Metodologia simplificada de cálculo do rendimento térmico de caldeiras

Define-se rendimento térmico de uma caldeira como sendo a fração da potência liberada na câmara de combustão que é transferida ao fluido de trabalho. Não havendo metodologia normalizada no Brasil para o cálculo do rendimento de caldeiras, costuma-se utilizar normas de outros países. A metodologia de cálculo desenvolvida pelo Laboratório de Engenharia Térmica (LET) do IPT é baseada nas normas dos Estados Unidos (ASME) e Alemanha (DIN), e vem sendo utilizada em trabalhos realizados para a indústria envolvendo o uso eficiente de combustível.

caldeira2Renato Vergnhanini Filho

As caldeiras são equipamentos comumente encontrados na indústria para a geração de vapor, seja para aquecimento, seja para a geração de energia elétrica. No caso mais comum, a caldeira é um trocador de calor onde há a transferência de calor dos gases quentes – produzidos pela queima de um combustível – para a água. A água, ao receber calor, aquece-se e vaporiza-se, daí o nome “caldeira de vapor”, caldeira3

Na operação das caldeiras, por questões financeiras, ambientais ou estratégicas, é cada vez mais importante a preocupação com a eficiência energética, sendo o cálculo do seu rendimento térmico a forma de avaliação comumente utilizada. De maneira simplista, define-se rendimento térmico, ou eficiência térmica, de uma caldeira como sendo a fração da potência liberada na câmara de combustão que é transferida ao fluido de trabalho (água – vapor).

Não há metodologia normalizada no Brasil para o cálculo do rendimento de caldeiras. Costuma-se utilizar normas de outros países, geralmente dos Estados Unidos (American Society of Mechanical Engineers, 1999) ou da Alemanha (Deutsches Institut für Normung E.V., 1996), que serão designadas neste texto simplesmente por “norma ASME” e “norma DIN”, respectivamente.

Dentro desse contexto, o LET desenvolveu metodologia simplificada para o cálculo do rendimento térmico de caldeiras baseada nas normas ASME e DIN. A metodologia desenvolvida foi publicada em um manual elaborado para a Comgás sobre o uso racional do gás natural na indústria que, por sua vez, foi apresentado pelo LET num importante evento promovido pela Associação Brasileira de Engenharia Química (ABEQ), (VERGNHANINI FILHO; SILVA, 2012).

Na Figura 2, apresenta-se esquema simplificado dos principais fluxos de água, vapor, ar, combustível, gases de combustão, água de purga e cinzas de uma caldeira típica, dotada de pré-aquecedores de ar e água (“economizador”), e com sistema em via seca de retirada de cinzas (material particulado orgânico proveniente da queima incompleta do combustível somado ao inorgânico presente no combustível) dos gases de combustão.

caldeira4

O balanço energético na caldeira (na verdade, no VC definido anteriormente) operando em regime permanente (regime de operação em que não há alteração significativa das variáveis de processo ao longo do tempo) pode ser escrito de forma simplificada como: Ef = Eu + P (1), onde: Ef = potência fornecida à caldeira em kJ/h; Eu = potência útil absorvida pela água em kJ/h; P = potência não aproveitada em kJ/h.

O rendimento pode ser determinado através do denominado “método direto”, ou “método da entrada e saída”, pela expressão: ηMD = Eu / Ef (2), onde: ηMD (adim.) = rendimento térmico pelo método direto.

O rendimento pode, também, ser determinado pelo denominado “método indireto”, ou “método das perdas”, através da Equação 3 ou da Equação 4, obtidas da substituição da Equação 1 na Equação 2.

ηMI = 1 – (P / Ef ) (3) e ηMI = Eu / (Eu + P ) (4), onde: ηMI (adim.) = rendimento térmico pelo método indireto.

No cálculo do rendimento da caldeira pelo método direto, ou pelo indireto, é necessário que seja definido qual poder calorífico do combustível (PC) será utilizado, o superior (PCS) ou o inferior (PCI). Para uma mesma situação, os valores de rendimento calculados com base no PCI e no PCS são diferentes.

