PRÉ-AQUECEDOR DE AR E A EFICIÊNCIA TÉRMICA DE CALDEIRAS AQUATUBULARES

Para todo e qualquer processo ou equipamento, principalmente no campo industrial, é de extrema importância saber seu desempenho ou eficiência, objetivando prever possíveis falhas e, sobretudo, trabalhar sob a linha de melhoria contínua. Em caso específico de um equipamento, é interessante perceber se este é adequado para o processo no que diz respeito a sua eficiência, possibilitando seu melhor aproveitamento individual e, por conseguinte do sistema a ele associado.

Caldeiras ou geradores de vapor, de uma forma geral, fazem parte do sistema termodinâmico de geração de energia composto em sua totalidade basicamente de caldeiras, turbinas, condensadores e bombas hidráulicas, mas também podem ser utilizadas em outros tipos de processos industriais, onde o vapor produzido por esses equipamentos são utilizados em funções diversas dentro do processo produtivo em que são inseridos.

O aprofundamento na análise de eficiência significa ver de perto o que realmente o processo e seus equipamentos oferecem em termos de performance, confiabilidade e disponibilidade já que contando com essas características esses mesmos processos ou equipamentos agregarão valor e competitividade à empresa.

Como fonte da utilidade ou do vapor utilizado para efetivamente girar a turbina e gerar energia elétrica, a garantia da eficiência da caldeira e de seus equipamentos auxiliares dentro de uma central termoelétrica se torna realmente importante para manter a demanda de energia, além de possibilitar um melhor entendimento do cenário operacional e então aperfeiçoar processos decisórios no que diz respeito às mudanças de parâmetros operacionais (o combustível utilizado, por exemplo) e ações assertivas mais eficazes em manutenções preventivas.

Para a eficiência de caldeiras um dos grandes fatores a serem considerados e monitorados é a temperatura de saída do gás de combustão após o aquecedor de ar.

O aquecedor de ar é o último componente antes da chaminé. Ele é dimensionado proporcionalmente tendo superfície suficiente para fornecer temperatura ao ar de entrada para os equipamentos de combustão (queimadores, pulverizadores, etc.) e diminuir a temperatura do gás de combustão num mesmo ciclo. Ele pode ser do tipo regenerativo (tubos) ou regenerativo Ljungstrom (“tela rotativa”). A Figura 1 mostra o funcionamento de um aquecedor de ar do tipo Ljungstrom. 

Figura 1. Troca térmica entre o ar e gás no aquecedor de ar regenerativo. [Adaptado de CHD VÁLVULAS. Caldeiras Aquatubulares. Arquivos Técnicos]

Através de uma análise breve de eficiência do aquecedor de ar, mas de suma importância e influência direta sobre a eficiência da caldeira, verifica-se que a transferência de calor interna no equipamento é influenciada pelas questões de fuga do ar através dos dispositivos de selagem radial e circunferencial e também pelo tipo e desgaste corrosivo das placas de recheio do equipamento. Essa fuga acontece do lado frio para o lado quente onde o ar frio passa pela selagem para o lado quente do aquecedor de ar ocasionando uma queda de temperatura do gás de combustão e consequentemente uma medição falsa de tal temperatura. Ainda assim, há um aumento de vazão de gás na saída do aquecedor de ar implicando no aumento de consumo de energia do ventilador de tiragem induzida que necessitará de maior potência para retirar uma nova demanda de gás.

Esse vazamento pela selagem do aquecedor de ar pode ocorrer de quatro formas diferentes, tornando ainda mais complexa a análise e a influência das fugas na eficiência da caldeira. A Figura 2 mostra os quatro tipos de passagem de vazamento através do aquecedor de ar.

