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Trabalho de Geração de Vapor dobre tiragem ...

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA GERAÇÃO DE VAPOR

TIRAGEM

Santa Maria, RS, Brasil. 2014

2

CONTEÚDO 1.

INTRODUÇÃO

3

2.

TIRAGEM

4

2.1.

DEFINIÇÃO

4

2.2.

TIPOS

5

2.3.

PERDA DE CARGA

5

3.

TIRAGEM NATURAL

3.1. 4.

CHAMINÉS

7 9

TIRAGEM ARTIFICIAL

11

4.1.

VENTILADOR

11

4.2.

TIRAGEM FORÇADA

13

4.2.1.

TIRAGEM FORÇADA POR JATOS DE VAPOR

13

4.2.2.

TIRAGEM FORÇADA POR AR COMPRIMIDO

14

4.3.

TIRAGEM INDUZIDA

14

4.4.

TIRAGEM BALANCEADA

15

5.

SELEÇÃO DA TIRAGEM

17

6.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

18

3

1. INTRODUÇÃO

Com o desenvolvimento da indústria, a utilização de equipamentos capazes de diminuir custos de produção vem se tornando cada vez mais decisivo no mercado, atuando diretamente no preço final do produto. Geradores de vapor atuam nesse sentindo, quando se tornam mais econômicos em relação a outras formas de utilização de energia a partir de combustíveis. Um gerador de vapor, é o equipamento que transforma a energia química de um combustível, seja ele queimando para essa finalidade ou reaproveitado de algum outro processo que libera gases quentes, em energia térmica e de pressão, acumulada no fluido de trabalho, que nesse caso se vaporiza e depois possa ser reaproveitado liberando essa energia, seja para fins de aquecimento ou para fins de geração de energia, com a aplicação em uma turbina. Uma caldeira é um gerador de vapor, que pode queimar tanto combustível sólido, quanto gasoso ou líquido. As caldeiras dividem-se em dois tipos: as flamotubulares que se caracterizam pela circulação interna dos gases de combustão, e as caldeiras aquotubulares, que se caracterizam pela circulação externa dos gases de combustão em torno dos tubos que conduzem massa de água e vapor, como pode ser visto na figura abaixo. O combustível é queimando na fornalha e os gases de combustão circulam pela caldeira trocando calor com o fluido vaporizante, fazendo vários passes por dentro da caldeira. Para que haja essa troca de calor, os gases de combustão precisam se mover dentro da caldeira, passando por todos os trocadores de calor, até chegar na chaminé. Para que isso ocorra há a necessidade de diferenças de temperatura para promover a retirada dos gases quente e possibilitar a entrada de nova quantidade de ar e combustível na caldeira. Ao processo de movimentação dos gases quente, se dá o nome de tiragem, e essa pode ser natural, quando esta se estabelece por meio da chaminé, e de tiragem forçada quando, para produzir a depressão, são utilizados ventiladores.

4

Esquema de uma caldeira flamotubular

2. TIRAGEM

2.1. DEFINIÇÃO Tiragem é o fluxo de gases ou ar através de chaminé da caldeira, conduta ou equipamento, provocado por diferenças de pressão ou da densidade oriundas de zonas com diferentes temperaturas, ou também pode ser definida como a corrente de ar que se faz entrar nas fornalhas para queimar o combustível. Combustível e ar de combustão são injetados ou succionados para a câmara de combustão e circulam por entre as superfícies de troca de calor, sendo exauridos ao ambiente externo. A circulação dos produtos de combustão é normalmente obtida com o auxílio de ventiladores, exaustores ou com o efeito de tiragem provocado pela chaminé, podendo se utilizar um, ou mais destes recursos. A pressão na câmara de combustão pode ser abaixo ou acima da pressão atmosférica ambiente, dependendo do arranjo que se faça com os dispositivos de tiragem.

5

Diferentes pontos dos dutos de ar e gases de uma caldeira.

2.2. TIPOS Os principais tipos de tiragem utilizados são: ▪

Tiragem natural;

▪

Tiragem artificial

•

Tiragem forçada;

•

Tiragem induzida;

•

Tiragem balanceada.

