Recuperação de Calor do Blowdown da Caldeira Apenas Controle de TDS

A água da caldeira é submetida a blowdown para controlar a quantidade de sólidos totais dissolvidos (TDS) na caldeira. Esta água é pressurizada, quente e suja, criando grandes volumes de vapor flash e possíveis problemas de descarte. Um sistema de recuperação de calor pode recuperar grandes quantidades de energia durante esse processo essencial.

Recuperação de Calor do Blowdown da Caldeira (apenas controle de TDS)

O módulo anterior discutiu a água a ser submetida a blowdown de uma caldeira para manter um nível aceitável de TDS. Esta água possui diversas características:

• É suja - Isso significa que: -A água é geralmente inadequada para outras aplicações. -A água suja pode apresentar um problema de descarte.
• É quente - Isso significa que: -Uma proporção da água mudará para vapor à pressão atmosférica. -A água quente pode apresentar um problema de descarte. Por exemplo, pode haver uma quantidade substancial para descartar. Um sistema de recuperação de calor pode resolver muitos desses problemas. Taxa de fluxo de energia no blowdown Usando os dados do cálculo de blowdown, Exemplo 3.12.5, a quantidade de energia enviada ao blowdown pode ser calculada usando as tabelas de vapor. Nota: 1 kJ/s = 1 kW Exemplo 3.13.1 Para obter o fluxo de energia em kW: Para colocar a taxa de fluxo de energia em contexto, no noroeste da Europa o sistema médio de aquecimento central doméstico tem uma potência de aproximadamente 13 kW, então a taxa de fluxo de energia submetida a blowdown no Exemplo 3.13.1 é suficiente para aquecer 19 residências. Para maior clareza, o cálculo acima utiliza tabelas de vapor onde a água a 0°C é o referencial. Na realidade, a água de reposição para substituir o blowdown será fornecida a uma temperatura superior a esta, portanto a energia do blowdown será ligeiramente menor. Por exemplo, se a água de reposição estiver a 10°C, a energia submetida a blowdown seria de 228 kW.

Vapor flash

A água de blowdown liberada da caldeira é água na temperatura de saturação apropriada à pressão da caldeira. No caso da caldeira no Exemplo 3.13.1 - 10 bar g, esta temperatura é 184°C. Obviamente, a água não pode existir a 184°C sob condições atmosféricas, porque há um excesso de entalpia ou energia na água de blowdown. Assumindo que a água de blowdown é liberada para um sistema de vapor flash operando a 0,5 bar g, as tabelas de vapor podem ser usadas para quantificar esse excesso de energia: Esse excesso de energia evapora uma proporção da água para vapor, e o vapor é denominado vapor flash. A quantidade de vapor flash é facilmente determinada por cálculo ou pode ser lida de tabelas ou gráficos. Exemplo 3.13.2 A entalpia específica de evaporação a 0,5 bar g (hfg) das tabelas de vapor é 2 226 kJ/kg. Portanto, 14,1% da água submetida a blowdown da caldeira mudará para vapor à medida que sua pressão cai de 10 para 0,5 bar g através da válvula de blowdown. Existem duas opções:

1. Ventilar esse vapor flash para a atmosfera através do vaso de blowdown com o desperdício associado de energia e possivelmente água de boa qualidade do vapor condensado.
2. Utilizar a energia no vapor flash, e recuperar água condensando o vapor flash. É útil quantificar a taxa de fluxo de energia no vapor flash. Isso pode ser feito usando tabelas de vapor. Exemplo 3.13.3 Compare isso com a taxa de energia de 241 kW submetida a blowdown da caldeira. Pode ser possível usar esse vapor flash: neste exemplo, ele representa aproximadamente 49% da taxa de fluxo de energia no blowdown, e 14,1% da água submetida a blowdown. Usando valores das tabelas de vapor para os cálculos acima, assume-se que a água de alimentação será fornecida a uma temperatura de 0°C. Para maior precisão, a mudança real na temperatura da água de alimentação deve ser usada. Recuperando e usando vapor flash O vapor flash se torna disponível para recuperação no vaso flash. Em essência, um vaso flash fornece um espaço onde a velocidade é baixa o suficiente para permitir que a água quente e o vapor flash se separem, e a partir daí serem encaminhados por tubulação para diferentes partes da planta. O projeto do vaso flash é importante não apenas do ponto de vista de separação vapor/água, mas estruturalmente deve ser projetado e construído de acordo com um padrão reconhecido de vasos de pressão, como o PD 5500. Isso não é apenas boa prática de engenharia, o inspetor de caldeiras também insistirá nisso se a planta for segurada. O local mais óbvio para o uso do vapor flash é no tanque de alimentação da caldeira, que geralmente fica próximo. A temperatura da água no tanque de alimentação é importante. Se for muito baixa, produtos químicos serão necessários para desoxigenar a água; se for muito alta, a bomba de alimentação pode sofrer cavitação. Obviamente, se a recuperação de calor provavelmente resultar em uma temperatura excessivamente alta no tanque de alimentação, não é prático descarregar vapor flash no tanque. Outras soluções são possíveis, como aquecimento da água de alimentação no lado de pressão da bomba de alimentação, ou aquecimento do ar de combustão. A Figura 3.13.2 mostra uma instalação simples, que torna a recuperação dos 97 kW de fluxo de energia e 157 kg/h de água de qualidade para caldeira extremamente econômica. Equipamentos necessários

