Fluído termico

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    18-Jun-2015

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Fludo termico

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<p>1</p> <p>KONUS ICESA S.A.SOLUES TRMICAS E SIDERRGICASINTEGRAO DE UTILIDADES , RECUPERAO DE CALOR E COGERAO EM SISTEMAS DE AQUECIMENTO DE FLUIDO TRMICO</p> <p>Autor: JOAQUIM LUIZ BARROS JR.</p> <p>1</p> <p>INTEGRAO DE UTILIDADES, RECUPERAO DE CALOR E COGERAO EM SISTEMAS DE AQUECIMENTO DE FLUIDO TRMICO.</p> <p>Este trabalho uma reproduo da Monografia apresentada no curso de PsGraduao em Eficincia Energtica do Centro Federal de Educao Tecnolgica RJ, no ano de 2001/2002. O autor deste trabalho, Joaquim Luiz Barros, formado em Engenharia Mecnica e Mestrando em Economia Empresarial Ps-Graduado em Eficincia Energtica e em Engenharia Econmica e possui MBA em Marketing. Diretor Superintendente da KONUS ICESA S/A e atua h mais de 15 anos na rea de Engenharia, Fabricao e Comercializao de Equipamentos e Sistemas Trmicos.</p> <p>2</p> <p>SUMRIO</p> <p>1- Introduo 2- Sistemas de Aquecimento de Fluido Trmico 2.1 Definio 2.2 Principais Componentes 2.3 Fluido Trmico - Definies e Faixas de Operaes 2.4 Principais Aplicaes 2.5 Principais Vantagens em sua Utilizao 2.6 Principais Normas de Projeto e Fabricao 2.7 Evoluo Histrica 2.8 Mercado Brasileiro 3- Sistemas de Gerao de gua Quente ou gua Superaquecida 4- Gerao de Vapor de gua 5- Sistemas Flexveis com Queima de Diversos Combustveis 6- Sistemas Recuperativos 7- Gerao de gua Gelada atravs do Sistema de Absoro 8- Cogerao 9- Concluso 10- Referncias Bibliogrficas</p> <p>3</p> <p>1. INTRODUO</p> <p>De uma maneira geral a utilizao eficiente da energia disponvel em nosso pas , e ser cada vez mais, um desafio para todos, seja na aplicao em processos produtivos ou na nossa vida particular. Todos ns estamos vivenciando uma evoluo tecnolgica que cresce de forma exponencial, gerando portanto, um consumo energtico cada vez maior. Com isto, h a necessidade de uma maior disponibilizao das diversas energias, aumentando tambm os investimentos envolvidos. Esta nova realidade est criando uma conscincia quase generalizada de que devemos utilizar cada vez melhor a energia que consumimos, seja por motivos econmicos ou seja por motivos ambientais. Isto posto, este trabalho se prope a apresentar, de forma objetiva e clara, as opes e as vantagens de se integrar atravs de centrais eficientes as diversas utilidades (gua quente e/ou superaquecida, vapor, ar quente e gua gelada) necessrias aos mais variados processos produtivos, utilizando-se para tanto o sistema de aquecimento de fluido trmico. A tecnologia de utilizao de sistemas de aquecimento de fluido trmico, conforme verificaremos no decorrer deste trabalho, utilizada h mais de setenta anos na Europa e h mais de trinta anos no Brasil. Sendo, que em nosso territrio, existem centenas de instalaes em operao nas mais diversas aplicaes porm, em quase nenhum caso operando de forma integrada ao processo produtivo como um todo. Apresentando sempre tecnologias e equipamentos disponveis no mercado nacional, o objetivo deste estudo disponibilizar os subsdios bsicos necessrios para que engenheiros e empresrios possam cada vez mais, utilizar as fontes energticas disponveis para gerar e distribuir as utilidades inerentes aos seus processos de produo, de maneira eficiente e flexvel.</p> <p>4</p> <p>Esta monografia pretende ento ser uma fonte de consulta e com isto, auxiliar na utilizao racional, tecnicamente correta e eficiente da energia trmica nos m variados processos ais produtivos, diminuindo custos, flexibilizando e melhorando a confiabilidade dos sistemas de produo, nos mais variados segmentos da indstria nacional, tais como: Qumica, Txtil, Alimentcia, Metalrgica, Eletro-eletrnicas, etc.</p> <p>5</p> <p>2. SISTEMAS DE AQUECIMENTO DE FLUIDO TRMICO</p> <p>2.1.