No método proposto pela norma ASME, é utilizado o PCS, enquanto o PCI é empregado na metodologia apresentada pela norma DIN. Nos cálculos de rendimento mostrados adiante, será utilizado o PCI. Portanto, nas equações apresentadas nos itens seguintes, deve-se entender que ηMD ou ηMI são calculados com base no PCI.

Tendo-se calculado o rendimento base PCI, pode-se obter o rendimento base PCS, multiplicando-se o valor encontrado pelo PCI e dividindo-se pelo PCS. A principal potência fornecida ao processo é a energia química do combustível; as demais são as entalpias associadas aos fluxos de combustível e de ar de combustão. A potência fornecida é calculada pela equação: Ef = mc * PCIc + mc * Cpc * (Tc – TREF. ) + mAR * CpAR * (TAR – TREF. ) (5), onde: mc = vazão mássica do combustível em kg/h; PCIc = poder calorífico inferior do combustível em kJ/kg; TREF. = temperatura de referência em ºC; as normas ASME e DIN adotam o valor de 25 ºC; Tc = temperatura de entrada do combustível na caldeira em ºC; Cpc = calor específico médio do combustível entre a temperatura de entrada na caldeira e a de referência, à pressão constante em kJ/(kg ºC); mAR = vazão mássica do ar de combustão em kg/h; TAR = temperatura do ar de combustão na entrada do volume de controle em ºC; CpAR = calor específico médio do ar entre a temperatura de entrada na caldeira e a de referência, à pressão constante em kJ/(kg ºC).

A potência útil é a potência transferida à água e é calculada pela equação: Eu = mV * hV – mH2O * hH2O (6), onde: mV = vazão mássica de vapor gerado em kg/h; num cálculo menos rigoroso, pode-se substituir esse termo por “mH2O (kg/h)”; hV = entalpia específica do vapor gerado em kJ/kg; mH2O = vazão mássica de água fornecida à caldeira em kg/h; hH2O = entalpia específica da água de alimentação da caldeira em kJ/kg.

A potência não aproveitada corresponde à somatória de uma série de perdas que ocorrem no processo e é calculada pela expressão: P = Pgases + PCO + PMPO + Ppurgas + Pcinzas + Pambiente (7). onde: Pgases = potência perdida associada aos gases de combustão em kJ/h; PCO = potência não aproveitada associada à presença de CO nos gases de combustão em kJ/h; PMPO = potência não aproveitada associada à presença de carbono nos sólidos presentes nos gases de combustão em kJ/h; Ppurgas = potência perdida por purgas em kJ/h; Pcinzas = potência perdida associada à retirada de cinzas do processo em kJ/h; Pambiente = potência perdida para o ambiente em kJ/h.

Potência não aproveitada associada aos gases de combustão (Pgases)

A perda de potência pelos gases efluentes é calculada pela expressão: Pgases = mgases * Cpgases * (Tgases – TREF. ) (8), onde: mgases = vazão mássica de gases de combustão em kg/h; Tgases = temperatura dos gases de combustão em ºC; Cpgases = calor específico médio dos gases de combustão entre a temperatura de saída do volume de controle e a de referência, à pressão constante em kJ/(kg ºC).

Quanto à potência não aproveitada devido à presença de CO nos gases de combustão (PCO), a perda de potência devido ao fato de parte do carbono do combustível ter sido convertida a CO, e não a CO2, é calculada pela expressão: PCO = Vgases * fCO * PCICO (9), onde: Vgases = vazão volumétrica de gases de combustão (volume nas CNTP – 0 °C e 101,3 kPa) em m3/h; fCO = fração volumétrica de CO dos gases de combustão; PCICO = poder calorífico inferior do CO (volume nas CNTP – 0 °C e 101,3 kPa) em kJ/m³.

Já a potência não aproveitada devido à presença de carbono nos gases de combustão (PMPO), a perda de potência devido ao fato de parte do carbono do combustível não ter sido oxidada, nem a CO e nem a CO2, e que deixa o processo via gases de combustão é calculada pela expressão: PMPO = Vgases * CMP * fCMP * PCIC (10), onde: CMP = concentração de sólidos dos gases (volume nas CNTP – 0 °C e 101,3 kPa) em kg/m³; fCMP = fração mássica de carbono dos sólidos dos gases; PCIC = poder calorífico inferior do carbono em kJ/kg.

