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Trabalho de sistemas térmicos 2
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Universidade Federal do Par UFPA Instituto de Tecnologia - ITEC
Faculdade de Engenharia Mecnica - FEM
Ciclos de Potncia Geradores de Vapor
TE 04182 Sistemas Trmicos II: Mquinas e Sistemas a Vapor Aulas 9 e 10
Prof. Eraldo Cruz dos Santos, Dr. Eng.
Prof. Eraldo Cruz dos Santos, Dr. Eng. 04/05/2015 2
TPICOS DA APRESENTAO
CICLO DE POTNCIA: GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS): Classificao das Caldeiras;
Quanto ao tipo de Construo o Caldeiras Aquatubulares; Caractersticas; Vantagens e Desvantagens;
Segurana de Caldeiras; o Caldeiras Eltricas; o Caldeiras de Fluido Trmico;
Quanto tiragem do ar; Quanto Montagem; Quanto Circulao da gua; Quanto a sustentao;
EXEMPLOS DE APLICAO DE GERADORES DE VAPOR; COMPONENTES DOS GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS); REVISO.
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REVISO
Assuntos da Semana Passada
Ciclos de Potncia a Vapor: Caractersticas; Sistemas; Componentes; Esquema Bsico.
Ciclo de Potncia: Geradores de Vapor (Caldeiras): Conceitos e Definies;
Temperatura de saturao; Calor sensvel e calor latente; Capacidade do Gerador de vapor Caldeiras.
Aplicaes das Caldeiras; Princpio de Funcionamento de uma Caldeira; Classificao das Caldeiras;
Exemplos de Aplicao de Ciclos de Potncia; Reviso.
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CICLO DE POTNCIA: GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Classificao das Caldeiras
Caldeira Aquatubular ou Aquotubular:
Neste tipos de caldeiras os gases de combusto
passam por fora de um banco de tubos, onde circula a gua
a ser vaporizada.
As caldeiras aquotubulares podem ser construdas nas seguintes disposies:
Tubos retos; Tubos curvos; Perfil A; Perfil D; Perfil O; Lmina, cortina ou parede dgua.
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CICLO DE POTNCIA: GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Classificao das Caldeiras
Caldeira
Aquatubular ou
Aquotubular:
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CICLO DE POTNCIA: GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Classificao das Caldeiras
Caldeira Aquatubular ou Aquotubular:
As caldeiras aquatubulares tm as seguintes caractersticas:
A gua passa em tubos que cercam a regio de
combusto e de passagem dos gases;
Geralmente operando com grandes capacidades
e altas presses.
Apresenta maior capacidade de produo de
vapor por unidade de rea de troca de calor;
Maior superfcie de aquecimento;
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CICLO DE POTNCIA: GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Classificao das Caldeiras
Caldeira Aquatubular ou Aquotubular:
Menor volume de gua por m de superfcie
de aquecimento;
Tem custo at 50% maior que uma
flamotubular de capacidade equivalente;
Construo mais complexa;
Pode produzir vapor superaquecido.
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CICLO DE POTNCIA: GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Classificao das Caldeiras
Caldeira Aquatubular ou Aquotubular:
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CICLO DE POTNCIA: GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Classificao das Caldeiras
Caldeira Aquatubular ou Aquotubular:
As principais vantagens das caldeiras aquotubulares so:
Trabalha com grandes presses ente 50 a 165
(bar);
Grandes produes de vapor;
Rapidez de arranque ou partida quando cheia;
Fcil adaptao a diferentes tipos de
combustvel.
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CICLO DE POTNCIA: GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Classificao das Caldeiras
Caldeira Aquatubular ou Aquotubular:
As principais desvantagens das caldeiras deste
tipo so:
Grandes dimenses do conjunto;
So equipamentos sensveis s variaes bruscas
de carga;
Grandes exigncias na qualidade da gua de
alimentao devido elevada presso de
funcionamento;
Tem elevado custo de manuteno e operao;
Apresenta grande complexidade de montagem.
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SEGURANA DE CALDEIRAS
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CICLO DE POTNCIA: GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Classificao das Caldeiras
Caldeira Eltrica:
Nestas caldeiras so utilizados dispositivos
eltricos para aquecimento da gua. Elas se dividem em:
Tipo eletrodo submerso: geralmente destinado a
trabalhar com presses de vapor no muito elevadas
(aproximadamente 15 kgf/cm2). So utilizados um
sistema de eletrodos submersos a baixa tenso (220 a
440 V), existe tambm nessa modalidade a alta tenso
(3800 a 13800 V).