2.3. PERDA DE CARGA A perda de pressão estática dos gases de combustão, ou seja, a perda de carga deve ser suprida pelos dispositivos de circulação, ventilador, exaustor e chaminé, garantindo assim o fluxo através da caldeira. As principais perdas de pressão no circuito são as seguintes: ▪

Perda de carga na porta do cinzeiro;

▪

Perda de carga através da grelha e do leito de combustível;

▪

Perda de carga por atrito com os condutos;

6

▪

Perda de carga na caldeira;

▪

Perda de carga nos trocadores de calor;

▪

Perda de carga por mudanças de direção;

▪

Perda de carga por variações de seção;

▪

Perda de carga no registro;

▪

Perda de carga na saída da chaminé.

Na sua forma mais geral, a perda de carga através de um dispositivo ou duto pode ser calculada pela equação:

( )

∆𝑝 = 𝐾. ρ.

2

𝑣 2

Onde: ∆𝑝 :perda de carga ρ : densidade do fluido 𝑣 : velocidade média do fluido 𝐾 : coeficiente de perda de carga Para dispositivos em geral, e singularidades tais como injetores, curvas, expansões, aletas de direcionamento, o coeficiente é obtido experimentalmente e encontram-se na literatura diversas configurações tabeladas, porém dificilmente abrange todas as necessidades especificas de um projeto de uma caldeira. Assim, alguns valores de perda de carga têm que ser estimados e experimentados. Para o fluxo de fluidos dentro de dutos, ou por fora de tubos circulares, a perda de carga pode ser calculada através da equação: ∆𝑝 = 𝑓𝐷. Onde: ∆𝑝 : perda de carga ρ : densidade do fluido 𝑣 : velocidade média do fluido 𝑓 : coeficiente de perda de carga 𝐷

𝐿 : comprimento total do tubo 𝑑 : diâmetro característico do tubo

𝐿 𝑑

. ρ.

2

𝑣 2

7

No caso de fluxo dentro de tubos, o fator 𝑓𝐷 depende do número de Reynolds e da rugosidade relativa do tubo. Para o fluxo de fluidos por fora de tubos, o caso de feixes de convecção, a perda de carga pode ser calculada segundo as fórmulas: ∆𝑝 = 𝐾. ρ.

2

𝑣 2

0,14

µ 𝐾 = 𝑓. 𝑁𝑓. ⎡⎢ µ 𝑝 ⎤⎥ ⎣ 𝑚⎦

Onde: 𝑓 : fator de correção

𝑁𝑓: número de fileiras de tubos µ𝑝 : viscosidade do fluido na temperatura da parede µ𝑚 : viscosidade do fluido na temperatura da mistura O fator de correção 𝑓 é uma função do número de Reynolds e de características geométricas do feixe de tubos. Para tubos alinhados 𝑓 pode ser estimado pela equação:

Onde:

⎡ ⎢ 𝑓 = ⎢0, 044 + ⎢ ⎢ ⎣

𝑆𝑝

0,08. 𝑑

( ) 𝑆 −𝑑 𝑡

𝑑

𝑒

𝑒

0,43+1,13.

(

𝑑

𝑒 𝑆 𝑝

𝑒

⎤ ⎥ ⎥. 𝑅𝑒 ) ⎥⎥ 𝑚á𝑥 ⎦

(

)−0,15

𝑆𝑝 : espaçamento longitudinal dos tubos 𝑆𝑡 : espaçamento transversal dos tubos 𝑑𝑒 : diâmetro externo dos tubos 𝑅𝑒𝑚á𝑥 : número de Reynolds na condição de escoamento de menor secção de passagem Para tubos arranjados em quicôncio, o fator 𝑓 pode ser estimado pela equação: ⎡ ⎢ 𝑓 = ⎢0, 25 + ⎢ ⎣

3.

TIRAGEM NATURAL

⎤ ⎥ 1,08 ⎥ . 𝑅𝑒 𝑚á𝑥 ⎥ ⎦

0,118

( ) 𝑆𝑡−𝑑𝑒 𝑑𝑒

(

)−0,16

8

A tiragem natural é o tipo mais simples e comumente utilizada. A circulação dos gases quentes se da pela diferença de pressão entre a chaminé e a fornalha. Criada por efeito exclusivo da chaminé, quando o ar necessário para a combustão é suprido, graças à diferença de pressão entre a fornalha e a parte superior da chaminé, suficiente para garantir suprimento de ar e remover os gases de exaustão. A tiragem natural, é típica de caldeiras antigas, de pequena capacidade, e com pouca superfície convectiva; têm como desvantagem a influência das condições climáticas e da pressão atmosférica.

