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FONTES
ALTERNATIVAS
DE ENERGIA
PARA
A AGRICULTURA
Energia de biomassa
Energia solar • Outras
fontes
MODULO 1 - PARTE A
COMBUSTÃO DE BIOMASSA
MEC - MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E CULTURA
CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
ABE S ■ Associação Brasileira de Educação Agrícola Superior
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ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE EDUCAÇÃO AGRÍCOLA SUPERIOR SCS-Ed.
Ceará - 59 andar - Salas 507/09 - Tel.: (061) 225-5928 - 70.303 - Brasília-DF
Curso de Fontes Alternativas de
Energia
Inicio: 06/05/85 Módulo
Introdutório —
Revisão : Noções Básicas e Mecânica de Fluidos; Fundamentos de Cálculo
Diferencial e Integral; Fundamentos de Química e Conceitos Básicos de
Termodinâmica.
Período : 06/05 à 07/06/85
Duração : 50 horas
Tutores : Prof? Maria da Conceição Pinheiro — UFV
Prof. Jadir Nogueira da Silva — UFV
Prof. Heleno Nascimento Santos — UFV
Prof. Efrain Lázaro dos Reis — UFV
MODULO 1 - ENERGIA DA BIOMASSA
Período : 10/06/85 à 15/11/85
Duração : 230 horas
Tutores : Prof. Jadir Nogueira da Silva — UFV
Prof. Hélio Correia - ESAL
Prof. Carlos Frederico Hermeto — ESAL
I ENCONTRO NACIONAL
Período : 19/11/85 à 21/11/85 Local
: Belo Horizonte
MÓDULO 2 - ENERGIA SOLAR E SUAS APLICAÇÕES
Período : 25/11 /85 à 01/04/86
Duração : 150 horas
Tutores : Prof. Rogério Pinheiro Kruppel — UFPB
Prof. Fernando França - UNICAMP
MÓDULO 3 - OUTRAS FONTES DE ENERGIA ALTERNATIVA
Período : 07/04 à 23/05/86 Duração
: 70 horas
Tutores : Prof. Teimo Silva Araújo — UFPB
Prof. Deme'trio Bastos Netto - IPQM
29 ENCONTRO NACIONAL
Período : 3,4 e 5 de junho de 1986 Local :
Brasília-DF
* O Período de 20/12/85 à 12/01/86 será de ferias não sendo portanto computado no
tempo do curso.
Término: 05/06/86
Página
5. FORNALHAS 33
5.1. Fornalhas para Combustíveis Sólidos 33
5.1.1. Fornalha sem Trocador de Calor 33
5.1.1.1. Dimensionamento 36
5.1.2. Fornalha com Trocador de Calor 38
6. CALDEIRA À LENHA 39
6.1. A Combustão da Lenha 39
6.2. Câmaras de Combustão 40
6.3. Caldeiras 43
6.3.1. Caldeiras Fogotubulares (FT) 43
6.3.1.1. Fogotubulares Verticais (FTV) 43
6.3.1.2. Fogotubulares Horizontais (FTH) 45
6.3.2. Caldeiras Aquatubulares (AT) 46
6.3.2.1. Caldeiras de Câmaras (AT-C) 47
6.3.2.2. Caldeiras de Dois Tambores (AT-2T) 48
6.4. Caldeiras Mistas 48
6.5. Generalidades 49
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 51
APÊNDICE I - Variação dos Podêres Caloríficos da Lenha com
a Umidade
APÊNDICE II - Rendimento Térmico de Fornalha a Lenha em re
lação ao Poder Calorífico Superior, sendo
Isolamento de Tijolos Refratários e Excesso
de Ar de 40%.
FONTES ALTERNATIVAS DE ENERGIA PARA A
AGRICULTURA CURSO DE
ESPECIALIZAÇÃO POR TUTORIA À
DISTÂNCIA
MODULO 1
PARTE A -
COMBUSTÃO DE BIOMASSA
ÍNDICE
1 . INTRODUÇÃO
2. COMBUSTÍVEIS
2.1. Poder Calorífico
2.1.1. Métodos de Calculo
2.2
Combustíveis Sólidos
2.2.1 . Lenha
2.2.2. Carvão Mineral
2.2.3. Carvão Vegetal
2.2.4. Coque
2.2.5. Resíduos Agrícolas
2.2.6. Coque do Coco de Babaçu
Combustíveis Líquidos
2.3.1. Petróleo
2.3.2. Óleo de Xisto
2.3.3. Álcool Etílico
2.4. Combustíveis Gasosos
COMBUSTÃO
3.1. Requisitos para uma Combustão Adequada
Cálculo do Ar Necessário para a Combustão
0 Excesso de Ar
Cálculo dos Produtos da Combustão
Temperatura da Combustão
3.5.1. Temperatura Teórica da Chama
3.5.2. Temperatura Média da Câmara de Combustão
4. COMBUSTÃO DA LENHA
4.1. Introdução
4.2. Combustão da Lenha
4.3. Temperatura da Combustão
4.4. Absorção na Fornalha
4.5. Rendimento Térmico
4.6. Conversão de Combustível
Pagina
1
3
3
4
7
7
8
.8
8
8
11
11
11
11
11
11
12
13
14
14
15
17
17
18
20
20
21
24
25
26
31
2.3,
3.2.
3.3.
3.4.
3.5.
FONTES A L T E R N A T I V A S DE EN ERGIA
PARA A AGRICULTURA CURSO DE
ESPECIALIZAÇÃO POR TUTORIA À
DISTÂNCIA
MODULO 01 - PARTE 1 - COMBUSTÃO
OBJETIVOS Ao final da leitura do
Modulo o aluno deverá ser capaz de:
1. Diferenciar um dos outros, os processos de combustão, piró
lise e gaseificação
2. Descrever os diversos tipos de combustão e suas proprieda -
des.
3. Descrever e/ou explicar os requisitos para uma combustão a-
dequada.
4. Calcular o ar necessário para combustão de Biomassa.
5. Reconhecer e/ou Descrever os diversos tipos de fornalhas e
caldeiras que utilizam Biomassa como combustível.
6. Reconhecer e/ou descrever técnicas de dimencionamento de For
nalhas.
FONTES A L T E R N A T I V A S DE E N ERGIA
PARA A AGRICULTURA CURSO DE
ESPECIALIZAÇÃO POR TUTORIA À
DISTÂNCIA
MÓDULO 1
PARTE A - COMBUSTÃO DE BIOMASSA
I. INTRODUÇÃO
Apesar de que as reservas
mundiais de petróleo e gás natu-
ral não vão acabar da noite para
o dia, dois fatores têm contribuí
do para que se acelerem pesqui
sas em fontes alternativas dê"
energia. 0 primeiro deles é o al-
to custo associado aos combustí
veis fosseis. 0 segundo é a incer-
teza de suprimento constantes
principalmente de petróleo, devi-
do as constantes instabilidades -
políticas e militares no Oriente
Médio, recentemente agravado com
a interminável Guerra Santa Irá-
Iraque.
Biomassa, isto é lenha, re-
síduos agrícolas, etc., tem mere-
cido atenção ultimamente, como
uma fonte alternativa de energia
renovável e deve ser vista como
boa opção, senão a melhor, para
os países subdesenvolvidos e em
desenvolvimento que dependem dos
combustíveis fosseis importados .
Para estes países o petróleo deve
ser visto como uma fonte nobre
de energia e usado somente na fa-
bricação de produtos químicos in-
dispensáveis, e nunca como fonte
de calor .
Os principais caminhos a se
guir para aproveitamento da ener"
gia da biomassa estão ilustrados
na Figura 1.
FIGURA 1 - Caminhos para conversão de biomassa.
E muito importante diferen
ciar uns dos outros os processos
de Combustão Direta, Gasificação
e Pirolise. Isto pode ser feito a-
traves da análise da Razão Equiva.
lência (RE) definida como:
RE =
Peso do Oxidante/Peso da Biomassa ____
Razão estequiomêtrica Oxidante/Biomassa
Curso do Especialização por Tutoria à Distância
Para a Combustão Direta
(queima) a razão de equivalência
é igual ou maior que 1, isto é a
combustão se faz com a quantidade
estequiometrica (teórica) de ar,
ou com excesso de ar. Para a Ga-
seificação, a razão de equivalên-
cia varia, entre 0,20 a 0,40, is-
to e, 20 a 40% da razão estequio-
metrica, e para a Pirolise a ra-
zão da equivalência é teoricamen-
te zero. Para esclarecer este
conceito vejamos o seguinte exem-
plo: para queimar (combustão dire_
ta) 1 kg de madeira precisamos dê
cerca de 6,4 kg de ar (quantidade
estequiomêtrica) ou mais, (queima
com excesso de ar) . Ja para gasi_
ficar 1 kg de madeira devemos ce~
der de 1,28 kg ate 2,56 kg de ar,
enquanto que para pirolizar não
devemos ceder ar nenhum.
No Brasil, atualmente, cer-
ca de 301 de toda energia consumi
da é proveniente da biomassa. A
contribuição da biomassa como e-
nergêtico difere de estado para
estado . Particularmente.' em Minas Ge
rais a biomassa contribuiu, em
1984, com cerca de 41% de toda e-
nergia consumida no Estado. Esta
importância da biomassa energéti-
ca para Minas e Brasil está ilus-
trada na Tabela 1.
MG/BR -
t
1978 1979 1980 1981 1982 1983
Lenha e Carvão Vegetal
5.941
26.237
22,6
6.499
26.934
24,1
7.260
28.096
25,8
6.835
27.547
24,8
6.519
28.144
23,2
6.818
28.901
23,6
Petróleo, Gás Natural e Deriva
dos
5.285
52.643
10,0
5.461
56.539
9,7
5.198
55.043
9,4
4.630
50.492
9,2
4.380
50.139
8,7
3.948
49.326
8,0
Energia Hidráulica
3.737
25.326
14,8
4.453
28.809
15,5
5.102
32.170
15,9
5.218
32.651
16,0
5.403
34.935
15,5
5.586
38.025
14,7
Carvão Metalúrgico e Coque
1.160
3.521
32,9
1.487
4.062
36,6
1.522
4.230
36,0
1.152
3.376
34,1
1.429
3.785
37,8
1.292
4.529
28,5
Carvão Energético
1.151
11
1.099
1,0
67
1.206
5,6
171
1.794
9,5
306
2.196
13,9
312
2.163
14,4
Cana-de-Açúcar e Álcool
463
9.861
4,7
617
11.089
5,6
671
12.109
5,5
681
12.719
5,4
760
14.062
5,4
1
.011
17.26
4
5
,9
Outras Fontes Primárias
153
184
83,2
207
236
87,7
271
335
80,9
224
470
47,7
284
523
54,3
248
408
60,8
TOTAL
16.739
118.923
14,1
18.735
128.768
14,5
20.091
133.189
15,1
18.911
129.049
14,7
19.081
133.784
14,3
19.215
140.616
13,2
Fonte: CEMIG
2
TABELA 1 - Consumo Total de Energia
-
Minas Gerais e Brasil
Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura
Faremos neste curso um estu
do da combustão de biomassa. Con
ceitos básicos serão introduzidos
e serão seguidos por uma coletâ-
nea de literatura existente. Es
tes trabalhos, transmitidos em
parte ou ipsis-literis, certamen te
contribuirão para o aperfeiçoa
mento do aluno na matéria em ques-
tão, pois foram feitos por técni-
cos da área. 0 grau de profundida-
de científica e pratica dos traba_
lhos são distintos propositalmen-
te. Com esta metodologia pretende_
mos expor os alunos a diferentes
maneiras de abordar o problema.
2. COMBUSTÍVEIS*
Combustíveis em termos pra_
ticos, são as substâncias que po
dem queimar liberando calor.
Os combustíveis podem ser
classificados em sólidos, líqui-
dos e gasosos e cada um desses po-
de. ser natural ou derivado. Na
turais são aqueles usados nas
mesmas condições em que são ex-
traídos da natureza. Exemplo; le-
nha, carvão de pedra, gas natu-
ral, resíduos agrícolas. Deriva,
dos são aqueles que resultam de
algum processo de preparação. : E-
xemplos: carvão vegetal, coque,de
rivados de petróleo, álcool, etc.