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CICLO DE POTNCIA: GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Classificao das Caldeiras
Caldeira Eltrica:
1 - Corpo da Caldeira;
2 Eletrodo;
3 - Cmara de Vapor;
4 - Bomba de Circulao;
5 - Bomba de Alimentao de gua;
6 - Eliminador de gua;
7 - Vlvula de Segurana.
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CICLO DE POTNCIA: GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Classificao das Caldeiras
Caldeira Eltrica:
Tipo jato de gua (cascata): destinada a
presses de vapor elevadas e grandes quantidades
de vapor. Este tipo de caldeira esto disponveis
apenas para alta tenso (3,8 a 13,8 kV).
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CICLO DE POTNCIA: GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Classificao das Caldeiras
Caldeira Eltrica:
1. Vlvula de Descarga de Fundo;
2. Bomba de Circulao;
3. Vlvula Controle de Vazo;
4.Vlvula de Segurana;
5. Haste do Condutor;
6. Isoladores;
7. Vlvula de Sada de vapor;
8. Eletrodo;
9. Cilindro com Injetores;
10. Injetores;
11. Contra eletrodos;
12. Aquecedor de Partida;
13. Entrada de gua de Alimentao.
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CICLO DE POTNCIA: GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Classificao das Caldeiras
Caldeira Eltrica:
Tipo resistncia: destinada, geralmente, a
pequenas produes de vapor. Na maioria das
vezes so do tipo horizontal, utilizando
resistncias de imerso.
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CICLO DE POTNCIA: GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Classificao das Caldeiras
Caldeira Eltrica:
As principais caractersticas das caldeiras
eltricas so:
No necessita de rea para estocagem de
combustvel;
Ausncia total de poluio (no h emisso de gases);
Baixo nvel de rudo;
Modulao da produo de vapor de forma rpida e
precisa;
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CICLO DE POTNCIA: GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Classificao das Caldeiras
Caldeira Eltrica:
Alto rendimento trmico (aproximadamente
98,0%);
Promove a melhora do fator de potncia e fator
de carga;
rea reduzida para instalao da caldeira;
Necessidade de aterramento da caldeira de
forma rigorosa;
Tratamento de gua rigoroso.
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CICLO DE POTNCIA: GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Classificao das Caldeiras
Caldeira de Fluido Trmico:
Nestes tipos de caldeira geralmente no ocorre
vaporizao do fluido trmico, mas apenas aquecimento nos
tubos.
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EXERCCIO DE APLICAO DE CICLOS DE POTNCIA
Exerccio 1: A Figura abaixo mostra uma instalao de
potncia a vapor simples operando em regime
permanente com gua circulando nos componentes.
Dados relevantes em posies chave so fornecidos
na Figura. A vazo mssica da gua de 109 (kg/s).
Efeitos de energia cintica e potencial, juntamente
com a transferncia de calor perdidas para as
vizinhanas, podem ser desprezados. Determine:
(a) a eficincia trmica;
(b) a vazo mssica da gua de resfriamento que
passa pelo condensador, em kg/s.
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EXERCCIO DE APLICAO DE CICLOS DE POTNCIA
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CICLO DE POTNCIA: GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Classificao das Caldeiras
Quanto a Tiragem do ar:
Quanto tiragem de ar as caldeiras podem ser:
Caldeira de tiragem mecnica forada;
Caldeira de tiragem mecnica induzida;
Caldeira de tiragem combinada ou
balanceada;
Caldeira a tiragem natural.