Tiragem natural.

O deslocamento dos produtos da combustão é feito através da convecção natural. É obtida naturalmente pela ação da chaminé que recebendo os gases quentes da fornalha, no seu interior lhes facilita a subida, originando uma rarefação à entrada do cinzeiro, onde o ar está frio, obrigando-o a entrar na fornalha através da grelha. Esta diferença de pressões depende da altura da chaminé e das temperaturas dos gases no seu interior e do ar atmosférico exterior e é expressa por: ∆𝑝 = 𝐻. (𝐷 − 𝑑) Onde ∆𝑝 é a diferença de pressões entre a coluna de gases quentes dentro da chaminé e a do ar à entrada do cinzeiro [Pa]; 𝐻 é a altura da chaminé [m]; 𝐷, a densidade do ar [kg/m3]; e 𝑑, a densidade dos gases da chaminé [kg/m3]. A tiragem é expressa por: ℎ =

𝐻 0,8

(

1 −

𝑇 +273° 1

𝑇 +273° 2

)

− 3

9

Onde ℎ é a força de tiragem sobre a grelha (pressão do ar) medida em milímetros do manômetro de água; 𝐻 é a altura da chaminé acima da superfície da grelha; 𝑇1, a temperatura do ar exterior (na entrada do cinzeiro) medida em graus Celsius; 𝑇2, a temperatura média dos gases da chaminé. Observa-se que a tiragem natural depende dos ventos, da condução dos fogos, da temperatura exterior, do estado higrométrico do ar e ainda da pressão atmosférica. Estes inconvenientes são remediados em parte quando empregamos a tiragem forçada.

3.1. CHAMINÉS O projeto da chaminé assume fundamental importância no processo de tiragem, não só por isso, mas também por envolver parâmetros de controle ambiental. Atendendo à legislação vigente, o projeto da chaminé deve ser de forma a dispersar melhor as partículas sólidas e gases nocivos à saúde. A perda de carga do escoamento dos gases de combustão deve ser vencida pela diferença de pressão ocasionada pelos ventiladores e chaminé. A chaminé tem como função principal a dispersão adequada dos produtos de combustão no meio ambiente. Quanto maior a altura da chaminé, menor deve ser a concentração de material particulado e gases poluentes, emitido pelo sistema de combustão, ao nível do solo circunvizinho. A diferença de peso específico dos gases, aquecidos e frios, gera uma força de empuxo proporcional à diferença dos pesos específicos, conforme a seguinte equação:

(

𝐹

)

𝐹𝑒 = 𝐴. 𝐻𝑢. ρ𝑎 − ρ𝑔 . 𝑔 𝑒

𝐴

(

)

= ∆𝑝𝑐 = 𝐻𝑢. ρ𝑎 − ρ𝑔 . 𝑔

𝐹 : força de empuxo (𝑁) 𝑒

2

𝐴 : área transversal da chaminé (𝑚 ) 𝐻𝑢 : altura útil da chaminé, medida a partir do nível dos queimadores ou da grelha até a boca da chaminé (𝑚)

10

ρ𝑎 : massa específica do ar na temperatura ambiente (

𝐾𝑔 3

𝑚

)

ρ𝑔 : massa específica do ar na temperatura na temperatura média do gás na chaminé (

𝐾𝑔 3

𝑚

)

𝑔 : aceleração da gravidade (

𝑚 𝑠

2

)

∆𝑝𝑐 : diferença de pressão gerada pela chaminé (𝑃𝑎) A chaminé também provoca uma depressão no sistema pela diferença da densidade da coluna de fluido dentro da chaminé em comparação a densidade do ar atmosférico. A depressão gerada pela chaminé é calculada pela equação:

(

∆𝑝 = 𝐻. ρ 𝑐

𝐴𝑅

)

