Melhores Práticas no. 22

Número 22

Outubro 2023

MELHORES Engenharia de Produção PRÁTICAS

EFICIÊNCIA DE UMA CALDEIRA OU GERADOR DE VAPOR

EFICIÊNCIA DE UMA CALDEIRA OU GERADOR DE VAPOR

Muitos fatores influenciaram o desenvolvimento dos modernos Geradores de Vapor. Cargas operacionais, tamanho, restrições ambientais, uso de combustíveis de baixa qualidade e capacidade de adaptação dessas mudanças ao longo da vida útil das unidades são alguns exemplos. Uma especificação que geralmente está na lista ao selecionar um gerador de vapor é: “EFICIÊNCIA” . As caldeiras compactas continuam a ser uma das formas mais econômicas de gerar vapor e água quente. A seleção do equipamento certo, no entanto, requer avaliação de acordo com critérios diferentes:

O QUE SIGNIFICA EFICIÊNCIA DA CALDEIRA?

CALDEIRAS DE PACOTE

CALDEIRAS DE TUBO

• Seleção do tipo de caldeira ou gerador de vapo r

CALDEIRA DE TUBO DE ÁGUA

• Comparação de recursos e benefício s • Determinação dos custos de manutençã o • Determinação das características e custos do combustíve l

CALDEIRA MONOTUBULAR

• Avaliação da eficiência real da caldeir a

Uma caldeira típica consome quatro a sete vezes o custo do investimento inicial em combustível num único ano, pelo que a seleção de uma caldeira de elevada eficiência representa a recuperação do investimento num espaço de tempo muito curto devido à poupança no consumo de combustível.

O QUE SIGNIFICA EFICIÊNCIA DA CALDEIRA?

Como podemos avaliar a eficiência, de forma a reflectir o verdadeiro consumo de combustível? É realmente difícil verificar a eficiência de uma caldeira depois de instalada, sem um procedimento de medição caro. No entanto, existem técnicas disponíveis que permitem avaliar a eficiência de uma caldeira antes de realizar um investimento, através da revisão dos seus critérios básicos de projeto e dos dados utilizados para calcular a sua eficiência. O custo do investimento inicial é a menor parte do investimento total de uma caldeira. Entender quanto são os custos operacionais de uma caldeira é a chave para saber o verdadeiro custo anual do investimento na hora de adquirila. O exemplo a seguir compara quatro alternativas e suas eficiências. Uma caldeira tem eficiência térmica de 85%, outra tem eficiência de combustão de 87%, outra tem eficiência de caldeira de 80% e outra tem eficiência combustível-vapor de 83%. Qual caldeira consome menos combustível para a mesma aplicação?

Com base nessas informações, não há como saber.

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Normalmente, a eficiência térmica reflete quão bem o recipiente da caldeira transfere calor. Este conceito geralmente exclui perdas por radiação e convecção. A eficiência da combustão implica apenas a capacidade do queimador de queimar o combustível sem a presença de monóxido de carbono ou hidrocarbonetos não queimados. A eficiência da caldeira pode não significar nada, mas se relacionarmos esta eficiência com a energia fornecida à caldeira em relação à energia que ela fornece convertida em vapor, podemos considerar esta relação combustível/vapor como uma verdadeira relação de eficiência.

A eficiência de uma caldeira foi definida como a relação entre o calor fornecido através da geração de vapor, dividido pelo calor fornecido pelo processo de combustão.

O calor total gerado em um processo de combustão não é totalmente transferido para a geração de vapor devido às perdas naturais que as caldeiras ou geradores de vapor apresentam no projeto, essas perdas são devidas a:

• Perdas devido à radiação e convecçã o

• Perdas por desperdício de gases quentes na chamin é

• Perdas devido a drenos de condensado em alta temperatur a

• Perdas por umidade no vapor gerad o

Estas perdas têm um impacto muito significativo na eficiência total, pelo que vale a pena fazer uma análise detalhada de cada uma delas.

Las perdas são geralmente devidas ao projeto de construção da caldeira ou gerador de vapor, portanto será fornecida uma descrição geral das características do projeto.

