Dissertação Henrique
(Parte 2 de 4)
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Não é possível falar sobre regulagem de caldeiras, sem mencionar o que é uma caldeira, combustível OC-1A, rendimento de combustão, rendimento global de caldeiras, instrumentos medidores de gases, funcionamento dos queimadores e instalações de vapor.
2.1 CALDEIRAS
No Século I da Era Cristã, Heron um matemático, engenheiro e inventor da
Cidade Estado Alexandria, sob domínio romano utilizou o vapor para gerar movimentos e trabalho. Entre seus vários inventos, ele construiu um tipo de turbina a vapor que chamou Eolípila (Figura 3). Ele encheu uma esfera metálica com água que produzia vapor sob pressão e a esfera girava em torno de um eixo apoiado sobre dois mancais (GIL, 2010).
Figura 3 - Eolípila de Heron. Fonte: Gil (2010)
No início do século 18, Denis Papin, um pesquisador francês, estudou a água fervendo numa panela totalmente fechada, a pressão do vapor acumulado bem como a temperatura da água subia simultaneamente, e o cozimento de alimentos com temperatura e pressão mais alta era mais rápido, assim ele inventou a panela de pressão. Ele percebeu também que quando a panela esfriava, formava-se um vácuo onde antes havia ar, em 1712 foi feito um cilindro com um pistão móvel e uma haste fixa que ele denominou de êmbolo. Ao aquecer o embolo se moveu com a pressão do vapor, e ao esfriar a água observou que o pistão retornava para a posição inicial; observou também que a força gerada era muitas vezes maior que a humana; sem saber ele inventou o princípio de funcionamento da máquina a vapor (USHER, 1993).
Conforme Gil (2010), foi Thomas Savery que inventou a primeira máquina a vapor para fins comerciais com sucesso; ele baseou o seu trabalho no projeto de Edward Somerset, que foi utilizado para bombeamento de água nas minas de carvão, apesar de sua eficiência duvidosa.
Os ingleses James Watt e Thomas Newcomen estudaram o invento de Papin e fizeram funcionar um êmbolo que ia e vinha ao ser aquecido e esfriado ligado a uma bomba d’água para puxar a água das minas de carvão e também usaram na distribuição de água para a cidade. Era água mineral que apenas bastava filtrar. A máquina era lenta devido à inércia de aquecer e esfriar; James Watt inventou então a máquina de condensação externa e também a caldeira para gerar vapor. Tudo isso em baixas pressões, quase atmosféricas. (USHER, 1993).
Gil (2010) foi mais detalhista, descrevendo que o invento de Newcomen fazia com que a água condensasse no interior do cilindro e que, o vácuo produzido movimentasse o êmbolo no sentido contrário, na máquina de Savery esse movimento era gerado devido à pressão atmosférica (Figura 4). Utilizando-se o êmbolo criado por Papin, este movia-se sob ação da pressão do vapor e, assim, criou-se assimetria entre o movimento de entrada do vapor mais rápido e a influência da pressão atmosférica no retorno mais lento.
\ Figura 4 - Máquina de Newcomen.
A norma regulamentadora NR-13 (2013) define: “Caldeiras a vapor são equipamentos destinados a produzir e acumular vapor sob pressão superior à atmosférica, utilizando qualquer fonte de energia, excetuando-se os refervedores e equipamentos similares utilizados em unidades de processo”.
A NR-13 classifica as caldeiras e o fabricante da caldeira segue o critério em seu manual de caldeiras de acordo com as seguintes fontes de aquecimento: a) Caldeiras a combustíveis convencionais; b) Caldeiras elétricas; c) Caldeiras de recuperação; d) Caldeiras nucleares; e) Caldeiras solares.
Em relação ao tipo de fluido de transferência de calor: a) Caldeiras a vapor d’água / Caldeiras para água quente; b) Vaporizadores / Aquecedores para fluido térmico.
Quanto ao trocador de calor: a) Caldeiras flamotubulares ou fogotubulares (Figura 5); b) Caldeiras aquotubulares ou liquidotubulares (Figura 6).