− ρ .𝑔

∆𝑝 : depressão causada pela chaminé

𝑔

𝑐

𝐻 : altura útil da chaminé ρ𝐴𝑅 : densidade do ar na temperatura ambiente ρ𝑔 : densidade do gás na temperatura média da chaminé 𝑔 : aceleração da gravidade A temperatura do gás na chaminé deve ser tomada como a temperatura média entre o pé da chaminé e a temperatura verdadeira da saída dos gases. A temperatura do pé da chaminé é a temperatura de saída dos produtos de combustão na caldeira. É um valor geralmente conhecido ou fácil de ser medido. Os produtos de combustão vão perder calor ao ambiente enquanto fluem para o topo da chaminé. A perda de calor depende das condições ambientais externas, tais como a temperatura ambiente, a velocidade do vento, e as características e dimensões da parede da chaminé. A variabilidade destes parâmetros pode não compensar o esforço de se calcular a perda de calor pela chaminé. De um modo geral, a fim de se estimar a perda de temperatura dos gases de combustão fluindo pela chaminé podemos tomar como valores básicos uma queda de temperatura da ordem de 0,2 a 0,6 ºC/metro linear da altura da chaminé. Deve-se tomar cuidado redobrado a fim de que a temperatura dos gases na saída da chaminé não atinja a temperatura de ponto de orvalho dos mesmos, para evitar condensação do vapor nele contido, provocando corrosão e outros danos às instalações.

11

A densidade dos produtos de combustão, bem como outras propriedades necessárias aos cálculos de troca de calor e perda de carga pode ser calculada em função da composição molecular dos produtos e das propriedades de cada componente da mistura na temperatura desejada. Assim, a densidade da mistura, e similarmente, outras propriedades, fica determinada por: ρ𝑚𝑖𝑠𝑡𝑢𝑟𝑎 = ∑ 𝑥𝑖. ρ𝑖 𝑥𝑖 : concentração molar do componente 𝑖 ρ𝑖 : densidade do componente 𝑖 Analisando-se a equação que fornece a depressão causada pela chaminé observamos que esta é proporcional à altura útil da chaminé. Por outro lado, a perda de carga provocada pela circulação do fluido na própria chaminé deve ser calculada e esta também aumenta com a altura linear da chaminé, além de ser uma função da velocidade dos gases. Para o cálculo da perda de carga na chaminé, assume-se que a chaminé comporta-se como um duto, e uma altura excessiva da chaminé podem ter o efeito inverso de diminuir a depressão disponível para a caldeira por excesso de perda de carga. Para tiragem natural, as velocidades recomendadas estão na faixa dos 4 a 8 m/s. Com tiragem artificial pode-se chegar a valores da ordem de 10 a 15 m/s. Em geral as chaminés têm formato cônico, com sua inclinação variando de 0,5 a 1°, onde o diâmetro médio é calculado em função do fluxo previsto dos gases, onde sua velocidade para uma tiragem natural pode ser arbitrada entre 4 e 8 m/s, e para tiragem artificial podendo assumir valores superiores a 10 m/s. 4.𝑚˙

𝑑𝑚 = ⎡⎢ π.ρ .𝑣𝑔 ⎤⎥ ⎣ 𝑔 ⎦ 𝑑𝑚 : diâmetro médio da chaminé (𝑚) 𝑚˙𝑔 : fluxo mássico de gases 𝑣 : velocidade dos gases

4.

(𝐾𝑔 𝑠)

(𝑚 𝑠)

TIRAGEM ARTIFICIAL

1 2

12

Na tiragem artificial, as perdas de carga são superadas pela presença combinada da chaminé e ventiladores. A chaminé continua a contribuir no processo de aspiração dos gases de combustão. Os ventiladores são instalados de modo a permitir perfeito controle do processo de tiragem e da própria pressão no interior da câmara de combustão. A tiragem artificial se distingue em forçada, induzida ou balançada.