</p> <p>Definio</p> <p>O sistema de aquecimento de fluido trmico utilizado nos mais diversos processos produtivos, em que necessita-se de um aquecimento indireto. Trata-se de um circuito fechado, onde um fluido especfico recebe energia trmica no Aquecedor, elevando com isto sua temperatura, transporta esta energia trmica atravs de sua circulao em uma tubulao at o ponto de consumo , trocando este calor absorvido nas mais diversas mquinas e aquecendo com isto produtos, sistemas ou ambientes. Os sistemas de fluido trmico so divididos em dois tipos bsicos: Sistemas de Aquecimento utilizados para aquecer produtos, ambientes ou processos e Sistemas de Resfriamento utilizados em refrigerao de ambientes ou produtos. Os sistemas de aquecimento de fluido trmico podem ser divididos em dois tipos: Sistemas em Fase Lquida e Sistemas em Fase Vapor. Os sistemas de fase lquida so os mais utilizados no Brasil, correspondendo a aproximadamente 98% das instalaes. Nestes sistemas o fluido trmico trabalha obrigatoriamente em fase lquida em todo e qualquer ponto da instalao e a uma temperatura mxima de 365C. Nos sistemas de fase vapor, o fluido trmico aps ser aquecido em fase lquida, passa por um tanque de flash e vaporiza-se. Ao trocar calor no consumidor, j em fase vapor, se condensa e retorna para o aquecedor onde ir recomear o ciclo. Os sistemas que operam em fase lquida, por sua vez, possuem duas sub-divises, que so os sistemas no pressurizados e os sistemas pressurizados.</p> <p>6</p> <p>Os sistemas no pressurizados trabalham a uma temperatura mxima de 300C e no necessitam de pressurizao externa, uma vez que a maioria dos fluidos trmicos possuem uma temperatura de vaporizao presso atmosf rica de aproximadamente 300C. Os sistemas que trabalham entre 300C e 365C, necessitam de pressurizao externa, normalmente realizada por um gs inerte, tal como o nitrognio. Esta pressurizao, porm, extremamente baixa em comparao com um sistema de vapor d`gua para a mesma temperatura. Estes sistemas de aquecimento de fluido trmico, dependendo do fluido utilizado, so pressurizados entre 2kgf/cm a no mximo 10kgf/cm. Somente para exemplificarmos, um sistema de vapor d`gua saturado trabalhando a 350C teria uma presso de operao de 167,63 kgf/cm. A seguir, para uma melhor compreenso, apresentamos um fluxograma esquemtico de sistemas de aquecimento de fluido trmico na fase lquida (pressurizado e no pressurizado) e na fase vapor.</p> <p>Fig. 2.1 Sistema de aquecimento de fluido trmico na fase lquida sem pressurizao.</p> <p>7</p> <p>Fig. 2.2- Sistema de aquecimento de fluido trmico na fase lquida com pressurizao.</p> <p>Fig. 2.3- Sistema de aquecimento de fluido trmico na fase vapor.</p> <p>8</p> <p>2.2.</p> <p>Principais Compone ntes</p> <p>No intuito de esclarecer possveis dvidas, apresentamos abaixo um fluxograma bsico de um sistema de aquecimento de fluido trmico indicando e definindo os seus principais componentes :</p> <p>Fig. 2.4 Sistema padro de aquecimento de fluido trmico.</p> <p>1- Aquecedor o equipamento que fornece a energia trmica para o fluido trmico. Este aquecimento pode ser feito atravs da queima de leos combustveis ou gases combustveis, queima de madeira ou biomassa, eltrico ou recuperativo (aproveitando por exemplo os gases quentes de um processo existente).</p> <p>9</p> <p>2- Chamin equipamento responsvel pela exausto dos gases de combusto para atmosfera (no utilizado no caso de aquecedor eltrico).</p> <p>3- Queimador utilizado nos aquecedores com queima de leo ou gs combustve l, o equipamento responsvel pela perfeita combusto e fornecimento de energia ao aquecedor (no utilizado no caso de aquecedor eltrico).</p> <p>4- Tanque de Dreno e Enchimento - um reservatrio que tem a funo drenar total ou parcialmente o sistema no caso de manuteno. Normalmente atravs deste tanque que se faz o enchimento de fluido trmico no sistema.