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CICLO DE POTNCIA: GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Classificao das Caldeiras
Quanto a Tiragem do ar:
Quanto tiragem de ar as caldeiras podem ser:
Caldeira de tiragem mecnica forada: o ar de
combusto soprado mecanicamente para a queima
de combusto do queimador, isto , o fluxo dos gases
obtido atravs da instalao de um ventilador na linha
de ar de combusto, forando-o a entrar na cmara de
combusto. A presso na cmara de combusto deste
tipo de equipamento normalmente positiva. Este o
tipo mais comum de caldeira utilizada;
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CICLO DE POTNCIA: GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Classificao das Caldeiras Quanto a Tiragem do ar:
Quanto tiragem de ar as caldeiras podem ser:
Caldeira de tiragem mecnica forada
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CICLO DE POTNCIA: GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Classificao das Caldeiras
Quanto a Tiragem do ar:
Caldeira de tiragem mecnica induzida: os gases de
combusto so aspirados mecanicamente para fora
da cmara e o ar de combusto aspirado pelo vcuo
da cmara de combusto, ou seja, o fluxo dos gases
obtido atravs da instalao de um ventilador na sada
de gases, induzindo, assim, os gases a percorrerem o
gerador de vapor;
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CICLO DE POTNCIA: GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Classificao das Caldeiras
Quanto a Tiragem do ar:
Caldeira de tiragem mecnica induzida:
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CICLO DE POTNCIA: GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Classificao das Caldeiras
Quanto a Tiragem do ar:
Caldeira de tiragem combinada ou balanceada: o
ar de combusto soprado e existe outro
ventilador que aspira aos gases de combusto, isto
, instalam-se dois ventiladores: um de tiragem
forada que vence as perdas de carga at a entrada
da cmara de combusto, e outro de tiragem
induzida que vence o restante das perdas de carga;
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CICLO DE POTNCIA: GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Classificao das Caldeiras
Quanto a Tiragem do ar:
Caldeira de tiragem combinada ou balanceada:
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CICLO DE POTNCIA: GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Classificao das Caldeiras
Quanto a Tiragem do ar:
Caldeira a tiragem natural: os gases de combusto
so aspirados pelo efeito chamin, ou seja, na
tiragem natural o fluxo de gases conseguido
unicamente pela ao da chamin devido diferena
de densidades ao longo da mesma, provocada pela
diferena de temperatura entre os gases de
combusto e o ar que entra.
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CICLO DE POTNCIA: GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Classificao das Caldeiras
Quanto Montagem:
Quanto montagem as caldeiras podem ser:
Caldeiras compactas (pr-montadas): so as que
tm pequena estrutura podendo ser montada em
locais com pouco espao;
Caldeiras montada no campo: que so mquinas que
ocupam grandes espaos impedindo assim a sua
movimentao.
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CICLO DE POTNCIA: GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Classificao das Caldeiras
Quanto montagem
Compactas Montadas no Campo
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CICLO DE POTNCIA: GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Classificao das Caldeiras
Quanto Circulao da gua:
Quanto circulao do ar nas reas internas
de uma caldeira podem ser:
Circulao natural;
Circulao forada;
Combinada.
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CICLO DE POTNCIA: GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Classificao das Caldeiras
Quanto Sustentao:
Quanto sustentao uma caldeira
pode ser:
Autossustentadas;
Suspensas;
Sustentao mista.
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COMPONENTES DOS GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Atualmente os geradores de vapor de grande
porte so constitudos de uma associao de
componentes de maneira a constiturem um aparelho
complexo. o exemplo mais completo que se pode
indicar principalmente quando destinado queima de
combustveis slidos.
A seguir sero listados alguns componentes da
caldeira por queima de combustvel que composta
essencialmente por:
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COMPONENTES DOS GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
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COMPONENTES DOS GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
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COMPONENTES DOS GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Reservatrio de gua: utilizado para armazenar
gua fria ou quente estes so conhecidos por tanques
de alimentao ou condensados.
Reservatrio para o combustvel: este um
equipamento cuja capacidade varia de acordo com as
necessidades do trabalho, e deve possuir um sistema
de aquecimento dependendo do tipo de combustvel
utilizado, como por exemplo: BPF, TIPO E.
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COMPONENTES DOS GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Resfriador
de Amostra
Troca de
Calor
Sada de
gua
Entrada
de gua
Dreno
Tanque de
Lavagem
de Vapor
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COMPONENTES DOS GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Pr-Aquecedor de leo: um equipamento situado
antes da entrada do combustvel no queimador, serve
para aquecer o leo (somente os que necessitam de
aquecimento) fazendo-o atingir uma viscosidade ideal
de escoamento.
Tubulaes: interligam os reservatrios gua s
caldeiras, devem ser projetadas e executadas
adequadamente utilizando materiais apropriados e
normalizados.
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COMPONENTES DOS GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
A) Cinzeiro; B) Fornalha; C) Cmara de combusto; D) Tubos evaporadores; E) Superaquecedor; F) Economizador;
G) Pr-aquecedor de ar; H) Canais de gases; I) Chamin..