No caso da potência não aproveitada devido às purgas da caldeira (Ppurgas), a perda de potência devido ao fato de parte da água não deixar a caldeira na forma de vapor é calculada pela expressão: Ppurgas = mp * CpH2O * (Tl – TH2O ) (11), onde: mp = vazão mássica média de água purgada da caldeira (purgas contínuas) ou vazão média fictícia de água purgada (para purgas descontínuas) em kg/h; CpH2O = calor específico médio da água entre a temperatura de entrada na caldeira e a de saturação, à pressão constante em kJ/(kg ºC); Tl = temperatura de saturação da água na pressão da caldeira em ºC; TH2O = temperatura da água na entrada da caldeira em ºC.

Quanto à potência não aproveitada devido à retirada de cinzas do processo (Pcinzas), há perda de potência na retirada de cinzas pelo sistema de limpeza de gases porque o material deixa o volume de controle numa temperatura acima da ambiente e porque esse material possui carbono não oxidado do combustível. Essa perda é calculada pela expressão: Pcinzas = mcinzas * Cpcinzas * (Tcinzas – TREF. ) + mcinzas * fCcinzas * PCIC (12), onde: Pcinzas = potência perdida associada à retirada de cinzas do processo em kJ/h; mcinzas = vazão mássica das cinzas em kg/h; Tcinzas = temperatura das cinzas em ºC; Cpcinzas = calor específico médio das cinzas entre a temperatura de saída do volume de controle e a de referência, à pressão constante em kJ/(kg ºC); fCcinzas = fração mássica de carbono das cinzas.

Para a potência não aproveitada associada às trocas de calor entre a superfície externa da caldeira e o ar ambiente (Pambiente), essa perda decorre do fato da temperatura da superfície externa da caldeira ser superior à do ar ambiente, o que produz uma transferência de calor da caldeira para o meio. Tal calor rejeitado para o meio não é aproveitado sendo, portanto, uma perda de energia.

O cálculo dessa perda é difícil, sendo necessário o conhecimento das áreas, temperaturas e emissividades das superfícies externas dos elementos internos ao volume de controle, além da temperatura e velocidade do ar ambiente ao redor desses elementos. A norma ASME fornece um roteiro completo para o cálculo.

Alternativamente, essa perda pode ser estimada através de expressões empíricas. A norma DIN apresenta a seguinte expressão: Pambiente = C * (Eu)0,7 (13), onde: Pambiente = potência perdida para o ambiente em kJ/h; C (adimensional) = coeficiente de valor igual a 0,0113 para caldeiras convencionais operando com óleo combustível ou gás natural, de valor 0,0220 para carvão mineral tipo antracito e de valor 0,0315 para carvão tipo linhito; o valor é igual a 0,0315 para caldeiras de leito fluidizado.

Nos trabalhos de campo realizados pelo LET, a metodologia de cálculo desenvolvida tem levado a valores consistentes de rendimento térmico de caldeiras operando com diferentes combustíveis. A aplicação do método para caldeiras a carvão mineral, em particular, foi realizada uma única vez e envolveu dois equipamentos da empresa Braskem, unidade de Triunfo-RS.

O trabalho realizado teve início com o acompanhamento durante 15 dias das principais variáveis operacionais das caldeiras, utilizando-se instrumentação do LET e cativa dos equipamentos. Foram coletadas amostras de combustível e de cinzas para análises químicas e físicas nos laboratórios do IPT.

Os resultados obtidos no levantamento foram utilizados no cálculo do rendimento das caldeiras pelos dois métodos, chegando-se a valores bastante consistentes. Foi, então, configurado um programa que, anexado ao sistema supervisor das caldeiras, permitiu que os valores obtidos fossem disponibilizados em tempo real à equipe de operação, possibilitando ajustes e consequente redução no consumo de combustível.

Os bons resultados alcançados no desenvolvimento desse trabalho permitiram a sua apresentação em dois eventos nacionais: um da área de engenharia química (VERGNHANINI FILHO; BUENO; RORATO, 2010) e outro específico sobre produção, conversão e aplicações do carvão mineral (VERGNHANINI FILHO, 2017). A aplicação do método para caldeiras a gás natural foi realizada em cerca de 40 equipamentos instalados em empresas clientes da Comgás situadas nas Regiões Metropolitanas de São Paulo (RMSP) e de Campinas (RMC).