2.1. PODER CALORÍFICO
Dentre as características
dos combustíveis a mais importan-
te e poder calorífico. 0 poder ca
lorífico de um combustível e a
quantidade de energia desprendida
na combustão completa de uma
unidade em peso (ou em volume) de
determinado combustível, veja Qua
dro 2. 0 poder calorífico depende"
das características químicas do
combustível e não das condições
onde é queimado, visto que se con
sidera a combustão completa do-
mesmo. Geralmente e dividido em
superior e inferior.
0 poder calorífico superior
(PCS) é medido pela bomba calori-
mêtrica. É aquele que leva em con
ta o calor da condensação do va-
por d'água dos produtos da combus_
tão. 0 poder calorífico inferior
(PCI) é aquele que não leva em
conta o calor de condensação do
vapor d'água formado pelos produ-
tos da combustão. Haja visto que
os gases da combustão deixam os
equipamentos de utilização do^ca-
lor total_de vaporização da água
formada não é utilizado. Este pre
cisa ser deduzido do poder
calori-fico superior, resultando
então o poder calorífico
inferior,que nor malmente é usado
na prática. O po_ der calorífico
inferior é também chamado de poder
calorífico líqui-do ou prático .
Fonte: Andrade et alii (1).
Curso de Especialização por Tutoria a Distância
QUADRO 2 - Poder calorífico inferior de.alguns combustíveis.
Poder Calorífico
Combustível
(KJ/kg)
; Lenha seca ao ar 11286 a 15884
. Carvão de pedra (hulha) 31391
. Carvão vegetal 27170
. Coque de carvão de pedra 31350 a 33440
. Bagaço de cana 6688
. Coque de coco babaçu 31768
. Casca de arroz 11704
. Óleo diesel 43890 a 45980
. Querosene e gasolina 41800 a 45980
. Álcool etílico 26585
. Gás natural 33440 a 54340
. GLP 100320 (KJ/Nm
3
)
. Gás de gasogênio 5016 a 5832
(KJ/Nm
3
)
2.1.1. Métodos de Calculo
a) Método Experimental
Para os combustíveis soli.
dos o calorímetro de uso mais ge_
neralizado é de Berthelot-Mahler,
comumente chamado de Bomba Calo-
rimetrica de Mahler (Figura 2).0
seu funcionamento se baseia na
combustão completa de uma amos
tra de combustível de peso conhe
cido em atmosfera rica em oxigê-
nio .
Após o balanço de se
:
onde:
g = massa de combustível (kg)
N = poder calorífico da amostra
(PCI) (KJ/kg) M = massa de
agua (kg) A=constante do
aparelho (kg) t
2
,t
1
.= temperatura
final e inicial de equilíbrio
respectivamen te (°C) C = calor
específico da agua P
(KJ/kg°C).
0 método de cálculo do po-
der calorífico através da bomba
calorimétrica de Mahler fornece o
poder calorífico superior visto
que para se chegar ao equilíbrio,
após a combustão ocorre condena-
ção do vapor d'ãgua.
c
alo
r
te
m
-
Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura
FIGURA 2 - Bomba Calorimetrica de Malher
Curso de Especialização -por Tutoria a Distância
b) Método Analítico de reação de um corpo composto que
é igual a soma dos valores dos po_ - 0
cálculo a partir da compo deres caloríficos de cada dos com sição
química é baseado no calor ponentes (Quadro 3).
QUADRO 3 - Podêres caloríficos
Elemento
Poder calorífico superior Poder calorífico inferior
KJ/kg KJ/Nm
3
KJ/kg KJ/Nm
3
c
s
H
2
33774
9238
141744
12749
33774
82 38
141744
10743
Apesar deste método ser me- tes, os valores obtidos são próxi
nos exato do que o experimental , mos aos do calorímetro. Para mui-
por não levar em conta o calor tos combustíveis a diferença é de
de dissociação necessário para se 1 a 2% 0 poder calorífico supe
parar as moléculas dos componen- rior do combustível será então:
(Eq. 2)
onde
PCS = poder calorífico superior fração de hidrogênio no
(KJ/kg) combustível (kg de H
2
/kg
fração de carbono no com de combustível)
bustível (kg de C/kg de ■ fração de oxigênio no
H2/kg de combustível)combustível
(kg de 0
2
/kg
de combustível)
fração de oxigênio no com
=
fração de enxofre no com
bustível (kg de S/kg de
c
o
m
b
u
s
tível).
Ja o poder calorífico inferior (PCI) serã calculado através da
equação:
Esta expressão é conhecida como formula de Dulong ou seja:
(Eq. 4)
f
ração de hidrogênio no
combustível (kg de H
2
/kg
de combustível)
=
fração de oxigênio no
combustível (kg de 0
2
/kg
de combustível)
=
fração de enxofre no cora
bustível (kg de S/kg de
combustível).
Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura
c) Método Empírico
Quando se dispõe apenas da
análise imediata dos combustí-
veis ou seja: umidade; matérias voláteis (V),
carbono fixo (C) e resíduo fixo, pode-se
estimar o
poder calorífico através da (Eq. 5)
PCS = 4 . 18(82 . C + aV)(KJ/kg)
(Eq. 5)
onde :
a é o coeficiente que depen
de da qualidade do combustível,ve
ja Quadro 4.
QUADRO 4 - Valores estimados de a
V
V + C a
0,05 150
0,05 145
0,10 130
0,15 117
0,20 109
0,25 103
0,30 96
0,35 89
0,40 90
2.2. COMBUSTÍVEIS SÕLIDOS
2.2.1. Lenha
Lenha é a madeira picada
ou desdobrada em pedaços de tamanhos
adequados para serem queimados ou
transformados em carvão.
A analise química elementar
mostra que a madeira é constituí
da aproximadamente de 50% de car
bono,, 6% de hidrogênio_e 44% de
oxigênio. Neste caso não se consi_
dera quantidades mínimas de nitro
gênio e outros elementos. Esta
composição se mantém mais ou me
nos constante, independentemente
da espécie, diferenças genéticas
ou idade, conforme Martins (15).
A lenha é formada por matérias
orgânicas que chegam a alcan
çar 3/4 do peso, pequena quantida de de
minerais (cinza) , que após a combustão
raramente ultrapassa 2% e quantidade
variável de água. 0 teor de umidade da lenha
recêm-cortada varia de 40 a 55% base tímida
e de 20 a 2 5% base úmida na lenha seca. 0
poder calorífico in ferior da lenha varia,
dependendo_ se do seu teor de umidade ,
confor_ me ilustra o apêndice I.
Um conhecimento do poten
cial e da versatilidade da madei
ra, como fonte de combustível, é
um pré-requisito indispensável á
analise econômica dos projetos
que envolvem a utilização da floresta para
a produção de energia.
Pode-se : enumerar as seguin tes
vantagens e desvantagens de) uso da lenha
como combustível:
As percentagens de: a) umidade (perda de peso da amostra quando aquecida durante uma hora a 105
C); b) matérias voláteis (mistura complexa de produtos que volati lizam, de uma amostra seca,
quando aquecida a 950 C durante cerca de 10 min., fora do contato do ar; c) carbono fixo, mistura de
carbono, hidrogênio, oxigênio,en xofre e nitrogênio que não são volatilizados na fase anterior mas
que são queimados na presença de ar a uma temperatura de 700 a 800 C; d) resíduo fixo - é a fa se
incombustível (cinzas).
Curso de Especialização por Tutoria a Distância
Vantagens:
. nós países em desenvolvi
mento ainda é o combustível mais
barato, tanto por tonelada quanto
por unidade de calor;
. mão-de-obra não-qualifica
da, gerando emprego e fixação do
homem no campo;
. armazenagem possível em
espaço livre e aberto;
. baixo teor de cinza e en
xofre.
Desvantagens
. exigência de muita mão-de
obra, elevando os custos nos pai-
ses onde os salários são altos;
. controle por instituições
como departamentos florestais, po
lícia, etc., necessitando planeja
mento para seu uso;
. fornecimentos irregulares,
tendo em vista as grandes quanti-
dades exigidas;
. poder calorífico inferior
ao dos combustíveis fósseis.
Planejando o Uso da Lenha
A utilização da madeira, ba-
seada exclusivamente no consumo
das reservas nativas, esta em
vias de ser encerrado.
A partir dos anos sessenta
ganha impulso a implementação de
maciços florestais, para produção
de madeira e seus subprodutos de
modo permanente. Esta transforma-
ção surgiu com a conscientização
da esgotabilidade daqueles recur-
sos. Criou-se assim, a indústria
de reflorestamento que se preocu
pou, na sua maioria, apenas em
participar de uma agressiva corri_
da na captação de incentivos fis-
cais, conforme Magalhães (13).
Uma das preocupações dos
consumidores de lenha é a garan-
tia de suprimento e a economia da
sua utilização. Para isto uma das
alternativas que se tem é a imple
mentação de pequenos refloresta-
mentos. Estes reflorestamentos,a-
lêm destas vantagens, têm a carac
terística de gerar empregos a se
rem implementados em terras mui-
tas vezes impróprias para a agri-
cultura, tais como encostas muito
íngremes e topo de morros, confor_
me Ribeiro (16) e Magalhães (13).
2.2.2. Carvão Mineral
É formado pela acumulação de
matéria orgânica submetida a trans
formações físicas e químicas devi-
do a processos geológicos. Confor
me as transformações ocorridas há
quatro tipos de carvões:
a) Turfa é o estágio ini-
cial de transformação; possui al-
to teor de voláteis e de umidade,
nas jazidas contêm 8 0 a 90% de
agua, que pode ser reduzida até
50 a 60% por prensagem; PCI =
16929 KJ/kg;
b) Linhito é o segundo está
gio de transformação; tem menos
voláteis e é mais denso do que a
turfa. Tem elevado grau de umida-
de 30 a 40% e PCI =16804 KJ/kg ;
c) Hulha é o terceiro esta-
gio de transformação é o mais im-
portante para fins industriais
PCI = 31392 KJ/kg;
d) Antracito é o último es-
tagio de transformação; tem bai-
xo teor de voláteis; PCI = 31016
KJ/kg.
2.2.3. Carvão Vegetal
É um produto obtido pela pi
rólise da lenha. Pesa cerca de
40% do peso da lenha. 0 alcatrão
liberado na produção do carvão te
PCI =27211 KJ/kg quando desumidi-
ficado .
2.2.4. Coque
É o resíduo obtido na desti
lação da hulha. Nesta destilação
eliminam-se parte dos materiais
voláteis e parte das cinzas. 0 I
der calorífico inferior do coque
é de 31400 a 33500 KJ/kg.
2.2.5. Resíduos Agrícolas
São aqueles obtidos após
colheita de produtos agrícolas
tais como: bagaço de cana, caso
Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura
de arroz, palha de arroz, palha
de café, sabugo de milho, etc.
Segundo Claar II (5), para
evitar a erosão e para manter a
fertilidade do solo são necessá-
rios de 36 a 50 % do total de resí
duos agrícolas produzidos. Para a
secagem seriam necessários por
volta de 15% do total de sabugos
produzidos ou 5% do total de resí-
duos produzidos em uma lavoura de
milho com produtividade media de
7,22 t/ha ou 2,4 t/ha de sabugo.
Não foram consideradas 4,5 t/ha
de resíduos, compostos pela plan
ta de milho. Calcula-se que 681
do total de sabugos produzidos se
riam suficientes para secagem doü
grãos e do próprio sabugo, alem
de gerar vapor para a produção de
álcool para uma mini-usina insta-
lada na fazenda, capaz de suprir
as necessidades de combustível li
quido para os tratos culturais.
Estimando-se o potencial de
produção de energia de alguns re-
síduos orgânicos chega-se aos va-
lores do Quadro 5, calculados a
partir dos valores publicados no
Anuário Estatístico do Brasil (8).
QUADRO 5 - Energia produzida por alguns resíduos orgânicos, 1980
Resíduo
Energia (10
10
KJ)
Palha de arroz Casca
de arroz Casca de
café Serragem de
madeira Bagaço de
cana
6128
2454
531
1868
44697
TOTAL
56678
Daquele total estima-se que
50% não e aproveitado. Sendo que
atualmente daqueles resíduos o ba
gaço de cana e um dos mais apro-
veitados, contribuindo para a eco
nomia nacional, em 1980, da ordem
de 27.839x10
10
KJ. Para se ter
uma idéia do quanto este valor re
presenta, no Quadro 6 estão amos-
tradas as necessidades energéti -
cas para a secagem dos principais
produtos agrícolas brasileiros
Sem duvida, é a etapa onde se tem
o maior consumo de energia por kg
de produto armazenado, podendo re
presentar até 40 a 50% do gasto
no processamento de alguns produ
tos .