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COMPONENTES DOS GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Vlvulas: So dispositivos destinados ao controle
do fluxo de gua para a alimentao da caldeira
So classificadas de acordo com a finalidade
operacional conforme segue:
Vlvulas de Regulagem de vazo;
Vlvulas de Reteno;
Vlvulas de Alvio;
Vlvulas de Derivao.
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COMPONENTES DOS GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Vlvula Regulagem de vazo Vlvula de Controle
Vlvula de Bloqueio Vlvula de Controle e Alvio
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COMPONENTES DOS GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Grelha: o local de deposio do combustvel slido
para queima; para os geradores de vapor que utilizam
combustveis lquidos ou gasosos, substitudo pelo
atomizador.
Cinzeiro: o local onde se depositam cinzas e ou,
eventualmente, restos de combustveis que
atravessam o suporte de queima sem completarem sua
combusto.
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COMPONENTES DOS GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Cinzeiro
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COMPONENTES DOS GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Fornalha: o local onde se inicia o processo de
queima seja de combustvel, slido liquido ou
gasoso:
Fornalhas para queima de combustvel slido;
Fornalha com grelhas basculantes;
Fornalha com grelha rotativa;
Fornalhas para queima de combustvel em
suspenso.
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COMPONENTES DOS GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Fornalha
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COMPONENTES DOS GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Corpo da caldeira de ao: constituindo-se de um
reservatrio dentro do qual a gua alimentada se
transforma em vapor.
Tubos internos (Feixe tubular): normalmente
produzidos em tubos de ao, por onde passam os gases
muito quentes, provenientes da combusto, ou passa
gua que sofre o aquecimento, envolvida pelos gases
que circundam os tubos cheios de gua.
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COMPONENTES DOS GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Feixe Tubular
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COMPONENTES DOS GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Feixe Tubular
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COMPONENTES DOS GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Feixe Tubular
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COMPONENTES DOS GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
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COMPONENTES DOS GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Alimentador de combustvel (manual ou automtico):
construdo por um conjunto de equipamentos destinados
a direcionar o combustvel para o queimador;
Ventilador: utilizado para aumentar a circulao do ar
dentro do queimador;
Queimador de combustvel: os queimadores so peas
destinadas a promover, de forma adequada e eficiente,
a queima dos combustveis em suspenso, ou seja, um
aparelho destinado a atomizar o combustvel,
misturando-o convenientemente com o ar, a fim de
obter uma boa combusto.
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COMPONENTES DOS GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Componentes dos Queimadores
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COMPONENTES DOS GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Queimador Ciclnico
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COMPONENTES DOS GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Queimador de combustvel:
Cmara de combusto: o local onde o
combustvel queimado. Neste local o deve existir
um volume onde se deve consumir todo o
combustvel antes de os produtos de combusto
atingir e penetrar no feixe de tubos ;
Cmara de gua: contm a gua a ser aquecida;
Cmara de vapor: o local situado acima do nvel
de gua que recebe o vapor formado.
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COMPONENTES DOS GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Tubos evaporadores: correspondem ao vaso
fechado e pressurizado com tubos contendo gua no
seu interior, a qual, ao receber calor, transforma-se
em vapor.
Superaquecedor: responsvel pela elevao da
temperatura do vapor saturado gerado na caldeira
produzindo vapor superaquecido.
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COMPONENTES DOS GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Cmara de Combusto
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COMPONENTES DOS GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Economizador: componente onde temperatura da
gua de alimentao sofre elevao, aproveitando o
calor sensvel residual dos gases da combusto
direcionados chamin, ou seja, este um
equipamento que aproveita o calor residual dos
gases de combusto para aumentar a temperatura
da gua de alimentao.
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COMPONENTES DOS GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Esquema do Economizador
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COMPONENTES DOS GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Pr-aquecedor de ar: o componente cuja funo
aquecer o ar de combusto para introduzi-lo na fornalha,
aproveitando o calor sensvel dos gases da combusto.
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COMPONENTES DOS GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Canais de gases: so trechos ou finais de circulao
dos gases de combusto at a chamin. Podem ser de
alvenaria ou de chapas de ao, conforme a
temperatura dos gases que neles circulam.