Figura 5 - Caldeira a vapor a vapor d’água estacionária, horizontal fogo tubular.
Figura 6 - Ilustração caldeira aquotubular. Fonte: Ferreira (2008)
Conforme as condições de mobilidade das caldeiras: a) Caldeiras estacionárias; b) Caldeiras móveis, que podem ser, navais, locomóveis ou rodoviárias e de locomotiva (ferroviárias).
Quanto à posição do costado da caldeira: a) Caldeiras horizontais; b) Caldeiras verticais.
Existem técnicas modernas que utilizam, por exemplo, lama de combustível oriundos de bagaço de cana de açúcar que é secado e injetado em caldeiras de vapor superaquecido necessário para acionar turbinas e gerar energia elétrica, conforme Santos et al. (2015).
Conforme Mucciacito (2012), no Brasil existem várias normas e Legislações a serem seguidas em se tratando de caldeiras tais como as NBR-12177 (ABNT, 1999) que trata de procedimentos para inspeções, e a NB-227 (ABNT, 1993), dos códigos para projeto e fabricação de caldeiras estacionárias, a NR-13 que possui similaridades com a NBR-12177, outras entidades como INMETRO, IBP e a ABIQUIM, tem contribuído com pesquisas no tocante a segurança em caldeiras. O Código internacional mais importante para cadeiras e vasos de pressão é a BPVC - Boiler & Pressure Vessel Code (ASME, 2013).
De forma resumida, Botelho & Bifano (2011), mostraram de forma simplificada os principais componentes de um sistema de vapor saturado (Figura 7).
Figura 7 - Sistema resumido de vapor. Fonte: Botelho & Bifano (2011)
A caldeira ATA MP-810, é o modelo de caldeira onde testou-se DMPTOC, tratase de uma caldeira dotada de um controle de múltiplos pontos na regulagem de seu queimador. A dosagem de combustível é realizada por uma válvula de alta precisão de tipo agulha que é atuada por uma alavanca acionada por um came que é um dispositivo que converte um movimento rotativo do disco de comando em movimento linear na alavanca acionadora, através de seus diversos parafusos de ajuste obtémse inúmeras combinações de vazão de ar e vazão de combustível, mantendo a proporção entre eles, não se limitando simplesmente a fogo alto e fogo baixo (Figura 8).
Figura 8 - Caldeira ATA Série MP. Fonte: ATA Combustão (1996)
2.2 VAPOR SATURADO
Powers, (2014), relata que a história do uso do vapor e da termodinâmica é muito longa e seu desenvolvimento não foi sempre assertivo, infelizmente ao longo da história houve erros nas linhas de estudos, discussões polêmicas até nos dias de hoje continuam algumas dúvidas não esclarecidas com o avanço da ciência e tecnologia.
Torreira (2001), “O vapor de água é um elemento transportador de calor.
Consiste em água que, devido à elevação de temperatura, mudou de estado, adquirindo pressões superiores à atmosférica, que favorecem sua movimentação no percurso através de tubulações e equipamentos. Isto é, movimenta-se por sua própria pressão “.
As vantagens da utilização do vapor são as seguintes segundo Torreira (2001); a) Sistema mais conhecido pelos especialistas de instalações industriais; b) Bastante versátil para ampliações das instalações com baixos custos; c) Capaz de transportar grandes quantidades de calor por unidade de peso levando-se em consideração o vapor saturado seco; d) É um elemento exclusivo para o aquecimento de determinadas aplicações industriais, tais como tecelagem, recuperação de solventes; e) Propicia a geração de energia mecânica para gerar energia elétrica em se tratando de vapor superaquecido.