Curso de Especialização por Tutoria ã Distância
QUADRO 6 - Energia necessária para
agrícolas brasileiros .
a secagem dos principais produtos
Produto
Produção 1980
(Ton.)
(1)
Energia para secar
1 tonelada
(10
3
KJ)
Energia para secar
produção de 1980
(10
10
KJ)
Arroz em casca
Feijão em grão
Milho em grão
Soja em grão
Trigo em grão
Café em coco
Amendoim em casca
9.775.720
1.968.165
20.372.072
15.155.804
2.701.703
2.122.391
482.819
1729
937
937
632
632
2082
1249
713
184
1908
958
1707
442
60
TOTAL
52.578.584
5972
(D
Fonte: Anuário Estatístico do Brasil, 1981 FIBGE (4).
Deste quadro vemos que são
necessários 5972x10
10
KJ para se_
cagem da produção brasileira de
arroz, feijão, milho, soja, trigo,
café e amendoim. Isto representa
apenas uma parte potencial da pa-
lha do arroz, da casca do arroz ,
da casca do café, da serragem de
madeira e da energia do bagaço de
cana daria para secagem de aproxi-
madamente 9,3 vezes a produção da_
queles produtos.
A título de ilustração pode_
mos estimar que 12,0% dos resí-
duos (casca e palha) da produção
de arroz daria para secagem do
mesmo.
Supondo neste caso:
a) 1 kg de resíduos produz
6270 KJ
b) são necessários 2.700 KJ
por kg de água evaporada do arroz
c) A eficiência de secagem
é por volta de 30%
d) 0 arroz será seco de 201
para 13% base úmida.
Os resíduos agrícolas como
vemos têm um grande potencial e-
nergético e o bagaço de cana já
contribui com parcela significati-
va no balanço energético do Bra-
sil .
0 Conselho Nacional do Pe-
tróleo baixou portaria proibindo
o uso de derivados de petróleo pa
ra a secagem de produtos agríco_
las no Brasil. Este fato aliado a
crise dos preços do petróleo moti
va o setor agrário a buscar fon-
tes alternativas de energia para
secagem.
E sabido que, dependendo do
caso, os resíduos tem aplicações
mais nobres, por exemplo para se
fazer estéreo ou placas de aglome
rado ou para se fazer papel. Con-
tudo , dependendo da situação, o
seu uso como vetor energético pol
deria ser mais econômico.
Um dos problemas que se tem
na utilização dos resíduos orgâni
cos para fins energéticos é o seu
manuseio. Há de se pesquisar, em
dois setores, para melhor eco-
nomia da utilização dos resíduos:
a) adaptar as fornalhas ao
tipo de combustível existente. Ja
existem modelos de fornalhas adap
tadas a queima de resíduos pulve
rizados ;
b) adaptar o combustível aos
tipos de fornalhas disponíveis.
Briquetagem é a operação ge
ralmente utilizada para recupera-
ção de combustíveis pulverizados
(finamente divididos) , e que por
isso seriam de difícil consumo
nas grelhas comuns. Recorre-se en
tão ao expediente de aglutinar
es-te material de forma a
fornecer blocos prensados,
possíveis de se
Fontes Alternativas do Energia -para a Agricultura
rem queimados (6).
A obtenção de briquetes po
de ser conseguida com um agluti-
nante estranho ao material combus
tível ou a custa de seu próprio"
poder aglutinante, se for o caso
(6). As substâncias aglutinantes
tem de atender aos requisitos de
baixo custo, baixo teor de cinzas
e alto poder calorífico. Alguns já
são utilizados, tais como:
a) goma de amido de mandio-
ca
b) resíduo de matadouro
c) breu
d) alcatrão de madeira, etc.
A briquetagem de carvão é
largamente utilizada e tem sido
estudada de longa data, contudo a
briquetagem de produtos agrícolas
só agora vem merecendo maior
interesse, haja visto a crise e-
nergética mundial.
2.2.6. Coque do Coco de Babaçu
0 babaçu e uma palmeira na
tiva do nordeste brasileiro. 0 co
co é formado por uma casca consti-
tuída de material fibroso de gran
de potencial energético. 0 coque
de babaçu tem o poder calorífico
inferior de 31768 KJ/kg.
2.3. COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS
Os principais combustíveis
líquidos são o álcool etílico, o
xisto e o petróleo com seus deri-
vados. 0 alto preço destes produ
tos e sua grande demanda em ou
tros setores fizeram com que o go_
verno brasileiro proibisse o uso
destes combustíveis na secagem de
grãos e outros produtos agrícolas.
2.3.1. Petróleo
É uma substância oleosa
constituída pela mistura de com-
postos orgânicos (hidrocarbonetos)
0 petróleo como sai do poço, quase
não tem utilização pratica ;por
destilação separam-se seus diver-
sos componentes, tais como: gaso-
lina, querosene, óleo diesel,fuel
oil , etc.
2.3.2. óleo de Xisto
É um 5leo semelhante ao pe_
troleo, obtido de algumas rochas
oleíferas chamadas "xisto".
2.3.3. Álcool Etílico
E um produto extraído de
várias plantas principalmente da
cana e da mandioca. Ao contrario
do petróleo, é um produto renová-
vel .
2.4. COMBUSTÍVEIS GASOSOS
É formado por mistura de
gases. 0 mais comum é o gás lique_
feito de petróleo (G.L.P.). 0
biogás utilizado em propriedades
rurais é formada pela fermentação
de resíduos orgânicos. Estes com-
bustíveis não são usados na seca-
gem de grãos pois o G.L.P. é sub-
sidiado pelo governo brasileiro
para uso na cocção de alimentos e
o biogás é produzido muito lenta-
mente através da fermentação.
0 gasogênio poderia ser usa.
do na secagem de grãos , se não
houvesse dificuldades na sua ob-
tenção. É um gás pobre produzido
soprando-se ar ambiente em uma
ca-mada de carvão incandescente;
pos
Curso de Especialização por Tutoria ã Distância
sui 5 2 a 55% de nitrogênio que
não é combustível, dai ser chamado de gás
pobre.
3. COMBUSTÃO
0 processo de combustão en
volve a oxidação dos constituin-
-
tes de um combustível que pode ser
oxidada. Pode ser representado por
uma equação química (reveja o mo-
dulo introdutório de química), e
durante o processo a massa de ca-
da elemento permanece constante.
Consideremos como exemplo a
queima do carbono (reação do car-
bono com o oxigênio) :
(reagentes) (produto)
Seja agora um combustível
constituído por hidrocarbonetos ,
onde o carbono (C) e o hidrogênio
(H) são oxidados:
Nota-se que alem de C02, á_
gua foi produzida no processo de
combustão.
Consideremos a combustão do
CH., agora com o ar, que é forma-
do por, aproximadamente 21% (por
volume) de Oxigênio e 79% de Ni-
trogênio.
Onde 3,76=79/21, significando que
para cada mol de oxigênio , 3,76
moles de N2 estão envolvidos.
A quantidade mínima de ar
que fornece oxigênio suficiente
para oxidação completa dos elemen
tos do combustível é chamada "ar
teórico". Quando a combustão é
feita com o ar teórico, não há
oxigênio nos produtos. Caso con-
trario pode haver. Por exemplo:
representa a combustão do CH. (me
tano) com 150% de ar teórico', ou
seja com 50% de excesso de ar.
A relação ar teorico-combus
tível é a relação entre a massa
(ou moles) de ar teórico e a mas
sa ou moles do combustível. É re"
presentada por AC. o seu recípro-
co, representado por CA é a rela-
ção combustível-ar.
Problema:
1) Faça a equação de combustão do
metano (CH.) com 120% de ar
teórico e calcule as razões AC
e CA.
2) Suponha agora a queima do CH.
com ar atmosférico com a aná-
lise dos produtos
como sendo:
Determine a equação da combus-
tão. Calcule AC e a percenta-
gem de ar teórico.
3) Estude num livro de termodinâ
mica ou de química o que é
"Entalpia de formação". Como
você poderia usar este concei-
to em combustão/combustíveis?
3. COMBUSTÃO*
Denomina-se combustão as
rea-ções químicas exotérmicas em
que intervêm o oxigênio,
produzindo calor em forma
aproveitável. Ale' do oxigênio e
do combustível é ne cessário que
este seja aquecido I ate a
temperatura de ignição. Por
exemplo, com um palito de fósforo
consegue-se queimar uma folha de
papel mas não se consegue que
*
Fonte: Andrade et alii (1).
Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura
um pau de lenha, pois a
tempe tura de ignição do
papel e mui-to mais baixa que a
da lenha. As
temperaturas de ignição de alguns
combustíveis, a nivel do mar
estão no Quadro 7.
QUADRO 7 - Temperaturas de ignição de alguns combustíveis
Carvão vegetal
Carvão mineral
Metano
Et ano
Monoxído de carbono
GLP
Madeira
Gás de gasogênio
340 a 400°C
400 a 500°C
640 a 750°C
470 a 630°C
640 a 655°C
500°C 300°C
700 a 800°C
A temperatura de ignição po
de ser definida como a temperatu-
ra na qual o calor gerado na rea-
ção é maior do que o calor perdi-
do para o ambiente e, assim, a
combustão pode ser mantida. A tem
peratura de ignição dos gasosos_,
são, geralmente, destilados e nao
inflamados antes da temperatura
de ignição ser alcançada. Ela de-
pende da pressão e do comburente
usado, isto é, ar ou oxigênio pu-
ro.
Estes três fatores: tempera
tura, oxigênio (comburente) e com
bustível, formam o "triângulo do
fogo" (Figura 3) ou seja, faltan-
do um deles não haverá fogo.
Combustível
FIGURA 3 - "Triângulo do Fogo" .
Elementos indispensáveis para
que haja fogo.
bustível com o ar é necessário que:
a) 0 ar e o combustível se
jam dosados numa proporção corre-
ta com pequeno excesso de ar;
b) o combustível e o ar se-
jam colocados em contato íntimo
(turbulência). Para isso é preci-
so que o combustível sólido seja
dividido em pedaços e o líquido
seja pulverizado;
c) o combustível e o ar dis
ponham de espaço e tempo para rea
lizar a combustão;
d) o combustível e o ar sejam
aquecidos ate a temperatura de
ignição.
Para que ocorra uma boa com
bustão é preciso que haja tempera.
tura, turbulência e tempo, que
são chamados os 3T da combustão .
Se a temperatura for inferior a-
quela de ignição a combustão nao
ocorrera, mesmo existindo ar em
quantidade suficiente. Grande tur
bulência provoca mistura violenta
do oxigênio com o combustível, re_
duzindo a chama e o volume de for-
nalha. Turbulência é fundamental
à combustão para que a queima se-
ja completa. E necessário tempo
para que o oxigênio encontre e
reaja com os gases combustíveis
na fornalha, e a combustão seja
completa.
3-1. REQUISITOS PARA UMA COMBUSTÃO
ADEQUADA
Para que ocorra uma boa com
bustao além de se misturar o com-
mar
CURSO de Especialização por Tutoria à Distância
3.2. CALCULO DO AR NECESSÁRIO,
COMBUSTÃO
Gravimétrico
queimar 1 kg
tível solido ou líquido e necessá
rio oxigênio, que pode ser prove-
niente do ar, de acordo com a E-
quação 6.
(Eq. 6)
Como o ar seco apresenta u
ma composição gravimétrica media
de 23,2% de oxigênio e 76,81 de
nitrogênio e uma composição Volu-
métrica media de 21.0% de oxigê-
ou
onde 1
,251 = densidade do ar (Kg/Nm
3
)
segundo KREITH (1)
=peso do
carbono, hidrogênio,
enxofre e oxigênio por
unidade de peso do
combustível,res-
pectivamente.
nio_e 79,0% de nitrogênio tem-se
então que o ar necessário para a
queima de 1 kg de combustível se
rã:
(Eq. 7)
Nm
3
de ar
"Tcg de comb
= quantidade de oxigênio do ar
necessário para a combustão
completa (kg de 0
2
/kg)
= quantidade de ar necessá-
rio para combustão completa
(kg/kg) ou (Nm
3
/Nm
3
).
b) Calculo Volumétrico
(Eq. 9)
0 ar necessário ã combustão
sofre modificações de volume com
a temperatura e pressão de acordo
com a Equação 11.
(Eq. 11)
onde :
P
1
,V
1
T
1
=pressão atmosférica,
volume e temperatura
nas condições normais. P,
V, T = idem nas condições de
trabalho.