CALDEIRAS DE PACOTE

O conceito de caldeiras compactas existe em todo o mundo há cerca de 70 anos. Neles, todos os componentes são projetados e instalados em uma única plataforma, de forma que as únicas conexões necessárias ao seu funcionamento sejam as instalações de: água, energia elétrica. , combustível, vapor e condensado e chaminé para descarga de gases de combustão. A caldeira do pacote é compacta, geralmente ocupa pouco espaço e é montada completa com queimador, ventilador, isolação, refratários, controles, bomba auxiliar e pré-aquecedor interligados elétrica e mecanicamente. Isto dá ao proprietário a simplicidade de uma única fonte de responsabilidade por garantias, reparos e manutenção.

Durante a Segunda Guerra Mundial, um novo tipo de caldeira compacta foi introduzido na indústria naval (Scotch Boiler), que agora é amplamente conhecido na indústria como Drum Boiler.

CALDEIRA DE TUBO:

Essas caldeiras são construídas por um vaso cilíndrico, com um queimador central denominado “Tubo Morrison”, os gases de combustão passam por dentro dos tubos, chamados de tubos de fumaça, a água e o vapor ficam na parte externa dos tubos. e o queimador, contido no corpo principal. Essencialmente, uma caldeira de tubo de combustão é construída de forma semelhante a um trocador de calor de casco e tubo.

Uma das características inerentes a esta caldeira é o grande volume de água que contém; isso permite responder às variações de carga com alterações mínimas na pressão do vapor.

O design ideal para este tipo de trocadores é o formato esférico, porém, não é prático, por isso utiliza-se o formato cilíndrico.

Num corpo cilíndrico, as forças transversais são facilmente absorvidas pela estrutura, no entanto, as forças longitudinais limitam a construção das referidas caldeiras.

Tensões longitudinais tendem a causar falha lateral. Essas forças são proporcionais à pressão e ao diâmetro do recipiente, a espessura da placa torna-se cada vez maior à medida que tentam absorver esses esforços, portanto o limite de pressão que esses equipamentos podem atingir é de no máximo 300 psig (21kg/cm²g).

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A combustão ocorre no tubo Morrison e os gases de combustão percorrem os tubos até chegarem à chaminé. Estas caldeiras são construídas com 2,3 e 4 degraus. Os gases passam pelos tubos cedendo calor e diminuindo sua temperatura e volume específico, assim as passagens diminuem em área total a fim de manter velocidades adequadas para a melhor troca de calor com água e vapor. Tecnologias como a Recirculação de Gás (FGR) estão atualmente disponíveis para caldeiras tubulares de fumaça. Este projeto reduz a emissão de NOx ao recircular uma porção de gases de combustão relativamente frios dentro da câmara de combustão, o que reduz a temperatura dos gases de combustão. Um projeto de queimador eficiente deve ser fornecido para garantir a combustão completa dos combustíveis. As paredes do queimador e os tubos podem sofrer fragilização devido à alta temperatura caso não haja uma rápida transferência de calor entre o aço e a água, portanto possíveis incrustações devido aos sais presentes na água devem ser evitadas ao máximo. , com tratamento adequado da água de alimentação, seja por amaciamento ou desmineralização conforme o caso. As caldeiras tubulares são do tipo sem condensação, o que significa que existe um limite baixo da temperatura dos gases de combustão e, portanto, uma diminuição da eficiência. Se a temperatura dos gases cair muito, ocorre condensação, esta condensação causaria sérios problemas de corrosão e falha dos tubos devido à ruptura. Como regra geral, a temperatura dos gases da chaminé deve ser mantida em torno de 55°C (100°F) em relação à temperatura de saturação do vapor. Normalmente, em projetos padrão, são necessários 5 pés² de superfície de aquecimento para cada potência da caldeira (BHP). Este tipo de caldeira é projetada para no máximo 1000 BHP. A eficiência aumenta com o número de etapas, porém há um limite; A adição de uma etapa extra melhora a eficiência média em 2 a 3%, porém, provoca maiores perdas de pressão, que devem ser compensadas com um aumento na potência do ventilador. Desvantagens das caldeiras tubulares: 1) Elevado diferencial de temperatura entre os gases da chaminé e a mistura água/vapor na parte superior da caldeira. 2) Devido às grandes dimensões do corpo, é necessário um grande investimento em isolamento para evitar perdas por radiação e convecção; em alguns locais, podem ocorrer problemas de congelamento quando a caldeira é desligada. 3) O grande volume de água contido implica tempos de arranque muito longos antes que o vapor possa ser gerado. 4) Devido ao grande volume de água contido, é necessária uma grande quantidade de purga para eliminar o lodo do fundo CALDEIRA DE TUBO DE ÁGUA Ao contrário das caldeiras fumotubulares, as caldeiras aquatubulares são projetadas com no mínimo duas cúpulas de aço, uma superior e outra inferior, unidas por tubos curvos, dentro dos quais a água é armazenada, na cúpula. parte superior o vapor é separado. O processo de combustão ocorre em casa onde uma parte dos tubos forma uma parede para absorver a radiação proveniente do processo de combustão. Os gases de combustão são levados para a chaminé, fazendo com que sejam desviados tocando os demais tubos até que seja alcançada a máxima transferência de calor. O coeficiente de transferência devido aos gases de combustão é função da velocidade com que passam dentro do tubo, de modo que a máxima eficiência é obtida em altas cargas, caindo consideravelmente em baixas cargas. Deve-se equilibrar a relação entre o número de passos e o aumento da potência, evitando baixar muito a temperatura dos gases da chaminé.