Os dados necessários para os cálculos foram levantados experimentalmente utilizando o laboratório móvel do LET (Figura 3). O monitoramento das caldeiras mostrou que aproximadamente metade delas, as que possuem economizador ou, menos comum, pré-aquecedor de ar instalado, o rendimento térmico é satisfatório, entre 91 % e 95 %, base PCI, sendo as de maior rendimento aquelas que operam com excesso de ar reduzido, ou seja, teor de O2 dos gases próximo de 1,5 %.

Nas demais caldeiras, o rendimento se situou entre 84 % e 91 %. Nas indústrias, que tiveram suas caldeiras monitoradas, foi realizado seminário com o objetivo de apresentar e debater os resultados obtidos, e as técnicas possíveis de serem aplicadas para reduzir o consumo de combustível dos equipamentos. Foram apontadas desde estratégias de custo zero e aplicação imediata, como modificações nos procedimentos operacionais do equipamento até medidas de médio prazo, envolvendo troca e aquisição de equipamentos e instrumentos.

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A difusão da metodologia de cálculo desenvolvida tem sido feita nos trabalhos realizados para a indústria, mas também por meio da participação do LET em eventos e da apresentação do tema “Balanços de massa e energia em processos industriais de combustão” no curso “Combustão Industrial”, que vem sendo ministrado regularmente pelo Laboratório desde 1986 nas modalidades aberta e in-company.

Referências

AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS. ASME PTC 4-1998: Fired steam generators. New York, 1999. (revision of ASME PTC 4.1 – 1964).

DEUTSCHES INSTITUT FÜR NORMUNG E.V. DIN 1994-02: Acceptance testing of steam generators. Berlin, 1996 (updated version of the DIN 1942).

PORTAL SÃO FRANCISCO. Colégio São Francisco. Motor a vapor – caldeira. Disponível em: <http://www.portalsaofrancisco.com.br/mecanica/motor-a-vapor>. Acesso em: 05 jan. 2018.

VERGNHANINI FILHO, R. Metodologia de cálculo do rendimento térmico de caldeiras operando com carvão. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE CARVÃO MINERAL, 5., 2017, Criciúma. Anais… Criciúma: Associação Beneficente da Indústria Carbonífera de Santa Catarina (SATC) e Rede Carvão, 2017.

VERGNHANINI FILHO, R.; BUENO, P. R. B.; RORATO, M. A. Metodologia de cálculo e de acompanhamento on-line do rendimento térmico de caldeiras multicombustível. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA QUÍMICA, 18, 2010, Foz do Iguaçu. Anais… São Paulo: ABEQ, 2010.

VERGNHANINI FILHO, R.; SILVA, J. R. N. M. Manual sobre o uso racional do gás natural em equipamentos de combustão. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA QUÍMICA, 19., 2012, Búzios. Anais…São Paulo: ABEQ, 2012.

Renato Vergnhanini Filho é funcionário do Laboratório de Engenharia Térmica, Centro de Tecnologia Mecânica, Naval e Elétrica do Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT) – vergnhan@ipt.br

Fonte: Revista IPT/Tecnologia e Inovação v.2, n.7, abr., 2018

Norma Regulamentadora nº 13 (NR 13)

O desenvolvimento industrial levou ao aumento da capacidade das unidades produtivas e a processos cada vez mais complexos. Em decorrência disso e da gravidade dos acidentes que possam ocorrer nas indústrias está sendo necessário adaptar os processos para um modelo em que o risco de acidentes seja gradativamente eliminado ou minimizado.

No caso das caldeiras, o seu sistema de segurança tem como finalidade proteger o equipamento de possíveis falhas operacionais ou de seu sistema de controle. Frequentemente, os acidentes com caldeiras causam danos enormes, geram vítimas fatais e levam a interrupção da produção por longos períodos.

Um sistema de segurança deverá proteger o equipamento contra os seguintes perigos: sobrepressão que pode ocasionar explosões no lado da água ou do vapor; superaquecimento de partes metálicas com risco de explosão principalmente devido ao baixo de nível de água no tubulão ou devido à baixa circulação; formação de mistura explosiva e explosão da fornalha ou implosão da fornalha devido ao desbalanceamento de sopradores de tiragem forçada e induzida em caldeiras queimando óleo, carvão e licor negro.