Figura 2. Tipos de fuga de selagem através do aquecedor de ar regenerativo. [Adaptado de STORM, Stephen K. C.E.M. et al., 2010]

As passagens 1 e 2 referem-se ao escoamento normal de ar e gás de combustão, respectivamente. Porém, as passagens C e D referem-se a fugas do tipo circunferencial de ar e gás de combustão respectivamente, interferindo na troca natural de calor, onde o ar entra frio na caldeira (em C) e o gás de combustão permanece quente na saída do aquecedor de ar (em D). As passagens A e B são basicamente fugas do tipo radial do ar, que passa do lado frio para o lado quente através da selagem radial do aquecedor de ar.

Devido a essas diversas formas de vazamento pelas selagens do aquecedor, o valor real do percentual de fuga (%leakage) raramente é medido ou calculado com a precisão devida e por isso na maioria das vezes é subestimado, sobretudo devido as grandes variações referentes aos pontos de medição de O2 na saída e as distribuições de velocidade, o que pode implicar na instalação de grandes ventiladores para compensar o vazamento de ar. Além disso, um percentual alto de vazamento de ar (air leakage) pode acarretar problemas como: degradação severa de equipamentos de controle de emissões, limitações de carga da caldeira, aumento na produção de NOx, aumento da taxa de corrosão nos recheios do aquecedor de ar, etc.

Como mencionado anteriormente, a temperatura do gás de combustão na saída do aquecedor de ar é um parâmetro importante para a eficiência da caldeira, pois o aumento dessa temperatura ocasiona perdas por gás seco e, por conseguinte uma diminuição na eficiência da caldeira, como mostra a Figura 3.

Figura 3. Impacto na eficiência da caldeira pela variação da temperatura do gás de combustão na saída do aquecedor de ar. [Adaptado de STORM, Stephen K. C.E.M. et al., 2011]

Além disso, o processo de troca de calor do aquecedor de ar regenerativo, com a captura do calor dos gases de combustão e transferido para o lado frio do ar de combustão, é responsável por cerca de 10% de eficiência da caldeira.

Sendo assim, o aquecedor de ar se torna parte importante e decisiva na eficiência da caldeira, de forma que melhorias quanto à selagem devem ser tratadas no intuito de otimizar a eficiência térmica do aquecedor e consequentemente a da caldeira. De fato, não é possível selar o aquecedor de ar completamente devido às condições térmicas dinâmicas de distorção causadas pelas diferenças de temperaturas, que causam alterações nas dimensões do componente e perdas de selagem. Entretanto, melhorar o tipo de selagem ainda é a melhor forma de minimizar vazamentos e aumentar a eficiência do aquecedor de ar.

O aumento da eficiência do aquecedor de ar também está ligado à periodicidade de sua limpeza através do sistema próprio de sopro de fuligem disponibilizado pelo fabricante que permite a limpeza do componente com as caldeiras em operação ou não.

Artigo baseado no projeto final de curso de minha autoria: "Determinação da Eficiência Térmica e Análise de Viabilidade Operacional das Caldeiras da Central Termoelétrica 1 da Companhia Siderúrgica Nacional - CSN"

Sobre o autor:

Mateus Borges Pimenta, Engenheiro Mecânico, com experiência em liderança de equipes, montagens industriais, geração de energia e utilidades, melhoria de processos, análise de falhas de equipamentos através da aplicação de ferramentas da qualidade, gestão das normas NR12 e NR13 e desenvolvimento de pequenos projetos no ramo automotivo. Conhecedor de ferramentas para melhoria contínua de processos, possui formação Green Belt em Lean Seis Sigma pela UERJ e atualmente cursa MBA em Gestão Estratégica da Produção e Manutenção na UFF.

Quero agradecer sua atenção por ler este artigo. Vamos fortalecer nosso network! Caso saiba de oportunidades para Engenheiro Mecânico/Industrial ou em áreas correlatas de analista, coordenação, manutenção, processos, ficaria feliz em ser lembrado. E conte comigo também para troca de informações e oportunidades.

Leia e compartilhe outros artigos do autor: “A Política 5S e sua Importância na Manutenção da Qualidade Total”.

Clique em gostei, comente e compartilhe. Ajude na disseminação de conhecimento.