</p> <p>5- Bomba de Dreno e Enchimento bomba utilizada para o enchimento e drenagem do sistema.</p> <p>6- Bomba de Circulao de Fluido bomba centrfuga, responsvel pela circulao do fluido trmico entre o aquecedor e os diversos pontos de consumo.</p> <p>7- Separador de Gs equipamento que auxilia na eliminao de gases e umidade do sistema, principalmente durante o start-up do mesmo.</p> <p>8- Selo Trmico tanque que tem como principal objetivo a selagem trmica entre o sistema e o tanque de expanso, evitando com isto que o tanque de expanso trabalhe com uma temperatura muito alta.</p> <p>10</p> <p>9- Tanque Expanso trabalha como um pulmo para absorver a expanso volumtrica do fluido trmico quando do seu aquecimento e tambm da contrao volumtrica quando do seu resfriamento.</p> <p>10- Consumidor de Calor a mquina e/ou sistema que necessita ser aquecido para um determinado fim.</p> <p>2.3 Fluido Trmico Definies e Faixas de Operao</p> <p>Pode-se considerar como fluido trmico, na realidade, todo e qualquer fluido que em um determinado sistema cumpra o papel de condutor de energia trmica da fonte produtora (aquecedor ou caldeira), para o ponto de consumo. Com isto, um dos mais populares fluido trmico que conhecemos a gua, seja na fase lquida ou na fase vapor. Porm denominamos tecnicamente de Fluido Trmico, como fluidos especificamente desenvolvidos trabalhar como um meio ligao entre a fonte de energia trmica e um ponto de consumo de calor. Os fluidos trmicos podem ser orgnicos ou sintticos, dependendo de sua aplicao e principalmente sua temperatura de operao. As principais caractersticas que um fluido trmico deve possuir so: Estabilidade trmica Calor especfico elevado Alta condutividade trmica Baixa viscosidade Alta vida til</p> <p>11</p> <p>FAIXAS</p> <p>DE</p> <p>APLICAO</p> <p>DE</p> <p>FLUIDOS</p> <p>Sal Fundido</p> <p>Fluido Trmico Sistema Pressurizado Fluido Trmico Sistema no Pressurizado gua</p> <p>-100C</p> <p>100C</p> <p>200</p> <p>300C</p> <p>400C</p> <p>500C</p> <p>Lquido Vapor</p> <p>Fig.2.5- Faixas operacionais dos diversos fluidos trmicos.</p> <p>2.4. Principais Aplicaes</p> <p>O sistema de aquecimento de fluido trmico e pode ser utilizado em todo e qualquer sistema de aquecimento indireto, no qual necessita-se de um agente (fluido trmico) para transportar a energia trmica de uma central at os diversos pontos de consumo. Este sistema amplamente utilizado nas diversas indstrias e aplicaes conforme apresentamos a seguir: Indstria Txtil na termofixao das cores nos tecidos. Indstria Automobilstica e de Eletrodomsticos no aquecimento das estufas de secagem de pintura. Indstria Alimentcia no aquecimento dos fornos, dos leos para fritura e na desodorizao de leos vegetais. Indstria Qumica no aquecimento de reatores. Indstria de Asfalto no aquecimento das mquinas de preparao e mistura do asfalto.</p> <p>12</p> <p>-</p> <p>Indstria Madereira e de Mveis no aquecimento das prensas e das resinas para fabricao de compensados e aglomerados.</p> <p>Alm das aplicaes acima descritas, o sistema em questo tambm muito utilizado para o aquecimento de leos combustveis muito viscosos (de 1A/1B a 7A/7B e RASF).</p> <p>2.5. Principais Vantagens em sua Utilizao</p> <p>-</p> <p>O controle de temperatura muito exato, podendo-se controlar precisamente o ponto de trabalho, conforme necessidade se cada produto/consumidor, evitando-se com isto, superaquecimentos localizados.</p> <p>-</p> <p>O aquecedor pode ser instalado em um local reservado, aumentando a segurana da instalao e atendendo as normas de segurana referente a incndios e exploses.</p> <p>-</p> <p>O custo operacional e de manuteno muito inferior, se compararmos com o de um sistema de vapor para a mesma temperatura.</p> <p>-</p> <p>As condies de transferncia de calor podem ser otimizadas caso a caso dentro de um mesmo sistema.</p> <p>-</p> <p>O mesmo sistema de fluido trmico pode trabalhar ora aquecendo ora resfriando um determinado produto e/ou equipamento.