatura de ebulição da água.

P [kgf/cm2] Tebulição [oC]

T < TSaturado Líquido

Subresfriado

T = TSaturado Liquido saturado x = 0

T = TSaturado Vapor úmido

0 < x < 1

T = TSaturado Vapor saturado x = 1

T > TSaturado Vapor superaquecido Dependendo da sua aplicação o vapor pode ser saturado ou superaquecido;

¾ A maioria dos processos industriais envolve o uso de vapor saturado, com pressões inferiores a 10 bar (1000 kPa).

¾ Em serviços de acionamento mecânico usa-se vapor superaquecido e as pressões de trabalho são normalmente maiores, alcançando em alguns casos valores supercríticos. ¾ Existem centrais termelétricas operando com pressões da ordem de 250 bar (25 MPa)

Definições básicas:

Temperatura de saturação: O termo designa a temperatura na qual se dá a vaporização de uma substância pura a uma dada pressão. Essa pressão é chamada “pressão de saturação” para a temperatura dada.

¾ para a água a 100 oC, a pressão de saturação é de 1,014 bar ¾ para a água a 1,014 bar de pressão, a temperatura de saturação é de 100 oC.

Líquido Saturado: Se uma substância se encontra como líquido à temperatura e pressão de saturação diz-se que ela está no estado de líquido saturado.

Líquido Sub-resfriado: Se a temperatura do líquido é menor que a temperatura de saturação para a pressão existente, o líquido é chamado de líquido sub-resfriado (significa que a temperatura é mais baixa que a temperatura de saturação para a pressão dada), ou líquido comprimido (significando ser a pressão maior que a pressão de saturação para a temperatura dada).

Vapor Saturado: Denomina-se “Vapor Saturado” ao vapor produzido na temperatura de ebulição à sua pressão absoluta. ¾ vapor saturado úmido: quando contém partículas de água em suspensão;

Calor Sensível (sh): A Adição de Entalpia do Líquido (calor sensível) é a quantidade de calorias necessárias para elevar 1 kg de água de 0 ºC até a sua temperatura de ebulição. Esta relacionado apenas com o aumento ou diminuição da temperatura da substancia quando adicionado o calor

Calor Latente (lath): A Adição de Entalpia de Vaporização (calor latente) é a quantidade de calorias necessárias para converter 1 kg de água líquida em vapor seco à mesma temperatura e pressão (o calor latente decresce com o aumento da pressão absoluta do vapor).

Entalpia Total (Toth): Chama-se Entalpia Total do Vapor de Água, saturado, à soma do calor sensível e do calor latente:

latsTothhh+=

Quando não se consegue o vapor seco, têm-se: latsTothxhh+=, onde x é o título (variando de 0 a 1).

Em termos dos valores da tabela abaixo: Para P = 0,08 bar e admitindo um titulo x =0,8 temos

Título (x) Quando uma substância se encontra parte líquida e parte vapor (vapor úmido) a relação entre a massa de vapor pela massa total (massa de líquido mais a massa de vapor) é chamada título. Em outras palavras, representa a fração de vapor da mistura liquido+vapor

liqv vtotalv m m

No meio industrial as unidades de geração de vapor são simplesmente tratadas como caldeiras:

Caldeiras de Vapor: são os geradores de vapor mais simples. Queimam algum tipo de combustível como fonte geradora de calor.

Caldeiras de Água Quente: são aqueles em que o fluido não vaporiza, sendo o mesmo aproveitado em fase líquida (calefação, processos químicos).

Geradores Reatores Nucleares: são aqueles que produzem vapor utilizando como fonte de calor a energia liberada por combustíveis nucleares (urânio enriquecido). Caldeiras de Recuperação: são aqueles geradores que não utilizam combustível como fonte geradora de calor, aproveitando o calor residual de processos industriais (gás de escape de motores, gás de alto forno, de turbinas, etc.) Basicamente é um trocador de calor operando em contracorrente, composto por uma série de seções:

• Economizador

Estas seções são montadas geometricamente em seqüência desde a entrada do gás até a sua saída, visando maximizar a recuperação de calor dos gases e a geração de vapor. Cabe destacar que essas seções também são partes integrantes das caldeiras convencionais.

Numa central termoelétrica de ciclo combinado, o gás de escape de uma turbina a gás pode servir como insumo energético para uma unidade de ciclo a vapor. Basta para isso o uso de uma caldeira de recuperação.

Em alguns projetos, a queima de um combustível suplementar pode ser necessária visando aumentar a geração de vapor na caldeira e a potência gerada pelo ciclo a vapor.

A figura a seguir mostra uma caldeira de recuperação com arranjo na horizontal e outra com arranjo na vertical.

Arranjo na Horizontal Arranjo na Vertical

Podemos classificar as Caldeiras através de diferentes aspectos:

1) segundo a fonte energética utilizada, poderíamos classificar estas em dois grupos: as Caldeiras elétricas e as Caldeiras a combustíveis

Caldeiras elétricas:

• As caldeiras elétricas já foram muito utilizadas numa época em que havia excesso de oferta de energia elétrica (de origem hidráulica) e por conta de incentivos tarifários para o seu uso.

• São equipamentos de concepção bastante simples, basicamente compostas de um vaso de pressão onde a água é aquecida por eletrodos ou resistências elétricas.

• Nas caldeiras com resistências elétricas, a água é aquecida através de resistências elétricas blindadas imersas diretamente no líquido.

• Nas caldeiras com eletrodos, o aquecimento da água é obtido pela passagem de corrente elétrica diretamente através da água, que se aquece por efeito Joule.

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