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Termodinâmica e Otimização de Energia Térmica
Curso de Especialização em Eficiência Energética – DAELT - UTFPRProfº Fábio José Horta Nogueira
EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM CALDEIRAS E FORNOS
Curitiba, 23 e 24 de novembro de 2012
Termodinâmica e Otimização de Energia Térmica
Curso de Especialização em Eficiência Energética – DAELT - UTFPRProfº Fábio José Horta Nogueira
Sumário
• HISTÓRICO
• INTRODUÇÃO
• ÁGUA E VAPOR
• TIPOS DE CALDEIRAS
• COMBUSTÍVEIS E COMBUSTÃO
• ANÁLISE DE GASES
• EFICIÊNCIA DA CALDEIRA
• TRATAMENTO DA ÁGUA
• ASPECTOS SOBRE SEGURANÇA
• MEDIDAS DE ECONOMIA
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Termodinâmica e Otimização de Energia Térmica
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• HISTÓRICO
• INTRODUÇÃO
• ÁGUA E VAPOR
• TIPOS DE CALDEIRAS
• COMBUSTÍVEIS E COMBUSTÃO
• ANÁLISE DE GASES
• EFICIÊNCIA DA CALDEIRA
• TRATAMENTO DA ÁGUA
• ASPECTOS SOBRE SEGURANÇA
• MEDIDAS DE ECONOMIA
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Termodinâmica e Otimização de Energia Térmica
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O história do uso do calor se confunde com a própria história do homem.
É certo que um dos aceleradores da evolução humana foi o uso do fogo, pois isso possibilitou melhor alimentação, proteção e conforto.
Na antiga Grécia Idade existiam “engenhocas” que já usavam o vapor como fonte como fonte motriz.
O calor passou a ser usado maior intensidade na Século XVII, no início da Revolução Industrial com o aumento da mineração e avanço da metalurgia.
Depois disso o crescimento foi exponencial ...
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• Histórico
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Aeolipile - Heron de Alexandria
• Histórico
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Aeolipile - Heron de Alexandria
• Histórico
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Panela de pressão - Denis Papin
• Histórico
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Elevador a vapor - Denis Papin
• Histórico
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Elevador a vapor - Papin
• Histórico
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Miner’s Friend - Thomas Savery
• Histórico
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Miner’s Friend - Thomas Savery
• Histórico
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Máquina a vapor atmosférica - Newcomen
• Histórico
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Máquina a vapor atmosférica - Newcomen
• Histórico
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Máquina a vapor com condensador - James Watt
• Histórico
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Máquina a vapor com condensador - James Watt
• Histórico
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Máquina a vapor com condensador - James Watt
• Histórico
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Hoje ...
• Histórico
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• HISTÓRICO
• INTRODUÇÃO
• ÁGUA E VAPOR
• TIPOS DE CALDEIRAS
• COMBUSTÍVEIS E COMBUSTÃO
• ANÁLISE DE GASES
• EFICIÊNCIA DA CALDEIRA
• TRATAMENTO DA ÁGUA
• ASPECTOS SOBRE SEGURANÇA
• MEDIDAS DE ECONOMIA
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Segundo o BEN estima-se que 54% da demanda total de energia na indústria, que corresponde à cerca de 20% da demanda total de energia do país, cerca de 35 milhões de toneladas equivalentes de petróleo, esteja associada à produção de vapor.
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• Introdução
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A utilização de calor a temperaturas relativamente baixas é muito freqüente em vários setores industriais e comerciais, como por exemplo na fabricação de alimentos e bebidas, nas indústrias têxtil, química e em praticamente todas agroindústrias.
É através do calor que se desidrata ou que se concentram produtos, é aquecendo reatores que se aceleram reações químicas e se eliminam agentes patogênicos.
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• Introdução
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O uso de vapor como vetor de transporte de energia térmica traz grandes vantagens, que explicam sua grande disseminação. A água é uma substância facilmente disponível, pouco agressiva quimicamente e com grande capacidade de transportar energia.
Além disso, a transferência de calor com mudanças de fase, como via de regra acontece na geração e na utilização de vapor implica em elevadas taxas de transferência de energia por unidade de área, devido particularmente às variações de volume que ocorrem na vaporização e na condensação.
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• Introdução
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Em média, cerca de 15 kg de vapor contém a energia de um kg de óleo combustível ou 3 kg de lenha.
Portanto, o vapor conjuga de forma muito interessante um baixo preço, alta densidade energética e elevada taxa de transferência de energia.