3.3. 0 EXCESSO DE AR
Excesso de ar (n) na combus,
tão significa, ter mais ar do que
o necessário para a realização da
combustão completa, É calculado a
partir da composição química do
combustível. É necessário um ex-
cesso de ar na combustão para que
ela seja completa, pois assegura
uma mistura perfeita e íntima do
combustível com o ar, devido ao
curto espaço de tempo em que am-
bos permanecem juntos. A quantida
de de excesso de ar é variável Sl
do função de uma serie de fatores
tais como: tipo de combustível,
método de queima, temperatu-ra a
ser atingida na fornalha. Os
combustíveis sólidos são os que
mais exigem excesso de ar de 30 a
60° além da quantidade de al
necessária na combustão. Os com-
bustíveis líquidos exigem de 10 a
30% e os gasosos de 5 a 20% de
excesso de ar. O excesso de ar
po-de ser expresso por n, onde:
de combus
a)
Cálculo
Para
(
Eq. 8)
Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura
(Eq. 10)
O Quadro
8 mostra a variação do teor de
CO
2
nos gases de
combustão com o excesso de ar usa
do. Estes valores são úteis quan-
do se.deseja monitorar o excesso
de ar, analisando os gases de com-
bustao.
QUADRO 8 - Variação do C0
2
(n) nos gases de combustão da lenha
variação do excesso de ar. . . . .
com
Excesso de ar
(n%
)
o
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
CO
2 (%)
20,
2
18,4
16,8
15,5
14,4
13,4
12,6
1 1 ,8
1 1 ,2
10,6
10, 1
DOS PRODUTOS DA COM
Os produtos da
combustão são os gases e vapores
formados nas reações, os gases e
vapores desprendidos diretamente
do combustível, nitrogênio do ar,
oxigê nio do excesso de ar e
umidade do
ar
a) Gases e Vapores Formados nas
Reações de Combustão (GR)
Os produtos da combustão são
formados a partir das seguintes
reações químicas:
(Eq. 11)
(Eq. 12)
(Eq. 13)
n
3.4. CÁLCULO
BUSTAO
Curso de Especialização por Tutoria ã Distância
A par ti r destas equações é combustão, como estão ilustrados
possível calcular os produtos da nos exemplos abaixo.
ou
b) Gases e Vapores Liberados Diretamente do Combustível (GV)
(
Eq. 16)
ou
(
Eq. 17)
c) Nitrogênio do Ar
(
Eq. 18)
d) Oxigênio de Excesso de Ar
(Eq. 19)
e) Umidade do Ar (U) tir da umidade relativa, tempera-
tura do ar e pressão atmosféri-Varia
podendo chegar ate ca. 5% podendo ser calculada a par-
(
Eq. 20)
onde: A quantidade total dos pro-
U = umidade do ar dutos da combustão será:
UR = umidade relativa ambiente
CEq. 21)
Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura
3.5. TEMPERATURA DA COMBUSTÃO
3.5.1. Temperatura Teórica da Cha
ma
0 cálculo da temperatura
teórica da chama e feito na supo-
sição de que todo o calor presen-
te, no instante da queima do com-
bustível, seja utilizado apenas
para aquecer os produtos da com-
bustão. A suposição, evidentemen-
te, não é verdadeira porque uma
parte do calor é perdida por trans
missão de calor ao meio ambiente.
-
Apesar disso os princípios de cal
culo são muito instrutivos, e os
resultados encontrados, de grande
valor para comparação entre os
diferentes combustíveis na deter-
minação dos efeitos do excesso de
ar, do pré-aquecimento do ar, etc.
sobre a temperatura a ser alcança
da numa combustão.
A energia presente na zona
de combustão é constituída pelas
seguintes parcelas:
a) energia potencial do com
bustível (CO levando em conside-
ração o poder calorífico inferior
do combustível ;
b) Calor sensível do combus
tível (O
2
),
c) calor sensível no ar uti-
lizado na combustão (Q
3
)
sob forma:de calor sensível (Q )•
assim tem-se: 4 '
(Eq. 22)
Tem-se também que:
onde
:
mc =quantidade de combustível
queimado (kg/s)
m=quantidade de ar real uti
ar —
lizado (kg/s)
PCI = ooder calorífico inferior
do combustível (KJ/kg)
C = calor específico do com-
pc
bustível (KW/kg°C)
C = calor específico do ar
(KW/kg°C)
C - calor específico dos pro-
dutos da combustão (KW/kg CO
T = temperatura ambiente ( C)
T * temperatura do combustí-
vel antes da combustão ( C)
T = temperatura do ar de en-
trada (°C)
T = temperatura teórica da cha
ma (°C)
após substituição tem-se:
Os produtos de combustão a-
pós esta zona, contêm a energia
A temperatura teórica de
chama também pode ser calculada a-
través da Figura 4, desde que se
saiba o excesso de ar e a capaci-
dade do gás de combustão.
Curso de Especialização por Tutoria à Distância
Temperatura dos gases de combustão
FIGURA 4 - Curvas usadas no calculo da temperatura teórica da chama.
3.5.2. Temperatura Media da Câma-ra de
Combustão
Pode-se calcular a temperatura media
da câmara de combustão graficamente como
se segue.Em pri-
meiro lugar deve-se conhecer a
superfície de aquecimento F ex-
posta a radiação, conhecendo-se a
temperatura teórica da chama, co-
mo foi calculada no item 2.5.1.
assim:
(Eq. 28)
onde :
F superfície de aquecimento
s
exposta, a radiação (m
2
) S
= radiação térmica (Eq. 26)
(KW/m
2
) T = temperatura
média da câma-
ra de combustão ( C) T =
temperatura teórica da cha.
ma (°C) T = temperatura
da parede da
fornalha ( C) m
=quantidade de combustível .
(kg/h) Q = quantidade real
dos gases
de combustão (Nm
3
/kg) C = calor
específico dos gases de
combustão a pressão cons-
tante (KJ/°CNm
3
).
0 primeiro termo significa
Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura
o calor absorvido pela câmara de
combustão e o segundo o calor ce-
dido pelos gases de combustão.
Os valores de F , T, m. Qa
são invariáveis para um dado esta.
do, supondo C constante, apenas
S e T serão variáveis. Tomando
m valores de S e T traçam-
se as
curvas da Figura 5 , onde a inter_
cessão das curvas fornece a tempe
ratura media da câmara de combus-
tão .
Exemp]o - Dados:
Traçando as curvas da Figu-
ra 5,. com valores de
e
tem-se a temperatura media da
chama de 1230°C.
FIGURA 5 - Temperatura media da câmara de combustão obtida com valores
de
Curso de Especialização por Tutoria ã Distância
Passemos agora a estudar o texto
abaixo de Diniz (7).
4. COMBUSTÃO DA LENHA*
4.1. INTRODUÇÃO
Uma caldeira é tão boa quan
to a sua fornalha. Toda a técnica
de uma caldeira repousa sobre as
condições ideais de combustão ,
pois em geral temos, em qualquer
caldeira, uma zona de radiação e
outra de convecção. Porem, uma
verdade é comum a todas elas:
Transformar na câmara de
combustão os combustíveis em ga-
ses de combustão. Em outras pala
vras , buscar obter gases que per-
mutam seu calor com a água que
vai-se evaporar.
Apesar de termos o mesmo
fim os meios são bem diferentes.
Sempre se atribui a uma boa
combustão a condição de se ter 3T,
isto é: Turbulência, Tempo, Tempe
ratura.
A Turbulênciase refere a
uma íntima combinação do oxigênio
com o combustível . e a turbulên-
cia propicia esta condição. Nos
combustíveis líquidos e gasosos ,
esta situação é facilmente atingi-
da pela atomização. Nos combustí-
veis sólidos em estado de pó ou
muito subdivididos, tal como o
carvão pulverizado, serragem, cas
ca de arroz, etc., também pode-se
atingir tal turbulência. Nota-se
que o excesso de ar requerido pa-
ra a combustão é decorrência des-
ta condição. Voltaremos a este
ponto oportunamente.
0 Tempo se refere a duração
desta combustão, ou seja, o tempo
de permanência ou residência na
fornalha. A palavra fornalha tem
aqui o sentido amplo de lugar ou
espaço onde se inicia e se
completa a combustão. Uma partícu
la de combustível atingirá a to-
tal combustão se permanecer tem-po
suficiente em contacto com o
oxigênio, o que lhe permitira com
pletar a combustão, isto é, quê
todos os seus elementos combustí-
veis (carbono, hidrogênio, enxo-
fre, etc.), se transformem em ga-
ses de combustão.
A Temperatura tem aqui o
significado que se pode considerar
bem amplo, pois a uma baixa tempe
ratura a combustão não ocorre e a
uma temperatura muito elevada po-
demos ter a fusão das cinzas. A
temperatura é mais importante na
transmissão de calor, constituin-
do-se' em parâmetro de relevante
papel no dimensionamento da câmara
de combustão e da zona de con-
vecção da caldeira.
A título de ilustração, na
Tabela I relacionamos alguns com-
bustíveis e suas temperaturas de
ignição, que é a temperatura em
que mais calor é gerado na reação
do que é perdido no meio ambiente
e então a combustão se auto-sus-
tenta. Abaixo desta temperatura a
combustão nao se realiza. Em caso
de combustão de certos gases po-
bres , o projeto da câmara se tor-
na crítico pela manutenção defuma
temperatura mínima de combustão,e
isto é conseguido queimando-se
quando se opera em carga baixa,um
combustível auxiliar.
Existe uma relação entre o
tempo e a temperatura, porque a
velocidade da chama aumenta com ar
temperatura, mas este assunto fo
ge ao escopo deste trabalho.
Fonte: Diniz(7).
Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura
TABELA I - Ponto de inflamação em C
Turfa (seca) : .................... 225
Enxofro: ......................... 24 3
Lignita (seca): .............. .. 250-450
Querosene: ..................... 255-295
Gasolina: ....................... 260-427
Madeira (seca) : .................. 300
Carbono Fixo - Carvão BIT.: .... 410
Carbono Fixo - Semi BIT.: .... 470
Acetileno: ......... .......... 485
Carbono Fixo - Antracltico: .... 500
Óleo: ............................ 530-580
Gás de Coqueria: ................................... 550-650
Hidrogênio:..................................................... 610
Monóxido de Carbono:................................ 655
Coque: .......................... 700
Gás de Gasogênio: ............... 700-800
Gás de Alto-Forno: .............. 700-800
4.2. COMBUSTÃO DA LENHA
Para se atingir os 3T se di
mensiona uma fornalha assumindo
compromissos que permitam otimi-
zar cada T envolvido.
Deixaremos de comentar fato_
res que possam influir na decisão
em se queimar lenha, a não ser os
econômicos e os técnicos.
Na Tabela II estão indica-
dos todos os dados importantes na
combustão da lenha, no que tange
aos aspectos físicos e químicos. é
dada uma analise típica que será
usada neste trabalho. Desta tabe-
la tiramos a análise química, o
C0
2
máximo, os podêres calorífi-
cos e o ar teórico de combustão.
TABELA II - Dados típicos da le
nha seca
Carbono - - - 50,30%
Hidrogênio - - 6,20%
Oxigênio - - 4 3,0 8%
Nitrogênio - - 0,04%
Cinzas - - - -0,37%
PCS ------ 5083 kcal/kg
PCI______ 4755 kcal/kg
Ar Teórico - - 6,0 67 kcal/kg
CO
2
, máximo - - - 20,02%
2
Estes elementos são carac
terísticos do combustível, e é a
partir deles que são feitos todos
os demais cálculos de combustão e
transmissão de calor.
Por uma questão de clareza
são mostradas, a seguir, algumas
figuras que ilustram de maneira
inquestionável o que se passa com
a lenha quando a umidade se modi-
fica. 0 primeiro retângulo ilus
tra a análise da lenha seca e o
segundo a lenha contendo 40% de
umidade.
FIGURA 1 - Lenha seca
FIGURA 2 - Lenha com 40% de úmida
de .
As figuras dão uma obvia in
dicação do que ocorre quando se-
introduz "umidade" num combustível
. Se chamarmos de U% a umidade
contida em um combustível, todos
os seus elementos serão reduzidos
de
inclusive o PCS.