Já o vaso de pressão é utilizado para identificar todos os recipientes estanques, de qualquer tipo, formato ou finalidade, capazes de conter um fluído pressurizado. A classe dos vasos de pressão é bastante ampla envolvendo: torres de destilação, trocadores de calor, condensadores, reatores, separadores e outros. O sistema de segurança deverá proteger o equipamento contra: sobrepressão, vácuo, temperaturas altas, temperaturas baixas, nível alto e nível baixo.

A Norma Regulamentadora 13 (NR 13), cujo título é Caldeiras e Vasos de Pressão, estabelece todos os requisitos técnicos e legais relativos à instalação, operação e manutenção de caldeiras e vasos de pressão, de modo a se prevenir a ocorrência de acidentes do trabalho. Tem a sua existência jurídica assegurada, em nível de legislação ordinária, nos artigos 187 e 188 da Consolidação das Leis do Trabalho (CLT). 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.

Não deverão ser entendidos como caldeiras para fins de aplicação da NR 13: trocadores de calor do tipo Reboiler, Kettle, Refervedores, TLE, cujos projetos de construção sejam governados por critérios referentes a vasos de pressão; equipamentos com serpentinas sujeitas à chama direta ou a gases aquecidos e que geram, porém não acumulam, vapor, tais como: fornos, geradores de circulação forçada e outros; serpentinas de fornos ou de vasos de pressão que aproveitam o calor residual para gerar ou superaquecer vapor; caldeiras que utilizam fluído térmico e não o vaporizam.

O profissional habilitado para fins de aplicação da NR 13 é aquele que tem competência legal para o exercício da profissão de engenheiro nas atividades referentes a projeto de construção, acompanhamento de operação e manutenção, inspeção e supervisão de inspeção de caldeiras e vasos de pressão, em conformidade com a regulamentação profissional vigente no país. A Pressão Máxima de Trabalho Permitida (PMTP) ou Pressão Máxima de Trabalho Admissível (PMTA) é o maior valor de pressão compatível com o código de projeto, a resistência dos materiais utilizados, as dimensões do equipamento e seus parâmetros operacionais. De acordo com o código da Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos (American Society of Mechanical Engineers), é a pressão correspondente às condições normais mais severas de pressão e temperatura coincidentes que possam ser previstas em serviço normal. Já o Código A. D. Merkblatt estabelece que é a pressão nominal do equipamento, sendo considerada igual à pressão máxima de operação.

Para efeito de enquadramento, utiliza-se a pressão de projeto somente quando não são informadas as pressões e temperaturas máximas de operação, tendo como objetivo uma categorização mais segura. Constitui risco grave e iminente a falta de qualquer um dos seguintes itens: válvula de segurança com pressão de abertura ajustada em valor igual ou inferior à PMTA; instrumento que indique a pressão do vapor acumulado; injetor ou outro meio de alimentação de água, independente do sistema principal, em caldeiras a combustível sólido; sistema de drenagem rápida de água, em caldeiras de recuperação de álcalis; sistema de indicação para controle do nível de água ou outro sistema que evite o superaquecimento por alimentação deficiente.

Toda caldeira deve possuir, no estabelecimento onde estiver instalada, a seguinte documentação, devidamente atualizada: prontuário da caldeira, contendo as seguintes informações: 1. código de projeto e ano de edição; 2. especificação dos materiais; 3. procedimentos utilizados na fabricação, montagem, inspeção final e determinação da PMTA; 4. conjunto de desenhos e demais dados necessários para o monitoramento da vida útil da caldeira; 5. características funcionais; 6. dados dos dispositivos de segurança; 7. ano de fabricação; e 8. categoria da caldeira; registro de Segurança, em conformidade com o subitem 13.1.7; projeto de instalação, em conformidade com o item 13.2; projetos de Alteração ou Reparo, em conformidade com os subitens 13.4.2; e 13.4.3; e Relatórios de Inspeção.

(Leia mais sobre esses equipamentos na revista digital no link https://revistaadnormas.com.br/2018/07/17/vencendo-os-riscos-das-caldeiras-e-vasos-de-pressao/)



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