Caldeiras e fornos - gestão de energia

Gestão de energia
Mestrado em Engenharia e Gestão Industrial e mestrado integrado
Mestrado em Engenharia e Gestão Industrial e mestrado integrado
em Engenharia do Ambiente
Ano lectivo 2008/2009
José Manuel Baranda Ribeiro
Adélio Manuel Rodrigues Gaspar

Equipamentos energéticos: caldeiras e fornos
As caldeiras e os dispositivos térmicos que utilizam
combustão são os principais consumidores energéticos
mundiais
2/3 dos combustíveis fosseis são usados em sistemas térmicos
com combustão (cerca de 65% da electricidade é produzida
a partir de sistemas térmicos com combustão)
Gestão de Energia - Ano lectivo 2008/2009
Equipamentos energéticos
- 2 -
Justifica-se portanto que se analise como é que a energia é
consumida, como é que a energia é desperdiçada, e que
oportunidades de redução de consumo e de custos de
operação se colocam neste tipo de sistemas.

O objectivo de uma caldeira ou de uma câmara de
combustão é o de aproveitar a energia química que se
liberta da reacção do combustível com o ar
aumento da temperatura de um produto por exigências de
um processo produtivo,
- 3 -
geração vapor
produção de energia eléctrica numa turbina
aquecimento de uma nave industrial ou um edifício de escritórios.
Consumo de energia = dt
1
carga
∫ 







×
η

Custos com a energia =
Reduções dos custos operacionais com caldeiras
( )dt
l
combustíve
do
custo
1
carga
∫ 




 ×
η
- 4 -
Redução da carga (energia térmica exigida)
Aumento da eficiência da caldeira
Redução do custos do combustível

Balanços EM às caldeiras
IN
Combustível; ar; condensados que retornam à caldeira, àgua de
compensação...
OUT
Vapor consumido, purgas de agua quente, gas de combustão,
cinzas, perdas por convecção e radiação....
- 5 -
cinzas, perdas por convecção e radiação....
Esta análise é absolutamente essencial para se contabilizar
as perdas por convecção/radiação e por purgas (entre
outras)

Eficiência das caldeiras
Método directo (input-output)
- 6 -
Método directo (input-output)
Contabilização dos fluxos energéticos de entrada e de saída
• Simples e fácil de avaliar
• Não fornece pistas sobre as principais perdas e logo sobre as
oportunidades de racionalização energética

Método Indirecto (das perdas)
Contabilização das perdas
( ) ∑
−
= Perdas
100
%
η
- 7 -
• Calor sensível dos gases de combustão secos
• Entalpia do vapor de água nos gases de combustão
• Perdas associadas ao combustível nas cinzas volantes
• Perdas associadas ao combustível nas cinzas de fundo
• Perdas associadas a inqueimados nos gases de combustão
• Perdas por radiação e convecção
• Perdas por purga (só para caldeiras de vapor)

Calor sensível dos gases de combustão secos
- 8 -
• m = massa de gases de combustão secos
• Cp = calor específico dos gases de combustão
• GCV = PCS

Entalpia do vapor de água nos gases de combustão
( ) ( )
( )
T
T
C
H
m a
f
P
O
H Vapor
−
+
×
+ 6
.
2444
9 2
2
- 9 -
• mH2O = massa de água no combustível e no ar de alimentação
• H2 = % mássica de H2 no combustível
• CPvapor = Capacidade calorífica do vapor de água sobreaquecido
(1.884 kJ(kgºC)
( ) ( )
( )
PCS
T
T
C
H
m a
f
P
O
H Vapor
−
+
×
+ 6
.
2444
9 2
2

Perdas associadas ao combustível nas cinzas de fundo (ver MGE)
Perdas associadas a inqueimados nos gases de combustão (ver MGE)
Perdas por radiação e convecção (ver MGE)
- 10 -
Perdas por radiação e convecção (ver MGE)
Perdas por purga (só para caldeiras de vapor) (ver MGE)

Eficiência da combustão, excesso de ar e perdas pela
chaminé
A diminuição das perdas por não queimados (uma das principais causas
da alta ineficiência das caldeiras) obriga à utilização de um excesso de ar
- 11 -
A utilização de quantidades
elevadas de excesso de ar
aumentam as perdas pela
chaminé

chaminé
Balanços de energia e massa
- 12 -

chaminé
- 13 -

- 14 -

- 15 -

- 16 -

- 17 -

- 18 -

- 19 -

- 20 -

Oportunidades Racionalização do Consumo: economizadores
- 21 -

Oportunidades Racionalização do Consumo: Diminuir as perdas pela
chaminé mantendo as sup. de transmissão de calor limpas.
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Oportunidades Racionalização do Consumo: Diminuir as perdas pela
chaminé mantendo as sup. de transmissão de calor limpas.
- 23 -

Oportunidades Racionalização do Consumo: Purgas (blowdown)
- 24 -

Oportunidades Racionalização do Consumo: Purgas (blowdown)
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Perdas por radiação e convecção
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Aumentar a eficiência mantendo as caldeiras a trabalhar próximo da
carga máxima
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Aumentar a eficiência mantendo as caldeiras a trabalhar próximo da
carga máxima
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