2.3 INSTALAÇÕES E EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS DE VAPOR
De acordo com Rodrigues (2013), o vapor saturado tem diversas finalidades e aplicações industriais diferentes, principalmente nos sistemas onde há troca térmica. É aplicado em equipamentos e processos onde se realiza o aquecimento, cocção de alimentos, esterilização, evaporação, para se conseguir vácuo, na secagem e em diversas outras aplicações de processos industriais onde se usa vapor. Os segmentos onde mais se utiliza vapor saturado são os de produtos alimentícios tais como biscoitos, açúcar, cerveja, carnes, biscoitos, laticínios, soja, sucos, extratos e molhos de tomate, farinhas diversas, indústria farmacêutica, indústria madeireira, metalúrgicas não ferrosas tais como alumínio, cobre, níquel, zinco entre outras, indústria de papel, celulose, papelão, indústrias químicas, petroquímicas e siderurgia e têxtil. A pressão de vapor saturado para uso industrial está na faixa de 7,0 a 25,0 bar com as respectivas temperaturas de saturação 169,6 C e 225,0 C.
Conforme manual técnico da Spirax Sarco (2008), o controle da taxa de oxigênio do ar com o combustível é de extrema importância para se atingir o máximo rendimento possível da caldeira, além do ajuste da taxa de mistura ar em função do óleo, é importante manter outras variáveis sob controle que são; a) Controle da temperatura do óleo, pois isso determina a viscosidade adequada no bico do queimador que proporcionará um tamanho adequado das partículas de óleo que garantirão a área específica ideal para reação química de oxidação (combustão) na fornalha; b) As quantidades de água de condensado que retornam causam grande impacto na quantidade de combustível utilizado bem como outros gastos indiretos, tais como custos com tratamento de água para, por exemplo, baixar a dureza da água; c) O estado do isolamento térmico de todo o sistema inclusive da própria caldeira impacta diretamente no rendimento das instalações, pois pode se evitar perdas desnecessárias de energia que não é consumida no processo; d) Existem diversos outros fatores relacionados ao rendimento global da caldeira, lembrando que uma caldeira desregulada pode aumentar os custos de manutenção e também gerar problemas ambientais devido emissão de particulado, passível de multas; e) Entre os diversos fatores, estão o isolamento térmico da caldeira, a condição de manutenção da caldeira, estado de corrosão ou deposição, eficiência de combustão entre outras.
2.4 MEDIDORES DE GASES
Conforme Carvalho Jr. & Lacava (2003), vários são os princípios e tipos de analisadores de gases. Alguns instrumentos fazem o monitoramento automaticamente e continuamente do CO e CO2 utilizando o chamado analisador tipo infravermelho, que produz radiações com células em duas fontes diferentes e por comparação das emissões determina-se as quantidades das duas substâncias gasosas existentes.
Ainda segundo a Revista Mecatrônica Industrial (2013), existem equipamentos que fazem a medição de forma contínua de gases, “on line” que são constituídos de: a) Sonda (inserida no ponto de amostragem); b) Tubo coletor (ligação sonda-analisador); c) Periféricos eventualmente necessários para secagem, limpeza e resfriamento da amostra; d) Alguns analisadores de gases não necessitam necessariamente estar ao lado da caldeira, apenas uma sonda deve ser inserida dentro da chaminé e uma comunicação pode ser levada para o medidor, que pode ser operado remotamente. No Brasil utilizam-se os analisadores de O2 com sensores de óxido de zircônia ou paramagnéticos.
As variações na composição do combustível podem alterar os valores de leitura do instrumento, mas o erro é desprezível e valem as regras abaixo, conforme a Revista Mecatrônica Industrial (2013), observa-se que:
a) Quanto maior o CO2 , menor será o excesso de ar; b) Quanto menor o CO2 , maior será o excesso de ar; c) Quanto maior o O2 , maior será o excesso de ar; d) Quanto menor o O2 , menor será o excesso de ar.
Os instrumentos medidores de gases de combustão obedecem suas limitações características (Anexo A), e possuem diversos princípios de funcionamento (Anexo C).
Não se pode utilizar apenas as leituras de CO2 , pois induzem a cálculos de excesso de ar errados. A emissão de fumaça da chaminé e a observação do brilho e cor da chama também são indicadores embora não determinísticos para uma ótima combustão conforme a Revista Mecatrônica Industrial (2013).