Tubulao de sada de vapor ou Tubulo de vapor:
o vapor produzido dentro da caldeira deve ser enviado
aos pontos de utilizao. Isso feito por uma
tubulao que se inicia na caldeira e vai at os pontos
de interesse.
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COMPONENTES DOS GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Tubulao de sada de gases queimados: depois de
aquecer a gua da caldeira, os gases queimados saem
desta, sendo dispostos na atmosfera.
Balo de vapor de dgua ou Tubulo de gua: o
dispositivo que coleta e conduz o vapor produzido na
caldeira. um tambor horizontal localizado na parte
inferior da caldeira, normalmente com dimenses
menores do que o tubulo de vapor, ficando sempre
cheio dgua.
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COMPONENTES DOS GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
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COMPONENTES DOS GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
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COMPONENTES DOS GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Isolamento e refratrios: Isolam a cmara de
combusto dos elementos estruturais, irradiando o
calor no absorvido pelos tubos de volta para dentro
da cmara, o que evita perdas de calor para o exterior
e protege a carcaa metlica.
Estrutura e carcaa metlica: A estrutura e a
carcaa de chapas metlicas, que envolvem a caldeira,
sustentam o isolamento e os refratrios, alm de
todos os internos, garantindo a estanqueidade.
Formam tambm chicanas para direcionamento do
fluxo de gases de combusto. As chicanas podem ser
apenas paredes de refratrios.
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COMPONENTES DOS GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Chamin: que realiza a descarga dos vapores para a
atmosfera, ou seja, a parte que garante a
expulso dos gases de combusto com velocidade e
altura determinadas para o ambiente e,
indiretamente promove a boa circulao dos gases
quentes da combusto, atravs de todo o sistema
pelo chamado efeito de tiragem.
Vlvulas de descarga (extrao) de fundo: para
esvaziamento, tirar resduos e dispor o lodo criado
pelo tratamento de gua;
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COMPONENTES DOS GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Prof. Eraldo Cruz dos Santos, Dr. Eng. 04/05/2015 68
COMPONENTES DOS GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Vlvulas de segurana: um dispositivo utilizado
contra excesso de presso: atuam no caso de a
presso do vapor na caldeira se elevar mais do que
o desejado;
Dispositivos ou instrumentao de controle:
controlam a entrada de gases combustveis, a
ligao do acendedor da queima dos gases e o
acionamento do motor da bomba de gua que
alimenta a caldeira;
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COMPONENTES DOS GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Sistemas auxiliares de manuseio de combustvel:
dependendo do tipo de combustvel utilizado este
sistema pode ser composto por picadores, esteiras,
filtros, grelhas, etc., destinados a preparao do
combustvel a ser utilizado pelos queimadores da
caldeira;
Dreno: o dispositivo utilizado para retirada de
condensados e produtos da combusto.
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COMPONENTES DOS GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
Prof. Eraldo Cruz dos Santos, Dr. Eng. 04/05/2015 71
EXEMPLOS DE APLICAO DO CICLO DE CARNOT
Exerccio 2: Em uma mquina cclica o vapor saturado se forma
presso de 10 (kgf/cm2) e se condensa a 0,1 (kgf/cm2).
Considerando uma vazo mssica de 10000 (kg/h) e que o
ttulo da irreversibilidade de 0,9 e na sada do condensador
de 19,8 (%). Determinar:
a) Se a mquina reversvel;
b) Em que parte do ciclo se processa a irreversibilidade e
c) Qual a quantidade de calor perdida em virtude da
irreversibilidade.
Prof. Eraldo Cruz dos Santos, Dr. Eng. 04/05/2015 72
REVISO
Assuntos da Semana Ciclo de Potncia: Geradores de Vapor (Caldeiras): Classificao das Caldeiras;
Quanto ao tipo de Construo o Caldeiras Aquatubulares; Caractersticas; Vantagens e Desvantagens;
Segurana de Caldeiras; o Caldeiras Eltricas; o Caldeiras de Fluido Trmico;
Quanto tiragem do ar; Quanto Montagem; Quanto Circulao da gua; Quanto a sustentao;
Exemplos de Aplicao de Geradores de Vapor; Componentes dos geradores de vapor (Caldeiras); Reviso.
Prof. Eraldo Cruz dos Santos, Dr. Eng. 04/05/2015 73
AGRADECIMENTO
MUITO OBRIGADO!