• Vaso flash - Os fabricantes terão tabelas de dimensionamento para os vasos. Nota: a velocidade do vapor na seção superior do vaso não deve exceder 3 m/s.
• Armadilha de vapor para drenar o vaso - Uma armadilha de flutuador é ideal para esta aplicação, pois libera a água residual de blowdown assim que atinge a armadilha. O vaso flash opera a baixa pressão, então não há praticamente energia para elevar a água residual de blowdown após a armadilha de vapor, portanto ela deve drenar por gravidade através da armadilha e da tubulação de descarga. Nota: devido à baixa pressão, a armadilha será razoavelmente grande. Isso tem a vantagem adicional de que é improvável que seja bloqueada pelos sólidos na água residual de blowdown. Às vezes, filtros são preferidos antes da armadilha de vapor; para esta aplicação, a tampa do filtro deve ser equipada com uma válvula de blowdown para simplificar a manutenção, e a tela do filtro não deve ser muito fina.
• Quebra-vácuo - Haverá ocasiões em que a caldeira não precisa realizar blowdown. Nesses momentos, qualquer vapor no vaso flash e na tubulação associada condensará e um vácuo será formado. Se esse vácuo não for liberado, a água será sugada do tanque de alimentação da caldeira para dentro da tubulação. Quando a caldeira realizar blowdown novamente, essa água será forçada ao longo da tubulação em alta velocidade e ocorrerá golpe de aríete. Um quebra-vácuo instalado na cabeça do desaerador protegerá contra essa eventualidade.
• Equipamento de distribuição de vapor - A distribuição adequada do vapor flash no tanque de água de alimentação é claramente importante para garantir a condensação e a recuperação do calor e da água. Os equipamentos necessários para isso incluem, em ordem de eficácia: 1. Desaerador atmosférico. 2. Distribuidor de vapor. 3. Tubo esguicho.

Recuperação de calor usando trocadores de calor

Recuperação de calor do blowdown residual Aproximadamente 40% da energia no blowdown da caldeira pode ser recuperada através do uso de um vaso flash e equipamentos associados; no entanto, há espaço para maior recuperação de calor do próprio blowdown residual. Continuando a partir do Exemplo 3.13.3, se o vaso flash opera a uma pressão de 0,5 bar g, isso significa que o blowdown residual passa pela armadilha de flutuador do vaso flash a cerca de 105°C. Mais energia útil pode ser recuperada do blowdown residual antes de enviá-lo ao ralo. O método aceito é passá-lo por um trocador de calor, aquecendo a água de reposição a caminho do tanque de alimentação. Essa abordagem tipicamente resfria o blowdown residual para cerca de 20°C. Este sistema não apenas recupera a energia no efluente de blowdown, mas também resfria a água antes de descarregá-la no sistema de drenagem. (A temperatura na qual o efluente pode ser descarregado é limitada a 42°C no Reino Unido; outros países possuem limitações semelhantes). Exemplo 3.13.4 (continuando do Exemplo 3.13.3) Uma disposição típica para recuperar essa energia é mostrada na Figura 3.13.3. Consideração de projeto Um problema com a disposição mostrada na Figura 3.13.3 é que o fluxo simultâneo de água de reposição fria entrando e blowdown residual do vaso flash pode não ser garantido. Uma disposição preferida é mostrada na Figura 3.13.4, onde um tanque de repouso de água fria é usado como dissipador de calor. Um termostato é usado para controlar uma pequena bomba de circulação para que, quando o blowdown residual estiver a uma temperatura alta o suficiente, a água seja bombeada através do trocador de calor, elevando a temperatura média do tanque e economizando energia. Se a temperatura do efluente de blowdown saindo do trocador de calor puder ser superior a 43°C, então deve ser direcionada ao vaso de blowdown em vez de ir direto ao ralo de efluente (ver Módulo 3.14). Tipo preferido de trocador de calor Trocadores de calor de placas são preferidos para esta aplicação, pois são muito compactos e facilmente mantidos.

A experiência mostra que as velocidades mais altas e a turbulência nos trocadores de calor de placas ajudam a mantê-los limpos, e portanto a desmontagem raramente é necessária. No entanto, se a limpeza for necessária, é relativamente simples abrir o trocador de calor e limpar as placas.

A limpeza de um trocador de calor casco e tubo é mais complexa, e envolverá uma desmontagem completa e frequentemente os próprios tubos não podem ser removidos para limpeza. Quando a energia é recuperada do vapor flash e do condensado, 82% da energia total contida no blowdown original foi recuperada. Além disso, 14% (em massa) da água foi recuperada, contribuindo ainda mais para as economias.