A Figura 9 ilustra facilmente a medição de excesso de O2 adicional a medição de CO2 , existem dois pontos onde a leitura de CO2 se repete para diferentes valores de O2 do ar, com valores para mais e para menos ar. Portanto outros indicadores como teor de EA (excesso de ar) e temperatura dos gases da chaminé também devem ser levados em consideração.
Figura 9 - Leitura de CO 2.
Fonte: Revista Mecatrônica Industrial (2013)
É possível calcular o CO2 através da Equação 2 da Revista Mecatrônica coଶ =
As razões de leituras de CO2 baixas ocorrem devido a; a) Tiragem excessiva; b) Excesso de ar na queima; c) Entrada de ar falso na fornalha; d) Atomização / mistura imperfeita entre ar / combustível.
Conforme manual do medidor de gases Madur (2006) e Pinheiro & Cerqueira (1995), há uma faixa ideal que fica entre um ligeiro excesso de ar e a taxa de reação estequiométrica (Figura 10), onde no eixo horizontal representa a eficiência de combustão e o eixo vertical representa a percentagem (%) dos gases, que é medido através de um detector de gases com uma sonda na chaminé, a esquerda da faixa “ótima eficiência” fumaça sai escura, este conceito está de acordo com Pera (1990), Kuo (1986) e outros autores clássicos. Pera (1990), sugere uma relação entre os valores teóricos e estequiométricos para óleos combustíveis em queimadores de caldeira com sistema de pulverização mecânica no valor entre 20% e 25%, n=1,20 a 1,25, Equação 3 (PERA, 1990) como ideais, porém; a referência de base de cálculo escolhida foi a de percentagem de CO2 , conforme recomendação do fabricante da caldeira e do fabricante do medidor de gases (Anexo H).
Figura 10 - Taxa de CO2 em relação ao Excesso de Ar.
Fonte: Manual medidores de gases Madur (2006)
2.5 ÓLEOS COMBUSTÍVEIS
Pera (1990), informou que “Combustível é toda substância, natural ou artificial, no estado sólido, liquido ou gasoso, capaz de reagir com o oxigênio do ar, mediante escorvamento, liberando energia calorífica e luminosa”, e o óleo OC-1A é sem dúvidas um dos mais utilizados para caldeiras (CAETANO & JÚNIOR, 2004).
Conforme Gonçalves (2010), os óleos combustíveis que são produzidos a partir do refino do petróleo, têm se tornado cada vez mais importantes para a geração de calor, devido a facilidade de transportes e manuseio, em 2010 existiam mais de 200 distribuidores de óleo combustível em todo Brasil autorizados pela ANP (Agência Nacional de Petróleo), porém; é um mercado que sofre muitas variações. Em 2000 o consumo era de 10.0 mil m3 anuais e durante os dez anos seguintes caiu para quase a metade (50,39%) em função de variações do mercado causadas pela oferta de gás natural na ocasião. O comportamento de consumo é desigual em todo Pais.
Ohijeagbon (2013), informou que são diversos os tipos de combustíveis utilizados em caldeiras, sejam combustíveis sólidos, líquidos e gasosos. Algumas vezes são queimadas combinações de combustíveis para reduzir as emissões ou melhorar o desempenho da caldeira. Os combustíveis mais comuns queimados em caldeiras são do tipo fósseis e de biomassa, bem como outros tipos de combustíveis e combinações de combustível.
De acordo com Apeaning (2012), a queima de óleos combustíveis que são fósseis em equipamentos industriais com caldeiras de vapor saturado e fornos e na geração de energia elétrica com vapor superaquecido, produz grande quantidade de poluentes no ar, tais como o dióxido de enxofre, óxidos de nitrogênio e partículas em suspensão, todos com consequências prejudiciais para a saúde humana e para o ambiente. Ao aplicar a tecnologia apropriada de regulagem na combustão, o consumo de combustível fóssil industrial e os efeitos negativos relacionados pode ser reduzido.
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