Quando se refere a Poder Ca
lorífico, temos a distinguir o sü
perior (PCS) e o Inferior (PCI)
Por PCS entendemos a totalidade
do calor liberado na combustão e
PCI a mesma quantidade de calor
deduzido o calor que o combustí-
Curso de Especialização por Tutoria a Distância
vel usa para vaporizar a sua pro
pria umidade, bem como a umidade"
resultante da combustão do hidro
gênio.
No caso do primeiro retân-
gulo, temos que a diferença entre
PCS e PCI é de 32 7 kcal/kg. Esta
diferença foi absorvida para vapo
riz.ar a água resultante da combus
tão dos 6,2 % de hidrogênio, isto
-
é: (9x 6,2)/100 = 0,5 58 kg de água
por kg de combustível, o que da:
0,558x586-327 kcal/kg. 0 número
586 representam a quantidade de
calor necessária para aquecer a
agua, vaporiza-la e superaquece-
la. Ou, em outras palavras, é o
calor cedido pela condensação da
agua contida nos produtos da com-
bustão a 16 C.
No segundo retângulo, tere-
mos uma adição de agua (40%) e
uma redução do teor de hidrogênio
para :
Assim sendo, os gases de
combustão conterão: 0,40 de agua
da umidade adicionada mais
(9x3,72)/100=0,335 de água do
hidrogênio.
TOTAL =0,7 35 kg/kg
Esta é a água contida nos
gases , logo , a redução do Poder
Calorífico Superior é:
586 x 0,735 = 430 kcal/kg
Mas, com a redução do carbo_
no e do hidrogênio o PCS se tor-
nou :
= 3050 kcal/kg e, por conse
guinte, o inferior e:
PCI = 3050 - 430 = 2630 kcal/kg.
Este caminho foi seguido por
questão de clareza, mas para os
casos correntes , poderemos usar a
Tabela III que inter-relaciona os
PCS e PCI para as mais variadas
condições.
T
ABELA
I
II
-
Conversão de poder
calorífico
PCSS = PCS Seco II - % Hidrogênio / 100
PCSU PCS Úmido U =% Umidade /100
PCIS = PCI Seco Nota: K= 9H (1-U)+U
PCIU = PCI Úmido
Conhecidos PCSS e U
PCSU = PCSS (1-U)
PCIU = PcSS (1-U)- 586 K
PCIS » PCSS - 586 K
Conhecidos PCSU e U
PCSS - PCSU/(1-U)
PCIU = PCSU - 5 86 K
PCIS = PCSU/1 - U - 586x9xH
Conhecidos PCIU e U
PCSU = PCIU + 586 K
PCSS = PCIU/(1-U)1+ |586/(1-U)I K
PCIS = (PCIU + 586U)/(1-U)
Conhecidos PCIS o U
PCSU = PCIS (1-U) + 586x9xH(l-U)
PCSS = PCIS + 586x9xH PCIU =
PCIS (1-U)- 586U
Em combustão a lenha,
gera] mente, temos apenas
Carbono (C), Nitrogênio (N) ,
Oxigênio (0) , Hi-drogênio (H) e
Enxofre (S) ; conforme pode ser
depreendido da Tabela IV que
relaciona diversas a-nãlises de
lenha.
TABELA IV - Analise de lenha seca
-
%
Cedro Cipreste Pinho Carvalho
Médi
a
C 48,80 54,9 8 25,55 49,49 51,4
6
II 6,37 6,54 6,03 6,62 6,4
0
0 44,46 38,08 41,25 43,74 41,8
8
s
- - - - -
N
- - - - -
Cinza 0,37 0,4 0 0,12 0,15 0,
2
PCS 4667 5 4 84 4944 4823 -198
0
PCI 4322 5130 4616 4 665 4 683
CO
2
má x
20,2 19,5 20,2 19,9 20,
0
Assim sendo, os dados
cons
Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura
tantes da Tabela II são os únicos
que nos interessarão neste traba-
lho.
Para que este trabalho seja
mais completo sao dadas, mais as
seguintes tabelas: Tabela V - Ar
e produtos de combustão; Tabela
VI - PCS e PCI; Tabela VII - C0
2
e Excesso de ar.
TABELA V - Ar e produtos de com-
bustão
Kg/Kg Produtos Kg/Kg
02 AR
co
2
H
2
O
N
2
SO
2
Carbono
Hidrogênio
Enxofre
2, 6 7
8,00
1,00
11,49
34,48
4,31
3,67
9,00
8,02
26,48
3,31
2,00
Estamos saindo da época on
de a maior parte das caldeiras in
dustriais usava óleo como combus-
tível. Por esse motivo, são dadas
algumas tabelas quo permitirão,no
desenvolver deste trabalho, a com
paração dos desempenhos das cal-
deiras com lenha c com óleo.
Assim, apresentamos na Tabe_
la VIII, os dados típicos para o
óleo.
Nos cálculos de combustão
sempre recorremos a quantidade de
gases, e então c oportuno oferecer
algumas expressões que fornecerão
as quantidades de ar, de á-gua, de
C0
2
, etc. Declinamos da
demonstração destas formulas para
não sobrecarregar este trabalho.
Em primeiro lugar são dadas as
que calculam os pesos, sempre por
unidade de peso de combustível
TABELA VI - Variação dos podêres
caloríficos com a umidade da
lenha.
Umidade %
PCS
Kcal/Kg
PCI
Kcal/Kg
0
50 83 4756
10
4 575 4 221
20
4067 3687
30
3558 3153
40
3050 2619
50
2542 2085
60
2033 1551
70
1525 1016
80
1017
482
90 508 .
TABELA VII - Variação do C0
2
com
o excesso de ar da lenha.
Excesso de ar %
C0
2
•
0 20,2
10 18,4
20 16,8
30 15,5
40 14,4
50 13,4
60 12,6
70 11,8
80 11 ,2
90 10,6
100 10,1
TABELA VIII - Dados típicos
óleo .
Carbono 84.00 % PCS 10445 Kcal/Xg
H
idro
g
ênio
1
2.70
%
PCI = 9886
K
cal/K
g
O
xi
g
ênio
1
.20 % Ar Teórico 14
Kg
/K
g
N
itrogênio
1
.70 % C02 Máx.: 15,5 2
Enxofre 0,40
%
LEGENDA:
C % em peso de Carbono
H % em peso de Hidrogênio
0 % em peso de Oxigênio
S% em peso de Enxofre
N % em peso de Nitrogênio
X I de excesso de ar/100
U I de umidade de combustível/100.
Em peso (kg por kg de combustível)
Vapor D'agua
WH = 911(1 - U) + U (2-02)
Gases Secos
(2-03)
(2-04)
d
o
Curso de Especialização por Tutoria à Distância
% Água
(2-05)
Em volume
(m
3
N por kg de combustível)
Ar total
Vapor d'água
VH = 11,19H (1-U) +1,244U (2-0 7)
Gases Secos
Gases Totais
(2-09)
(secos sem ex
cesso) (2-10)
(secos com ex
cesso)(2-11)
(úmido com
excesso) " *
Passamos então uma rápida
revista em todos os parâmetros que
necessitamos, para iniciarmos o
estudo propriamente dito da
combustão a lenha.
4.3. TEMPERATURA DA COMBUSTÃO
Se queimarmos um quilograma
de combustível em uma . fornalha
perfeitamente isolada, todo calor
originado desta combustão será
utilizado para elevar a temperatu
ra dos gases de combustão a um
valor conhecido como temperatura
teórica de combustão (T ).
Como já comentamos, o PCI
será o único que contribuirá pa-
ra se atingir esta temperatura,
pois, o PCS usará parte de sua
energia para a transformação da
água contida no combustível ou
formada pela queima do hidrogênio
Se chamarmos de io a ental-
pia dos gases de combustão, ou
em linguagem mais pratica, o ca-
lor total contido em WG kg de ga
ses , teremos:
(3-01)
Para
exemplificar, se usarmos a nossa
Tabela I teremos:
PCI = 4755 kcal/kg
WA = 6,067 kg/kg
Este WA= 6,067 e o teórico
sem excesso de ar, e, se fizermos
X=0,4, isto é 40% de excesso de
ar e U = 0%, os gases totais serão:
Com base na análise dos ga
ses, e tabelas das constantes dos
gases, obtemos: (ver Tabela IX)
TABELA IX - Entalpia dos gases de
combustão de lenha
Temperatura
Tc °C
Entalpia
Kcal/Kg
700 195
800 225
900 258
1000 292
1100 319
1200 358
1300 392
0 mesmo cálculo, porem com
lenha úmida com 40% de umidade for
nece:
Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura
Da tabela VI temos
2620 kcal/kg logo:
Esta entalpia
fornece
Note-se que a umidade bai-
xou de 200 C a temperatura dos ga
ses,.0-que significa termos menor
temperatura na fornalha, isto e ,
menor transmissão de calor por ra
diação também.
Na Tabela X damos as tempe-
raturas reóricas de combustão
cal-culadas para os diversos
teores" de umidade da lenha.
TABELA X - Temperatura teórica de
combustão da lenha
u
%
PCI
Kcal/Kg
WG
Kg/Kg
To
°C
0 4756 9,50 1620
10 4221 8,64 1580
20 3687 7,80 1540
30 3153 6,95 1490
40 2620 6,10 1420
50 2085 5,25 1320
60 1551 4,40 1190
70 1016 3,55 990
No caso do óleo, com os da
dos da Tabela VIII, e com excesso
de ar de 20%, obtemos:
VG= 14,0 x 1,2 + 1 = 17,8
Vemos então que a lenha u-
sualmente encontrada nas fornadas
tem um enquanto que o
óleo tem
isto é 430 C
a mais de temperatura.
4.4. ABSORÇÃO NA FORNALHA
Nas fornalhas industriais as
temperaturas são inferiores á
teórica porque sempre ha perdas de
calor e absorção de calor pelos
tubos ou paredes de água das
câmaras de combustão.
Esta absorção de calor varia
com a quarta potência da tem-
peratura da chama, de modo que se
uma chama tem 1000°C e outra tem
1100 C, a diferença da absorção é
de 46% a mais. Aí esta a razão da
importância que se da à temperatu
ra da chama bem como de tirar o má
ximo proveito desta absorção ele-
vada nas superfícies de aquecimento
expostas a radiação na forna-
-
lha.
A absorção em uma fornalha
pode ser dada aproximadamente pe-
la expressão:
ou, para os casos práticos
(t = 220°C):
Onde:
SA = superfície de aquecimento
exposta a radiação em m
2
. Tc =
temperatura da saída dos
gases da fornalha °C t =
temperatura da parede dos tubos
C. HABS = calor absorvido por
radiação kcal/h.m
z
.
Quando esta presente uma
certa superfície de aquecimento
SA. . na fornalha, sendo a absor-
ção de calor dada por HABS, o pe-
so total dos gases quando se quei
ma WF kg/h de combustível WF.WG,o
balanço térmico se obtém como se-
gue: WG . WF . io = ic . WG.Wf + HABS
(4-03)
(4-04) ou ainda
(4-05)
Curso de Especialização por Tutoria ã Distância
Esta formula fornece a tem
peratura de saída Tc, que é obtida
por tentativas, pois admite-se um
certo Tc c calcula-se HABS e
obtêm-se ic. Entra-se na Tabela
IX e recalcula-se a temperatura .
A Tabela IX foi calculada para a
combustão da lenha com 40% de ex-
cesso de ar e 40+ de umidade.
Exemplo com apenas duas ten
tativas para que este trabalho
não se estenda:
SA=10.m
2
Tc = 1000ºC - (1ª tentativa)
WF = 700 kg/h
WG=6.1 kg/kg e PCI - 2620 kcal/kg.
Temos:
HABS = 1026840 kcal/h. (formula 4-
02)
ic = = 189 kcal/kg
(formula 4-05)
Com a Tabela IX: Tc= 680°C
2ª tentativa: Tc = 900°C
HABS = 733670 kcal/kg
e 258 kcal/kg
o
da Tabela IX: Tc = 900 C.
Se reescrevermos a formula
(4-05) chamando h-HABS/SA, tere-
mos ,
(4-06)
Com auxílio desta fórmula
poderemos estabelecer, para diver
sos valores de WF/SA, isto e, pa-
ra diversos valores da quantidade
de combustível por metro quadrado
de superfície de aquecimento, as
correspondentes temperaturas de
combustão.