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• Introdução
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• HISTÓRICO
• INTRODUÇÃO
• ÁGUA E VAPOR
• TIPOS DE CALDEIRAS
• COMBUSTÍVEIS E COMBUSTÃO
• ANÁLISE DE GASES
• EFICIÊNCIA DA CALDEIRA
• TRATAMENTO DA ÁGUA
• ASPECTOS SOBRE SEGURANÇA
• MEDIDAS DE ECONOMIA
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• Água e vapor
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• Água e vapor
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• Água e vapor
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• Água e vapor
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• HISTÓRICO
• INTRODUÇÃO
• ÁGUA E VAPOR
• TIPOS DE CALDEIRAS
• COMBUSTÍVEIS E COMBUSTÃO
• ANÁLISE DE GASES
• EFICIÊNCIA DA CALDEIRA
• TRATAMENTO DA ÁGUA
• ASPECTOS SOBRE SEGURANÇA
• MEDIDAS DE ECONOMIA
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www.chestofbooks.com/crafts/popular-mechanics/Things-To-Make
Quick Boiling Kettles
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• Tipos de caldeiras
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Fogotubular Aquatubular
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• Tipos de caldeiras
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a – corpo da caldeira b – câmara de inversãoc – tubo de fogo d – câmara de descargae – câmara anterior f – ciclone g – chapas de choque h – tubo de descarga i – queimador copo rotativo j – ventoinhak – quadro infeiror l – bombas de óleom – pré-aquecedor de óleo n – painel de comandoo – bombas de alimentação p – passarela 31
• Tipos de caldeiras
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a – câmara de combustão
b – superaquecedor
c – feixe de tubos
d – tubos de queda
e – tambor superior
f – tambor inferior
g – acessórios do tubulão
h – economizador
i – pré-aquecedor de ar32
• Tipos de caldeiras
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1 - corpo da caldeira
2 - eletrodo
3 - câmara de vapor
4 - bomba de circulação
5- bomba de alimentação de água
6 - eliminador de água
7 - válvula de segurança
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• Tipos de caldeiras
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1- válvula de descarga de fundo2 - bomba de circulação3 - válvula controle de vazão4 - válvula de segurança5 - haste do condutor6 - isoladores7 - válvula de saída de vapor8 – eletrodos9 - cilindro com injetores10- injetores11- contra eletrodos12- aquecedor de partida13- entrada de água de alimentação
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• Tipos de caldeiras
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• HISTÓRICO
• INTRODUÇÃO
• ÁGUA E VAPOR
• TIPOS DE CALDEIRAS
• COMBUSTÍVEIS E COMBUSTÃO
• ANÁLISE DE GASES
• EFICIÊNCIA DA CALDEIRA
• TRATAMENTO DA ÁGUA
• ASPECTOS SOBRE SEGURANÇA
• MEDIDAS DE ECONOMIA
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Combustíveis são substâncias, naturais ou
artificiais, que ao se combinar quimicamente com outra,
geram uma reação exotérmica rápida, desprendendo
calor e luz.
Inúmeros elementos e compostos químicos
possuem esta propriedade, principalmente quando a
reação é feita entre eles e o oxigênio.
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• Combustíveis e combustão
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Classificação:
Naturais - Lenha, carvão mineral
Artificiais - Coque
Sólidos - Briquetes
Líquidos - Petróleo
Gasosos - Gás natural
Coloidais - Polpa de carvão37
• Combustíveis e combustão
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Equipamentos de queima:
Grelhas fixas Grelhas móveis 38
• Combustíveis e combustão
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Equipamentos de queima:
Maçarico com pulverização a vapor 39
• Combustíveis e combustão
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Equipamentos de queima:
Queimador para gases 40
• Combustíveis e combustão
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Sistemas de tiragem:
Tiragem forçada 41
• Combustíveis e combustão
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Sistemas de tiragem:
Tiragem induzida 42
• Combustíveis e combustão
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Sistemas de tiragem:
Tiragem balanceada 43
• Combustíveis e combustão
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Equações de combustão:
Reação Calor Liberado
(kJ/kg)
Tipo de combustão
C + O2 CO232.600 Completa
2CO + O2 2CO210.100 Incompleta
2C + O2 2CO 9.990 Incompleta
2H2 + O2 2H2O 142.120 Completa
S + O2 SO29.190 Completa
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• Combustíveis e combustão
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Reação estequiométrica com oxigênio:
CxHyOzSk + A (O2)
x CO2 + (y/2) H2O + k SO2
Onde:A = x + y/4 - z/2 + k coeficiente estequiométrico
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• Combustíveis e combustão
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CxHyOzSk + A (O2 + 3,76 N2)
x CO2 + (y/2) H2O + k SO2 + 3,76 (A)N2