4.1. VENTILADOR Os ventiladores são instalados em unidades que necessitam de tiragem artificial e são dimensionados com base na vazão e nas perdas de carga. Os ventiladores,

a

serviço

de

unidades

geradoras

de

vapor,

devem

operar

ininterruptamente, por longos períodos e de acordo com as características fluidodinâmicas do circuito de ar ou gases (perdas de carga e vazão). O comportamento de todo o circuito de circulação dos gases na caldeira em função da vazão de gases é apresentado em contraposição à curva de funcionamento típica de um ventilador. O ponto de equilíbrio deve ser atingido quando para uma mesma vazão, as duas curvas características apresentam a mesma diferença de pressão. É óbvio que isto só ocorre num ponto, e para que o sistema tenha operação flexível numa ampla faixa de vazão de gases, a curva característica da perda de carga é modificada com adição de dispositivos de controle, tais como válvulas de regulagens de vazão, as quais introduzem uma perda de carga variável conforme sua posição de abertura. Este é o sistema mais comum e barato, porém muitas vezes implica num consumo extra operacional de pressão. Em grandes sistemas, onde os custos operacionais são expressivos, um outro método é modificar-se a curva característica dos ventiladores e exaustores através da variação da rotação do ventilador, com o auxílio de variadores de velocidade eletromagnéticos, hidráulicos ou de outros dispositivos. A tiragem natural é inviável em geradores de vapor envolvendo grandes feixes tubulares e dispositivos complementares que provocam grandes perdas de carga.

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Curva característica de um ventilador centrífugo e do circuito de perda de carga de gases.

4.2. TIRAGEM FORÇADA Exercida por sopradores na entrada da fornalha, fornecendo ar sob pressão para combustão e facilitando a remoção dos gases pela chaminé; a potência necessária para operar tais sopradores varia entre 4 a 6% da capacidade da caldeira. A tiragem forçada é realizada com o auxílio de ventilador insuflando ar na câmara de combustão, conforme esquema apresentado na figura abaixo. Neste caso, a câmara de combustão opera com pressão positiva, e é o modo mais utilizado nas caldeiras flamotubulares e pequenas caldeiras.

Tiragem forçada.

14

A principal desvantagem da tiragem forçada é a possibilidade de vazamento de gases de combustão para o ambiente de trabalho, causando problemas de segurança aos operadores e equipamentos. Pode ser utilizada em pequenas caldeiras dada a maior facilidade de se construir câmaras de combustão quase que totalmente estanques. 4.2.1. TIRAGEM FORÇADA POR JATOS DE VAPOR Consiste em enviar o vapor por um tubo colocado na base da chaminé, onde sai um jato constante, o qual arrasta os produtos da combustão comunicando-lhe assim uma certa força viva. Tem como inconveniente consumir água e vapor, por isso, é empregada em locomotivas que descarregam estes jatos pela chaminé. Outro processo emprega o vapor que descarregando numa espécie de ejetor arrasta consigo o ar para dentro do cinzeiro que para esse fim é fechado. Muitas vezes, junto com o ejetor existe uma camada de água para o ar se carregar de umidade e ir assim beneficiar a conservação das grelhas e melhorar a combustão. 4.2.2. TIRAGEM FORÇADA POR AR COMPRIMIDO É um sistema semelhante ao descrito anteriormente, em que o vapor é substituído pelo ar comprimido. O ar comprimido, que pode também ser substituído pelo vapor, é regulado por uma válvula e descarrega igualmente no cinzeiro arrastando na sua corrente o ar atmosférico, cuja entrada se pode regular pelos registros ou ainda pela porta principal, conforme as necessidades da combustão. Por meio de uma alavanca abrem-se mais ou menos os registros que deixam passar o ar em maior ou menor quantidade através do muro para a caixa de fogo, de forma a poder-se ter uma combustão perfeita. A pressão do ar nos ejetores regula pouco mais ou menos por 20 milímetros no manômetro de água.

4.3. TIRAGEM INDUZIDA A tiragem induzida tem um exaustor na saída da caldeira, gerando uma pressão ligeiramente negativa no interior da fornalha, o qual succiona os produtos de

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combustão direcionando-os para a chaminé. O ar de combustão é alimentado pela pressão negativa existente na fornalha.

Tiragem induzida.

4.4. TIRAGEM BALANCEADA Como resultado da combinação de tiragem forçada com tiragem induzida, o ventilador de tiragem induzida normalmente é de maior capacidade do que o de tiragem forçada, d...