Assim chegamos ã Tabela XI
que foi elaborada mantendo cons-
tantes todos valores da fórmula
(4-06) variando apenas a relação
WF/SA. A primeira coluna da tabela
foi obtida multiplicando-se a
relação WF/SA pelo PCI e e dado
pratico de muita significação pois
expressa a carga técnica na forna
lha em kcal/m
2
.h. Pela tabela
pode-se inferir que a temperatura
na câmara será tão maior quanto
menor a superfície de aquecimento
e assim podemos obter a temperatu
ra quo quisermos na câmara para
se ter o desempenho correto da
fornalha.
TABELA XI - Temperatura de combus_
tão da lenha
WF.PCI
Kcal/m
2
.h
WK/S.A
Kg/m
2
-.h
Tc °C
■ 50000
20 685
100000
40 810
200000
80
94 0
300000 3 20 1015
400000
160
1065
500000
200
1120
Para ilustraçãoe compara-
ção, foi elaborada a Tabela XII,
que é a mesma anterior, porém, ba
seada em óleo combustível com 20%
de excesso de ar. Os dados das
Tabelas XI e XII serão usados
quando compararmos os desempenhos
das caldeiras a óleo e a lenha.
TABELA XII - Temperatura de
bustão de óleo
WF.PCI
Kcal/h.m
2
Tc °c
WF/S./v
Kg/m2..h
100000 830 10
200000 980 20
300000
1075 ■ 30
400000
1140
40
500000
1190
50
600000
1220
60
4.5. RENDIMENTO TÉRMICO
Para finalizar os aspectos
gerais quenos darão as bases para
as discussões das caldeiras quei_
c
o
m
-
Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura
mando lenha, tocaremos em dois
pontos importantes que são o ex-
cesso de ar e a umidade nos com-
bustíveis, e seus reflexos no
rendimento térmico.
Para que não surjam duvidas
quanto a validade de se usar
rendimento térmico baseado no PCS
e no PCI, damos a seguir sua in-
ter-relação que rápida e facilmen
te nos permite trabalhar com um
ou com outro.
0 calor produzido na caldei-
ra Ho é a fração utilizável do ca
lor desenvolvido na fornalha. Se
chamarmos de Hi o calor desenvol-
vido na fornalha e R.T o rendimen
to térmico teremos:
Ho = Hix (RT/100) (5-01)
Mas o calor desenvolvido é
dado pelo produto da quantidade
de combustível queimando (WF) , pe_
lo poder calorífico. Como temos
PCS e PCI, teremos um calor desen
volvido superior (bruto) Hib, e
um calor desenvolvido inferior
(líquido) Hil:
Hil = PCI x WF (5-02)
Hib =PCS x WF (5-03)
Como o calor produzido Ho
depende de RT e de Hi, teremos:
Ho = RTSx PCS x WF/100 (5-04)
ou
Ho = RTI x PCI x WF/100 (5-05)
Igualando e simplificando
(5-04) e (5-05):
RTI x PCI = RTS x PCS (5-06)
Por conseguinte, os "rendi-
mentos térmicos multiplicados pe_
los respectivos podêres calorífi-
cos são constantes; com isso tere_
mos:
(5-07)
Por questão de preferência
do autor deste trabalho, os cálcu
los serão executados no PCS, os
resultados convertidos pela rela-
ção acima.
Para se calcular o rendimen
to térmico temos dois principais
procedimentos: o estimativo e o
real. Chamamos de estimativo aque
le obtido calculando-se as perdas
na chaminé e atribuindo-se valores
as perdas de cinzas, radiação,
etc. O real é obtido pelas medi-
ções do consumo de combustível e
do calor produzido que são os úni_
cos elementos reais de uma caldei
ra.
a) Rendimento Térmico Estimativo:
Para tal deverão ser conhe-
cidos ou estimados os seguintes e
lementos:
. Temperatura de saída dos ga-
ses - Tg°C . Temperatura ambiente
- taºC . Percentagem de C0
2
. Poder calorífico PCS ou PCI
kcal/kg . Umidade:do
combustível - % . Ar teórico de
combustão - WA kg/k . Produção da
caldeira-Ho kcal/h.
As perdas na chaminé sao
calculadas pelas expressões:
PGS = WGS x 0,24(Tg - ta)kcal/kg (5-08)
PH = MIx (565 + 0,48 Tg)kcal/kg (5-09)
As perdas totais são a soma
das perdas acima. Além destas per
das temos radiação com cerca . de
2,5% e uma margem do fabricante
de 1,51.
Para simplificar os cálcu-
los apresentamos algumas tabelas
que dão os valores calculados pa.
ra os casos da pratica.
Curso de Especialização por Tutoria a Distancia
TABELA XIII - Rendimento Térmico PCS (lenha)
Tg
Gas
% Umidade na Lenha
°c
0 10 20 ■30 40 50 60 70 80
200 81,4 80,0 78,1 75,8 72,7 68,4 61,9 51,1 29,4
225 30,2 78,7 76,9 74,5 71,4 67,0 60,4 49,3 27,3
250 79,0 77,5 75, 7 73,3 70,0 65,6 58,8 47,6 25,2
275 77,8 76,3 74,4 72,0 68,7 64 ,1 57,3 45,9 23,0
300 76,6 75,1 73,2 7 0,7 6 7,4 62,7 55,7 44,1 20,9
325 75,5 73,9 71,9 69,4 66,0 61,3 54,2 42,4 18,8
350 74,3 72,7 70,7 68,1 64,7 59,9 52,7 40,7 16,7
Conhecidos
TRS.
Exemplo:
Pela Tabela VII obtemos x
50%.
RST=
RTI -
TABELA XIV - Rendimento Térmico:
(Óleo)
Excesso Ar = 20% Perdas Div = 4%
Temperatura
°C
Rendimento
% PCS
Rendimento
% PCI
Kg/vapor
Kg/óleo
200 82,1 86,8 14,13
225 •81,1 85,6 13,95
250 80,0 84,5 13,77
275 78,9 83,3 13,58
300 77,8 82,2 13,39
325 76,7 81,0 13,20
350 75,6 79,9 13,01
375 74,5 78,7 12,82
•400 73,4 j 77,6 12,62
Nota: RTI
Nota: 0,71 é o decréscimo
para 10% mais que os 401 de
excesso de ar usado para
elaborar a tabela.
Conhecidos: CO
2
e Tg obtemos RT.
Exemplo: Tg = 325°C e CO
2=
12,71
donde X =20% (tabela XV)
Então: RTI = 81.00
RTS = 76,71
TABELA XV - Variação das perdas e
do C0
2
com o excesso de ar
(oleo)
Excesso Ar-% CO
2
%
Perdas % (PCS)
(250°C)
0
15,5 14,6
10
13,9 15,3
20
12,7 16,0
30
11,7 16,7
40
10,8 17,4
50
10,0 18,1
60
9,4 18,9
70
8,9 19,6
80
8,3 20,3
90
7,9 21,0
100
7,5 21,7
temos
t
a
-
27ºC
Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura
Conhecendo C0
2
obtemos
perdas e o excesso de ar.
Exemplo: Pela
tabela:
Perdas
X
TABELA XVI - Perdas de umidade e
de excesso de Ar-Lenha
Perdas de Unidade p/
Qualquer Excesso Ar
Perdas de Excesso Para
Umidade = 40 %
U%
Perdas %
X%
Perdas %
0 7,5 0
6,8 -
10 9,0 10 7,5
20
18,9
20 8,1
30
13,3
30 8,8
. 40 16,5
40 9,4
50
21,0
50
10,0
60
27,7
60
10,7
70
39,0
70
11,3
80
61,4
80
12,0
87
97,7
90
12,6
100
13,2
Exemplo:
Umidade U=40% (com Tg= 250°C)
Excesso de ar X = 50% Perdas
pela umidade Perdas pelo
excesso
Perdas totais
Esta tabela tem a intenção
de salientar a variação das per-
das de umidade e do excesso de ar
em caldeiras queimando lenha.
Quando a Tabela XIII é uti-
lizada para outro excesso de ar
que o de 40%, a Tabela XVI forne-
ce a correção para outro excesso
de ar.
Exemplo:
Excesso de ar real: X= 50%
Excesso pela tabela XIII: X = 40%
Perdas com X = 50% = 10,1
Perdas com X = 40% =
Variação +
No exemplo da Tabela XIII es
te valor foi usado para reduzir o~
R.T.
b) Rendimento Térmico Real:
Conforme vimos anteriormen-
te pela formula (5-01),a produção
da caldeira é igual a quantidade
de vapor produzido e multiplicado
pela diferença entre o calor do
vapor e da água de alimentação,en
tão :
Ho = E x dl kcal/h (5-08)
Chamando de Iv o calor do
vapor que e obtido das tabelas de
vapor, e da Ia o calor da água de
alimentação, teremos:
dl = Iv - Ia kcal/kg (5-09)
Lembrando que de acordo com
(5-03) o calor desenvolvido é o
produto da quantidade de combustí
vel WF pelo seu PCS, teremos com-
binando as;formulas:
donde se tira:
(5-11) ou
ainda:
(5-12)
Assim o RTS é facilmente ob
tido pela fórmula (5-12) conhecen
do-se:
E = Evaporação - kg/h Iv =
Calor do vapor - kcal/kg Ia =
Calor de água - kcal/kg
PCS=Poder calorífico superior
kcal/kg.
Seja uma caldeira onde ao
medirmos a quantidade de água gas
ta (que é a mesma que a evapora-
-
da) obtivemos 6000 kg/h e queima-
mos 1700 kg/h de combustível com
a
s
Curso de Especialização por Tutoria a Distância
um PCI = 2620 kg/kg; a pressão de vapor e de 8
kg/cm e a temperatu ra da água 60 C.
Teremos então:
E - 6000 . WF = 1700 PCI = 2620 . Iv = 662
kcal/kg Ia = 60 kcal/kg ( = temperatura de
60°C)
A Tabela XVII foi elaborada
mantendo-se constante a
relação
para a pressão de 8 kg/cm
:
água de 60°C e PCS = 3050 kcal/h e
lenha com 401 de umidade.
TABELA XVII - Kg de Vapor por Kg de Lenha.
Tg
% do Umidade da Lenha
°C
0 10 20 30 40 50
6 0
70
200
225
250
275
300
325
350
G,82
6,72
6,62
6,52
6,4 2.
6,32
6,22
6,0.
3
5,94
5,85
5,75
6,66
5,57
5,24
5,15
5,07
4,9 9
4,90
4,82
4,7 4
4,45
4,37
4,30
4,22
4,15
4,07
3,99
3,6 6
3,59
3,52
3,45
3,39
3,32
3,25
2
,87
2
, 81
2
,75
2
,69
2
,63
2
,57
2,51
2
,08
2
,02
1
,97
1
,92
1
,87
1
,82
1,77
1,28
1,24
1,20
1,15
1,11
1,07
1,02
Nota: Pressão: 8,0 Kg/cm
2
Temp. água: 60°C
Excesso ar: 401
Perdas div. A%
Trata-se de um processo sim
ples de se obter o RTS, uma vez
que se conhece a temperatura dos
gases, ou a relação entre a evapo_
ração e o consumo de lenha WF.
Note-se que o RTS obtido já
esta corrigido com 4% de perdas e
se aplica com 40% de excesso de
ar.
A figura 3 ilustra o balan
ço térmico que conduziu as formu-
las acima.
Entrando: Combustível - WF x PCS
Água - E x Iâ
Saindo: Vapor -
Gases -
FIGURA 3 - Balanço Térmico
-
81,1 %
Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura
4.6. CONVERSÃO DE COMBUSTÍVEL
Ja podemos começar as dis_
cussões praticas a que se propõe
este trabalho. Para tornar claro
o que ocorre numa caldeira quei-
mando óleo, quando é convertido
para queimar lenha, passaremos a
um exemplo prático de uma caldei-
ra de 4000 kg/h. Escolhemos este
tamanho por ser este trabalho des
tinado a unidades industriais, e
este é o tamanho mediano.
Dados Gerais: Evaporação: Pressão de
trabalho: Temperatura do vapor:
Temperatura da:lenha: Temperatura
ambiente:
Problema:
Converter para lenha.
Trata-se de uma caldeira ,
com fornalha circular interna com
diâmetro de aproximadamente 700mm
e comprimento 3.400 mm, o que dá
uma SA. da fornalha de 7,5 m
2
on-,
de se realiza a combustão, com um
volume de 1,31 m
3
.
A quantidade de calor desen
volvida e de: Hil = PCI.WF - 9886 x 292,2
= 288900 kcal/h
A relação WF/SA dá 39 kg/cm
2
h
de combustível, por superfície de
aquecimento, e isto fornece uma
temperatura de combustão de cerca
de 1140 C.