Reação estequiométrica com ar atmosférico:
Onde:A = x + y/4 - z/2 + k coeficiente estequiométrico
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• Combustíveis e combustão
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Relações Ar / Combustível estequiométricas:
A76,41
)76,31(A
c
a
z16yx12
A28,137
z16yx12
)28.76,332(A
c
a
Em volume:
Em peso:
Onde:A = x + y/4 - z/2 + k coeficiente estequiométrico
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• Combustíveis e combustão
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CxHyOz Sk + A (O2 + 3,76 N2)
x CO2 + (y/2) H2O + A 3,76 N2 + (-1) A O2
Reação com ar atmosférico em excesso:
Onde:A = x + y/4 - z/2 + k coeficiente estequiométrico
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• Combustíveis e combustão
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• HISTÓRICO
• INTRODUÇÃO
• ÁGUA E VAPOR
• TIPOS DE CALDEIRAS
• COMBUSTÍVEIS E COMBUSTÃO
• ANÁLISE DE GASES
• EFICIÊNCIA DA CALDEIRA
• TRATAMENTO DA ÁGUA
• ASPECTOS SOBRE SEGURANÇA
• MEDIDAS DE ECONOMIA
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Determinação do excesso:
A76,4
)1CO%
100(xA
2
)100O%76,4(A
A100)xA(O%
2
2
Análise de gás carbônico
Análise de oxigênio
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• Análise de gases
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Analisadores portáteis para gases de combustão
• Análise de gases
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Controle do excesso de ar:
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• Análise de gases
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• HISTÓRICO
• INTRODUÇÃO
• ÁGUA E VAPOR
• TIPOS DE CALDEIRAS
• COMBUSTÍVEIS E COMBUSTÃO
• ANÁLISE DE GASES
• EFICIÊNCIA DA CALDEIRA
• TRATAMENTO DA ÁGUA
• ASPECTOS SOBRE SEGURANÇA
• MEDIDAS DE ECONOMIA
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Cálculo da eficiência – Método Direto
f
u
Q
Q
fc
avvMD qm
hhm
.
)(
54
MD
vm
vh
ah
cmfq
Onde:
eficiência térmica pelo método direto
vazão em massa de vapor
entalpia do vapor
entalpia da água de alimentação
vazão em massa de combustível
poder calorífico do combustível
• Análise de gases
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Cálculo da eficiência – Método Indireto
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MI
Kca /pc
fq
eficiência térmica pelo método indireto
outras perdas
excesso de ar
relação ar combustível
vazão em massa de combustível
temperatura dos gases
temperatura de referência
poder calorífico do combustível
f
CHpMI q
TTccaK
).()1(1 fRe
CHT
fReT
Onde:
• Análise de gases
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• HISTÓRICO
• INTRODUÇÃO
• ÁGUA E VAPOR
• TIPOS DE CALDEIRAS
• COMBUSTÍVEIS E COMBUSTÃO
• ANÁLISE DE GASES
• EFICIÊNCIA DA CALDEIRA
• TRATAMENTO DA ÁGUA
• ASPECTOS SOBRE SEGURANÇA
• MEDIDAS DE ECONOMIA
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A água de uma determinada fonte pode ser potável e adequada ao consumo humano, mas provavelmente é imprópria para ser usada em caldeiras.
As águas naturais contem em dissolução sais minerais que vão se acumulando no interior caldeira e nos tubos prejudicando as trocas de calor, diminuindo a eficiência do equipamento e prejudicando a segurança da operação.
• Tratamento da água
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• Tratamento da água
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• HISTÓRICO
• INTRODUÇÃO
• ÁGUA E VAPOR
• TIPOS DE CALDEIRAS
• COMBUSTÍVEIS E COMBUSTÃO
• ANÁLISE DE GASES
• EFICIÊNCIA DA CALDEIRA
• TRATAMENTO DA ÁGUA
• ASPECTOS SOBRE SEGURANÇA
• MEDIDAS DE ECONOMIA
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No início do desenvolvimento das caldeiras os acidentes eram muito comuns, pois os primeiros fabricantes eram os carpinteiros e ferreiros !!
Com a evolução da técnica e a introdução dos códigos e normas esse problema foi reduzido.
No Brasil a NR-13 legisla sobre a segurança da operação, manutenção e inspeção desses equipamentos
• Aspectos sobre segurança
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• Aspectos sobre segurança
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• HISTÓRICO
• INTRODUÇÃO
• ÁGUA E VAPOR
• TIPOS DE CALDEIRAS
• COMBUSTÍVEIS E COMBUSTÃO
• ANÁLISE DE GASES
• EFICIÊNCIA DA CALDEIRA
• TRATAMENTO DA ÁGUA
• ASPECTOS SOBRE SEGURANÇA
• MEDIDAS DE ECONOMIA
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Redução dos vazamentos
Purgadores adequados
Recuperação do condensado
Uso do vapor flash
Uso do vapor direto
Cobertura dos recipientes aquecidos
Manutenção constante
Etc…
• Medidas de economia
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Instalação de pré-ar 2%
Instalação de economizador 5%
Tratamento de água 5%
Limpeza de fuligem 2%
Isolamento externo 3%
Controle do excesso de ar até 15%
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• Medidas de economia
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Façam um bom uso ...
Obrigado !!
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