Devido ao seu design, suportam altas pressões de vapor e podem até superaquecer o vapor, razão pela qual seu uso é generalizado em aplicações de energia para geração de energia elétricay.

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GERADOR MONOTUBULAR

Este gerador de vapor, também denominado monotubular, utiliza uma bobina contínua, alimentada por uma bomba de deslocamento positivo. O espaço entre os tubos da bobina é graduado para otimizar as características de velocidade do gás de combustão, mistura e transferência de calor.

A água flui através da serpentina na direção oposta aos gases de combustão, comportando-se como um trocador de calor de fluxo cruzado. A saída da unidade de aquecimento está ligada a um recipiente externo onde o vapor é separado. Com este tipo de separador é possível obter uma qualidade de vapor de até 99,5%.

Comparado a uma caldeira tubular, este gerador de vapor é mais compacto, mais leve e, portanto, menos suscetível a perdas por radiação e convecção. Embora os tubos do gerador de vapor sejam relativamente menores, a velocidade da água e do vapor é maior. A alta velocidade de fluxo permite que os sólidos em suspensão sejam arrastados até o separador de vapor, onde são separados por gravidade, com alta concentração de sais. Por causa disso, apenas uma pequena quantidade precisa ser purgada para manter os sólidos suspensos sob controle. Como o processo de transferência de calor é realizado através de um sistema de convecção forçada, a quantidade de superfície de transferência exigida pela Boiler Horse Power é de 1,25 pés2. A separação do vapor é feita em um recipiente independente, de forma que toda a superfície da serpentina é utilizada para transferência de calor. Por tudo isto, o volume e o peso de um gerador de vapor são reduzidos em até 75% em comparação com uma caldeira tubular de fumo.

Durante a inicialização, desligamento ou alteração na demanda de vapor, o tempo de resposta é afetado pela massa térmica. Como a massa térmica de uma caldeira tubular de fumaça é maior, sua resposta é menor.

A energia contida na massa térmica é perdida durante um desligamento e pode ser recuperada quando a unidade for reiniciada, podendo ser utilizada qualquer quantidade de vapor. Esta perda pode ser significativa se a unidade não for inicializada continuamente. Devido ao desenho em espiral da unidade de aquecimento e à pequena quantidade de água armazenada, é possível absorver rapidamente as tensões térmicas causadas pelo aquecimento dos tubos, gerando vapor em apenas 5 minutos após o arranque completamente frio.

PERDAS POR RADIAÇÃO E CONVECÇÃO:

Uma caldeira quente, devido à sua alta temperatura, irradia calor para o exterior porque está a uma temperatura mais baixa. Essa perda de calor aumenta quando o ar circula em alta velocidade. Esta perda é uma função direta da temperatura externa e da superfície exposta. A melhor forma de reduzir esta perda é isolando o exterior e evitando deixar a caldeira no exterior. A forma de medir esta perda é medindo a temperatura externa do corpo da caldeira e medindo a superfície exposta. Estas perdas são constantes e não dependem da capacidade de geração de vapor.