Levando este valor na expres^
são (4-02) , teremos a absorção na
fornalha: HABS = 157100 x 7,5 -
1778250 kcal/h.
O calor produzido na caldei_
r a é : Ho = 4000 (662 - 60) - 240800 kcal/h.
Como podemos observar, cer
ca de 70°o do calor produzido na
caldeira e absorvido na fornalha.
Sc pretendemos queimar a
lenha com PCS= 3050 kcal/kg, 40%
de umidade e 401 de excesso de ar,
adotando como 70% o RTS, teremos
para o consumo de lenha: (5-11)
Se a lenha tiver um peso de
o volume da lenha será:
Usualmente, limitamos a li
beração na fornalha, isto ê, o
calor desenvolvido por unidade de
volume em torno de 300000 kcal/m
3
h
No nosso caso teremos ne-
cessidade de um volume de:
Como podemos observar, a for-
nalha da caldeira a óleo tem um
volume de 1/10 do requerido.
0 volume por si só limitara
a capacidade da caldeira. Por esta
razão recorre-se normalmente ao
que chamamos de jante fornalha ou
pré-fornalha, que nada mais é do
que acrescentar uma câmara de
combustão que atenda as condições
de combustão da lenha.
Admitindo-se que o problema
assim seja resolvido, ainda tere-
mos que considerar outros aspectos
ligados ao escoamento dos gases,
seu volume, perda de pressão, etc.
No caso do óleo a quantida-
de de gases ê:
E para a lenha:
Ou seja, teremos uma vazão
de gases 33% maior,o que repre-
senta (1,33)2=1,76 vezes a resis
tência dos gases na tiragem.
Em geral as caldeiras a 5-
leo funcionam com tiragem forçada
Caldeira a óleo:
Consumo de combustível
Temperatura dos gases:
R T . S . *
P. CS. /PCI: 10445/9886
Excesso de ar:
C0
2
Curso de Especialização por Tutoria ã Distância
c uma vez feita a conversão para a
lenha ha um aumento considerável de
resistência e recorra-se a um
ventilador para a tiragem.
Por esta razão c comum que
se faça a conversão para a lenha
e se obtenha menor capacidade de
produção. Ao se reduzir a ca-
pacidade da caldeira, estaremos
praticamente mantendo as velocida.
des dos gases nas diversas passa-
gens. Em geral limitamos estas
velocidades em torno de 15 m/s.
Admitamos uma caldeira a
óleo operando com as seguintes
características: Pressão:
Temperatura de água: Temperatura
dos gases:
Pela Tabela XIV ternos 13,77
kg de vapor por kg de óleo.Também
admitamos que iremos queimar, em
substituição ao óleo, lenha com 40%
de excesso de ar, com os gases a
250 C.
Pela Tabela XVII teremos
3,52 kg vapor por kg de lenha. U-
sando estes dois resultados e lem
brando que o m
3
da lenha pesa cer
ca de 500 kg, teremos:
A Tabela XVIII foi computada
com base na fórmula (6-01) para
facilitar os cálculos, e usa. dos
apenas números inteiros.
TABELA XVIII - Economia Lenha x
Óleo
Lenha Preços óleo Cr$/Kg
Cr$/m
3
20 21 22 23 24 25
2 6
27 28 29 30
400 84 85 86 86 87 87 88 88 89 89 90
500 80 81 82 83 84 84 85 86 86 87 87
600 76 77 78 79 80 81 82 82
83
84 84
700 72 74 75 76 77 78 79 30 80 81 82
800 68 70 71 72 73 75 75 76 77 78 79
900 64 66 67 69 70 71 72 73 74 75 76
1000 60 62 64 65 67 68 69 71 72 73 73
No exemplo acima, se a
lenha custar Cr$ 600,00 m
3
e o
óleo Cr$ 28,00/kg, teremos pela
formula (6-01) :
Pela tabela obtemos 83%, va
lor arredondado.
Tudo indica que ha um desem-
penho de preços de combustíveis ,
pois, quem tem uma fatura mensal:
de Cr$ 5.000.000,00, isto e, opera
uma caldeira a óleo queimando 300
kg/h durante 2 4 horas por dia, e 28
dias por mês, com óleo a Cr$
24,80/kg, terá uma economia mensal
de Cr$ 4.150.000,00, isto e, paga
a caldeira a lenha dentro de poucos
meses.
Para ajudar em estimativas
rápidas, elaboramos a Tabela XIX
que indica a percentagem de custo
que se teria se todos os KW
consumidos nas caldeiras a lenha,
fossem convertidos energeticamen-
te em lenha.
TABELA XIX - Comparação KWh x Lenha
Lenha Preços do KWh Cr$/KWh
Cr$/m3 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5
5.,0
400 67 78 83 87 89 90 91 92 93
500
5 9
73 79 83 86 88 89 91 91
600 51 67 75 80 83 86 87 89 90
700 43 62 71 77 81 83 85 87 88
800 35 57 67 74 78 81
900 27 51 63 71 75 79
83
8
1
85
8
3
87
85
1000 19 46 59 67 73 77 79 82 83
Nesta tabela, com o KWH a
Cr$ 2,00 e a lenha a Cr$ 600,00/m
3
a economia e de 75% do total da
energia elétrica. Este ó um dado
importante na avaliação comparati_
va de duas caldeiras.
Foi calculada a tabela tendo
em vista:
1m
3
lenha = 3050 kcal/kg 500 =
=1525000 kcal 1
KWH = 860 kcal.
Adotando-se como 701 o RTS
da caldeira, teremos:
1m
3
lenha - 1525000 x 0,7 = 1067500 kcal
Estes valores levam a fórmu
la:
Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura
% ECON = 100 -
Custo _lenha
12,41 Custo KWH
(6-02)
FORNALHAS E CALDEIRAS A LENHA
5. FORNALHAS
Fornalha é o lugar onde o-
corre a queima do combustível, ou
seja, onde a energia química po-
tencial do combustível transforma
se em energia térmica (calor). É
o lugar onde o combustível em con
tato com uma quantidade mínima de
ar em excesso é queimado, havendo
uma pequena perda de calor ao am-
biente. O volume da fornalha e um
dos principais requisitos, pois o
calor liberado deve ser incorpo
rado aos gases antes de atingir o
secador. Não devem entrar fagu-
lhas nem labaredas dentro do seca.
dor e todos os voláteis devem ser
queimados antes de chegar a ele.
0 tamanho e a forma da for-
nalha dependem do tipo de combus-
tível, do dispositivo usado para
queima-lo e da quantidade de ca-
lor que deve ser liberada num da-
do intervalo de tempo. A constru-
ção de uma fornalha é baseada nos
3T da combustão: temperatura, tur
bulência e tempo.
O volume da fornalha depen
de da taxa de liberação de calor.
Esta taxa é função do tipo de for_
nalha, do comprimento e temperatu
ra da chama, da quantidade de ex-
cesso de ar e da turbulência. Em
geral a taxa de liberação de calor
varia entre 100.000 a 500.000
Kcal/h.m
3
(120 a 580 KW/m
3
).
Quanto a natureza dos com-
bustíveis as fornalhas sao classi
ficadas em:
. fornalhas para combustíveis
sólidos;
. fornalhas para combustí_
veis sólidos pulverizados;
. fornalhas para combustí-
veis líquidos;
. fornalhas para combustí-
veis gasosos.
Apenas a primeira será dis-
cutida neste trabalho, pois e a
mais usada na secagem de grãos.
5.1. FORNALHAS PARA COMBUSTÍVEIS
SÓLIDOS
5.1.1. Fornalha sem Trocador
Calor
A queima da lenha em toras
apresenta baixa eficiência de com
bustão devido ã dificuldade de
contato íntimo entre o ar e a to-
ra, pois a combustão é um fenôme-
no de superfície. Essa deficiên-
cia pode ser sanada picando a le_
nha em pedaços , contudo aumenta-
se o custo operacional.
Um tipo de fornalha adequa-
do para queimas de lenha em peda-
ços está esquematizado nas -Figu-
ras 6 e 7.
Fonte: Andrade et alii (1)
d
e
Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura
V2
A. CAMARA DE COMBUSTÃO
B- PORTA DO ACESSO P/CARREGAMENTO
C- ENTRADA DE AR
D- ORELHA
E- PORTA DE LIMPEZA DAS CINZAS F-MISTURADOR
TANGENCIAL (QUEBRA- FAGULHA) 8-CAMARA DE
COMBUSTÃO DOS VOLÁTEIS
FIGURA 6 - Esquema de uma fornalha para queima de combustíveis sólidos
FIGURA 7 -
Fornalha para queima de combustíveis sólidos , vista em cor
te e perspectiva.
Curso de Especialização por Tutoria à Distância
As fornalhas de grelhas ho
rizontais (Figura 6) nao devem
ter mais de 2 m de profundidade
(comprimento) c devem ter uma por_
ta de carregamento para cada me-
tro de largura.
A taxa de combustão, ou se-
ja, a quantidade de combustível
queimado por unidade de tempo e
por unidade de superfície da for-
nalha, varia entre 80 a 150
kg/h.m
2
(o,l a 0,2 KW/m
3
).
Uma fornalha não deve ter
ar em demasia nem em falta. De ma
neira pratica para saber se a
quantidade de ar e suficiente pro
cede-se do seguinte modo: verifi-
car constantemente a chama e as
cinzas; se junto as cinzas exis-
tir muito carvão indica falta de
ar devido ã má queima; se a quei-
ma do combustível for muito rápi-
da indica grande excesso de ar.
As fornalhas para combustí-
veis sólidos geralmente produzem
fagulhas que são carregadas pelo
ar e podem causar incêndios no
secador. Para apagar essas fagu-
lhas e tira-las do ar são cons-
truídos os misturadores tangen-
ciais ou ciclones (Figura 8), nos
quais o ar entre tangencialmente
as paredes internas.
FIGURA 8 - Ciclone ou misturador tangencial, para apagar as fagulhas
Misturador
t
angencial
(
que
b
ra-
Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura
5.1.1,1. Dimensionamento
Existe um método teórico ,
bastante complexo e outro prático
que poderão ser usados no dimen-
sionamento das fornalhas. Neste
trabalho será usado o método pra-
tico.
0 cálculo da superfície de
uma grelha pode ser baseado em:
de combustão
combustão
(kg/h.m
2
)
b) No consumo de ar
(Eq. 32)
(Eq. 33)
= peso do combustível a ser
queimado (kg/h) =
superfície total da grelha
taxa de combustão. lenha,
palhas, bagaço de cana,
para fornalhas com grelha
plana, carga manual e ar
forçado 150 a 300
(kg/h.m
2
)
carvão, para fornalhas com
grelha plana, carga manual
e ar forçado 200 a 300
(kg/h.m
2
) S =
superfície livre da grelha, ou
seja, superfície dos va zios
por onde passa o ar para
a"combustão (m
2
) v = velocidade
de escoamento do ar (m/s). Na
prática v=0,75 a 1,6 m/s nas
fornalhas com tiragem mecânica
(com venti-ladores). Qa =volume
de ar necessário a Qa queima
de 1 kg de combustível (Nm
3
/kg)
s = varia conforme o tipo de
grelha s = 0,2 a 0,5 para grelha
com
carga manual s = 0,1 a 0,3
para grelha com carga
mecânica
k= taxa de liberação de calor -
150.000 a 200.000 para lenha,
palhas, bagaço de cana e carvão
(Kcal/h.m
3
) (630.000 a 84 0.000
KJ/h.m
3
) PCI PODER calorífico
inferior (Quadro 2)
V=volume da fornalha (m
3
)
Um exemplo ilustra o cálcu-
lo de uma fornalha a lenha com
carga manual e grelha plana.
1. Características do ventilador
utilizado
Fluxo, 220 m
3
/min
Pressão estática = 170 nm c.a.
2. Acréscimo máximo de temperatu
ra esperado
= 30°C
3. Temperatura média
ambiente
4.Quantidade de calor necessário
Tomando a densidade
média do ar entre 2 0 e 80 C,
segundo Kreith (11) ,
kg/m
3
5. Supondo que:
U. =22 b.U %
1
do produto a ser secado
U
f
= 13 b.u.% - Umidade final.