</p> <p>-</p> <p>O armazenamento de calor possvel e especialmente vantajoso quando existe uma grande variao de consumo e picos de dema nda por curtos perodos.</p> <p>-</p> <p>O calor gerado no aquecedor de fluido trmico pode ser transformado central ou localmente nos consumidores em gua quente, gua superaquecida, vapor ou ar quente, de acordo com a necessidade do processo produtivo.</p> <p>13</p> <p>-</p> <p>Em sistemas de aquecimento direto, a troca para um combustvel diferente do inicialmente previsto muito onerosa ou as vezes at invivel. No sistema de aquecimento de fluido trmico, isto pode ser feito com um investimento muito pequeno e muito rapidamente.</p> <p>Comparando-se diretamente com um sistema de gerao de vapor d`gua saturado, temos como grande vantagem trabalharmos com altas temperaturas e baixas presses. Na figura abaixo apresentamos a diferena entre as presses de trabalho para as diversas temperaturas. 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 050 100 150 200 250 300 350</p> <p>kgf/cm</p> <p>FLUIDO TRMICO</p> <p>VAPOR D'GUA</p> <p>CFig.2.5- Comparao das presses de trabalho para as diversas temperaturas, entre o fluido trmico e o vapor de gua saturado.</p> <p>As outras vantagens nesta comparao so:</p> <p>14</p> <p>-</p> <p>No h corroso ou incrustaes na tubulao No h tratamento de gua No h consumo de gua, nem mesmo de fluido trmico, por se tratar de um circuito fechado.</p> <p>2.6. Principais Normas de Projeto e Fabricao</p> <p>A Norma alem DIN 4754, foi a pioneira na definio dos requisitos necessrios para o dimensionamento e especificao do sistema de fluido trmico. Esta norma, amplamente utilizada nos dias de hoje, apresenta entre outros pontos, um roteiro padronizado para o dimensionamento do aquecedor e dos demais itens do sistema, tendo como um dos principais objetivos a segurana da instalao. Apesar de uma grande simplicidade em seu conceito, o que levou a sua grande difuso, as instalaes de fluido trmico apresentam no entanto uma certa sofisticao e complexidade na integrao e no dimensionamento dos seus diversos componentes, que exige a aplicao de princpios fsicos e de engenharia multidisciplinar. Podemos destacar como os principais pontos da Norma DIN 4757, os seguintes: O fluido trmico utilizado, seja ele qual for, deve ter uma vida til de no mnimo um ano. O sistema de aquecimento, seja atravs de combusto ou eltrico, deve ter um controle de temperatura de tal modo que o mesmo seja preciso e permita um desligamento imediato em caso de superaquecimento. O aquecedor deve ser dimensionado e fabricado de tal forma que a temperatura de sada do fluido trmico e a temperatura de pelcula (temperatura do fluido em contato com a parede dos tubos internos do aquecedor) estejam dentro do limite permitido para o fluido</p> <p>15</p> <p>aplicado e que o fabricante tenha domnio destas temperaturas atravs de clculos matemticos. A seguir apresentaremos, somente em carter ilustrativo, as principais Normas utilizadas no Brasil para o dimensionamento, especificao e/ou fabricao dos principais componentes do sistema de fluido trmico. Vale a pena esclarecer sobre a existncia de diversas outras normas adotadas, dependendo da origem tecnolgica dos fabricantes de cada um dos diversos itens do sistema de fluido trmico:</p> <p>Aquecedor Dimensionamento Trmico - DIN 4754 Dimensionamento Mecnico - ASME SEL. VIII DIV I</p> <p>Tanque de Expanso, Tanque de Dreno, Selo Trmico e Separador de Gs Dimensionamento Trmico - DIN 4754 Dimensionamento Mecnico - ASME SEC. VIII DIV. I</p> <p>Queimadores Fabricao conforme Norma DIN 4787</p> <p>Chamin Clculo estrutural conforme DIN 4133 e materiais conforme Norma ASTM (ASTM A 285-C)</p> <p>Bombas Construo Dimensional Norma DIN 24256 / ISSO 2858 Clculos Mecnicos Norma ANSI B 73.1</p> <p>16</p> <p>Vlvulas Materiais Norma ASTM Padres de fabricao Norma ANSI B16....</p>