PERDAS POR DESPERDÍCIO DE GASES QUENTES NA CHAMINÉ:

Os combustíveis necessitam de oxigênio para realizar o processo de combustão, esse oxigênio é obtido do ar ambiente, infelizmente o ar contém apenas 21% de oxigênio, os 79% restantes são nitrogênio. O nitrogênio é um gás que não intervém no processo de combustão, portanto só é aquecido e descarregado na atmosfera em alta temperatura pela chaminé. Dependendo do combustível, utilizamos de 13 a 20 kg. de ar por kg. de combustível, o que implica que 75% dos gases que escapam pela chaminé são azoto quente. O processo de combustão não é um processo natural, portanto para garantir que todo o combustível seja queimado é necessário manusear o excesso de ar, isso depende da eficiência do queimador. A forma de calcular esta perda é medindo a temperatura dos gases da chaminé e analisando a quantidade de oxigênio e monóxido de carbono nos gases da chaminé. Estes parâmetros são uma relação direta das perdas devido aos gases da chaminé.

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PERDAS DEVIDO À PURGA DE CONDENSADO DE ALTA TEMPERATURA

A água utilizada para alimentar as caldeiras contém sais dissolvidos que ficam concentrados porque o processo de geração de vapor apenas evapora a água, por isso devemos jogar fora uma certa quantidade de água concentrada com sais em alta pressão e temperatura, pois perdemos o calor investido em trazendo a água para essas condições, essa perda tem relação direta com a quantidade de água que deve ser jogada fora.

PERDAS DE UMIDADE NO VAPOR GERADO

A presença de umidade no vapor se deve ao arrastamento do líquido na geração do vapor, esta água não intervém nos processos de aquecimento, por isso é descartada como condensado, perdendo o calor latente que possui.

A aquisição de uma caldeira normalmente é feita calculando a demanda máxima de nossos equipamentos consumidores de vapor e aumentando-a em 30 a 50% a mais devido a futuras ampliações, para que finalmente a caldeira opere de 30 a 60% de sua capacidade projetada. Caldeiras convencionais com baixas cargas operacionais diminuem sua eficiência de projeto. A capacidade de uma caldeira normalmente é dada com água de alimentação a 100°C e uma atmosfera de pressão, mas a água que alimentamos as nossas caldeiras está normalmente à temperatura ambiente, por isso precisamos de utilizar parte do vapor gerado para pré-aquecer a água da caldeira. . alimentação de 20°C a 100°C, diminuindo o rendimento real da caldeira.

CÁLCULO DA PERDA DE CAPACIDADE DEVIDO AO PRÉ-AQUECIMENTO

Supondo que o vapor seja gerado em 10 kg/cm² DADOS: T = 185°C

Entalpia do líquido saturado ............................hf = 185.6 kcal/kg. Entalpia de vaporização ..................................hfg = 478.4 kcal/kg. Entalpia de vapor saturado..............................hg = 663 kcal/kg.

CALOR NECESSÁRIO PARA TRANSPORTAR UM CAVALO DE CALDEIRA DE 20°C A 100°C

Q = 15.6 kg/h x 1 kcal/kg°C x 80°C = 1,248 kcal/h

CALOR NECESSÁRIO POR DC DE 100°C A 185°C COMO VAPOR

Q = 15.6 kg/h x 1 kcal/kg°C x 85°C + 15.6 kg/h X 477 kcal/kg

Q = 8,767 kcal/h

PERDA DE CAPACIDADE = 1,248 Kcal/h / 8,767 Kcal/h = 14.2 %

Os Geradores de Vapor de convecção forçada monotubular por projeto recuperam 25% de umidade da quantidade de vapor que está sendo gerada no separador, esse condensado é recuperado para o tanque de condensado atuando como um sistema de pré-aquecimento.

CALOR RECUPERADO

QR= 15.6 Kg/h x 0.25 x 186 kcal/kg = 725 kcal/h

CALOR NECESSÁRIO PELA POTÊNCIA DA CALDEIRA PARA LEVAR DE 20°C A 100°C

Q = 1,248 Kcal/h - 725 kcal/h = 523 kcal/hr

PERDA DE CAPACIDADE = 523 Kcal/h / 8,767 Kcal/h = 6.0 %

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