Logo a quantidade de água a
evaporar por kg de produto umi
do será:
q
agua
= 0,1136
6. Quantidade máxima de produto a
■ ■■ secar por hora:
a)
Na taxa
taxa de
T
c
= m/h
(Eq. 30)
necessário
(Eq. .31)
c) Na câmara de combustão
onde
m
T
=
Umidade inicial
Curso de Especialização por Tutoria A Distância
a) Quantidade de água a evapo
rar por hora, supondo um
rendimento
de secagem de
7. Cálculo da superfície da gre
lha através da taxa de combus-
tão admitida. Quantidade de le
nha que o secador consome por-
hora. m.
Taxa de combustão admitida pa
ra grelha plana, carga manual
-
"
e ar forçado
T * 200 kg/h.m
2
A superfície total da gre-
lha será:
7a. Calculo da superfície da gre_
lha através do consumo de ar
necessário.
7á.1. Calculo do volume de ar ne_
cessário para a queima de
1
kg de lenha (Nm
3
/kg)
supondo a composição da lenha se gundo
Andrade (1) onde:
excesso de ar para
combustível solido e
carga manual
Supondo
V = 2 m/s
= 0,0281 m
2
onde 0,2 ê a razão entre Se/s, as. sumido.
8. Cãlculo_do volume de câmara de
combustão
Este ê o volume total da fornalha.
Quando esta possuirá câ_
Fontes Alternativas de; Energia para a Agricultura
mara para queima de lenha e tam
bem dos voláteis , o volume deve
ser dividido conforme as dimen-
sões de cada parte.
0 redimensionamento da for-
nalha pelas câmaras é feito por
tentativa fixando-se uma das di-
mensões. Deve-se considerar que a
área da grelha e o volume foram
calculados anteriormente e não
podem ser muito diferentes (va
riação máxima em torno de 10%).
5.1.2. Fornalha com Trocador de
Calor
A queima de combustível na
fornalha também define o tipo de
secador. Nos secadores de fogo di
reto os gases de combustão se mis
turam ao ar de secagem e sao lan
çados dentro da câmara de secagem
(Figuras 6 e 7). Nas de fogo indi
reto o ar de secagem se aquece em
contato com superfícies_aqueci
das pelos gases de combustão quê"
são lançados na atmosfera (Fig.9)
FIGURA 9 - Esquema de uma fornalha de fogo indireto
0 secador de fogo direto
aproveita melhor a energia produ-
zida pelo combustível. No secador
de fogo indireto ha muita energia
perdida nos gases de combustão; a
eficiência térmica deste secador
é menor que no fogo direto.
Alguns produtos agrícolas
como o cacau e o café despolpado
absorvem o gosto dos gases de
com-bustão depreciando a qualidade.
Es tes dois produtos só podem
ser
secados com fogo indireto. 0 fei_
jão pode absorver gosto se o ar
de secagem tiver muito carregado
de gases (fumaça) ; neste caso de_
ve-se usar fogo indireto.
Curso de Especialização por Tutoria à Distância
6. CALDEIRA A LENHA*
Finalmente, apesar de pas
sarmos superficialmente, pelas di
versas etapas, com rigor
matemáti-co, tentando apenas
rumos práticos, passaremos ao
estudo das caldeiras queimando
lenha.
6.1. A COMBUSTÃO DA LENHA
Em geral a lenha tem a se
guinte analise aproximada:
Material Volátil 70 a 75 I
Carbono Fixo 20 a 27 %
Cinzas 0,5 a 2 %
A queima da lenha se dá em
três estágios :
0 primeiro e da secagem que
ocorre de fora para dentro e que
requer certo tempo, sendo maior o
tempo para os pedaços maiores.
0 segundo e o da destilação
e queima dos voláteis. Convém aqui
salientar que a lenha, em virtude
do seu alto teor em material vo-
látil, produz chama longa.
0 terceiro e ultimo estágio
é o da queima do carbono fixo que
necessita de 400 a 550 C de tem-
peratura para queimar ou a chama
se extingue se a temperatura for
inferior.
é obvio que analisamos ape-
nas um pedaço de madeira úmido ,
mas numa fornalha temos as três
fases ocorrendo simultaneamente ,
pois a lenha é continuamente ali-
mentada e há interferência do va-
por d'água que se desprende no
primeiro estágio com a destilação
do segundo e assim por diante.
Deve ser analisado o caso
de um tronco grande e um tronco
de pequeno tamanho. Numa fornalha
alimentada manualmente, o foguis-
ta alimenta a caldeira quando há
demanda de vapor, porem, se os
troncos são grandes, a sua ação
reguladora de produção somente o-
corre quando talvez já não haja
demanda de vapor e então temos
grandes flutuações de carga. Deve
se sempre que possivel, evitar
troncos de grande diâmetro o que,
aliás, é também recomendável para
a proteção de soleira de forna-lha.
Se nos reportarmos a formu-
la (4-06) e usarmos a temperatura
da inflamação do carbono fixo co-
mo sendo de 500 C, teremos:
T = 500°C e ic=132 kcal/kg, logo
e
SA
=6,6 kg/m
2
.h
min = 6,6 kg/m
2
.h, isto é, com
uma fornalha onde apenas 6,6 kg/h
de combustível são queimados por
metro quadrado de superfície de
aquecimento, teremos o risco de
extinção da chama e precisamos de
um queimador auxiliar para entre-
ter a chama.
Razões econômicas de cons-
trução das caldeiras não permitem
que trabalhemos com valores tão
baixos, pois conduzirão a forna-
lhas muito grandes.
Devemos ter em mente que se
caminharmos para o oposto, isto é,
tivermos uma fornalha onde WF/SA é
de mais de 200 kg/m
2
, (ver Tabe la
XI) que poderiam atingir o pon to
de fusão das cinzas com gravís_
simas conseqüências.
As cascas das árvores podem
influenciar no abaixamento do
ponto de fusão das cinzas e então,
maiores cuidados devem ser tomados
para a seleção_da fornalha. A
título de ilustração informamos
que as cinzas variam com as espé-
cies, havendo nas mesmas predomí
Fonte: Diniz (7).
Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura
nio de oxido de sódio ou de cal
cio e variável grau de sílica.
Seus pontos de fusão vão de 1200 C
a 1450 C, dependendo da procedência
.
A lenha pode ser queimada em
pilhas, em leito fino quando
picada, em suspensão, ou em forna
lhas ciclônicas.
Para cada um dos casos exis
tem vantagens, desvantagens e li-
mitações.
A introdução do ar pré-aque
cido é de muita vantagem para a
secagem do primeiro estagio e per
mite elevar a taxa de combustão 7
0 ar não deve exceder 200 C de
temperatura para não deformar as
grelhas que ele ajuda a resfriar.
0 ar quente permite queimar, nas
mesmas grelhas, até mais 25% da
capacidade nominal.
Cumpre salientar que é ex-
tremamente difícil queimar lenha
em toras com excesso de ar inferior
a 40%.
Quanto mais dividido o com-
bustível maior se torna a sua su-
perfície de contacto com o ar. 0
oposto é também verdadeiro, é co-
mo se queimássemos óleo combustí-
vel em blocos sólidos, como o ca-
so da queima de pneus.
Para garantir a turbulência
precisamos mais ar e mais longas
ou altas câmaras de combustão pa-
ra que exista mais tempo para se
completar a combustão.
Uma câmara de combustão bem
dimensionada reduz considerável-
mente a elutriação de partículas
não-queimadas , Novamente voltamos
ao adágio dos 3T.
No caso do nosso exemplo an
terior, admitamos que a temperatu
ra dos gases da fornalha seja de
900 C, então, aqueles 5910 kg/h
de gases darão 9,2 m
3
, de gases.Pa
ra que exista tempo de residência
de 2 segundos na câmara de combus_
tão, deveríamos ter: Admitindo U ma
fornalha com 3m
2
de grelha, e por
conseguinte de seção transver
sal, teremos uma velocidade de
propagação dos gases de 9,2/3
3,07 m/s. Para um tempo de 2 se-
gundos, a altura da câmara será:
2x3,07 = 6,13 metros.
Temos aí dois parâmetros a
mais quo determinarão se a combus
tao se processara integralmente
na câmara ou se se alongara pelos
tubos de convecção ou mesmo se ex
tinguirá.
Os gases combustíveis depen
dera de sua percentagem com rela-
ção ao ar para se ter maior ou me
nor velocidade de propagação da
chama. O hidrogênio, por exemplo,
na propagação de cerca de 40%
no ar, tem sua velocidade máxima
de propagação da chama que é de
5,0 m/s, porém, com 70% já cai
para 0,2 m/s e com 61 tem apenas
0,15 m/s. Em geral, nas proporções
usuais de combustão, os gases
como etano, metano, etileno, etc.,
têm uma velocidade máxima em torno
de 1,0 m/s e mínimo de 0,2 m/s.
6.2. CÂMARAS DE COMBUSTÃO
é de primordial importância
a dosagem certa de ar na combustão
.
F
IGURA 4
G
relha
F
IGURA 5
-
Grelha
A
s figuras 4 e 5 indicam,
Curso de Especialização por Tutoria a Distância
com as respectivas datas, as gre
lhas que de acordo com o catalogo"
da coleção de Engenharia Mecânica
do Museu de Ciência de Londres en
fatiza:
"Grelhas consistem de um
arranjo de barras de ferro fundi-
do. Consideráveis esforços têm si
do feitos para melhorar a combus-"
tão aumentando o número e diminuin
do os espaços entre as barras, de~
tal sorte a proporcionar uma cor-
rente de ar mais difusa e fina".
Temos então aí, o nascedouro
das grelhas de ferro fundido para
as câmaras de combustão, que
conforme o Museu já enfatizou,têm
sido alvo de constantes tentativas
de melhora.
Estas grelhas existem em di
versos tamanhos e formas. Apre-
sentam vantagens quanto a sua fá
cil substituição. Quebram-se é
empenam facilmente. Sua única re-
frigeração possível é o ar que pe_
netra de baixo para cima para a-
tingir o leito da lenha.
Sofre grandes deformações
principalmente quando se quer ex
tinguir o fogo e então se veda o
ar para cortar a combustão. Sem
ar para a sua refrigeração e as
vezes com um cinzeiro baixo onde
brasas estão ardendo ainda, en-
tram em inevitável colapso. .- Em
certos casos arremessam sobre as
grelhas, isto é, sobre a lenha, a
gua para apagar o fogo e esta á-
gua atinge as barras quentes, con
seqüentemente, temos as fraturas.
Para as lenhas em toras ,
le_ nha metrada, não temos muita
esco lha se não o uso de grelhas.
Tornou-se então necessário que se
criasse uma grelha que fosse sufi_
cientemente forte para resistir o
impacto da lenha, e ao mesmo
tempo que não sofresse com as se-
veras condições de variações de
temperatura.
Foi assim criada e patentea_
da a grelha constituída de tubos
de agua pertencente ao circuito de
circulação natural da caldeira.
Estas grelhas são __mantidas
a uma temperatura igual ã de satu
ração da agua mais cerca de 50 C,
o que lhes garante total imunida-
de as variações de temperatura.
Sendo construídas de tubos de pa
rede grossa apresentam grande re-
sistência mecânica ao impacto e
ao desgaste.
Salientamos que o impacto
não é tão grande quanto se imagi
na pois a lenha é em geral arre-
messada sobre um leito de lenha
já queimando o que amortece o
choque.
A figura 6 mostra estas gre
lhas .
FIGURA 6 - Grelha tubular refrige
rada a agua.
Estas são as duas maneiras-
usuais de se queimar lenha em to-
ras .
Como dissemos no início,uma
caldeira é tão boa quanto a sua
fornalha, de modo que uma vez con
seguida uma combustão satisfató-
ria, o restante da caldeira se
comporta como uma caldeira conven
cional.
•Reiteramos nossa recomenda-
ção quanto ã queima de lenha fina
pois os troncos grandes apresentam
dificuldades no controle de
produção da caldeira e no excesso
de ar.
Tem sido discutido recente-
mente a introdução de pisadores
CINZAS
Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura
de lenha como utilizado exaustiva mente
nas fábricas de celulose.
Como desde o inicio frisa
mos que nos ate ríamos às unida
des indutriais, damo s apenas a
indicação de que a lenha picada
pode ser queimada em pilha, em
fornalhas celulares, conforme a figura
7.
FIGURA 7 - Célula refratária
Queima em pilha.
A figura 8 mostra uma forna
lha interna de uma caldeira fogo-
tubular.
A figura 9 mostra as gre-
lhas instaladas em uma caldeira
tipo locomotiva.
FIGURA 9 - Grelha plana em caldei-ra
tipo locomotiva.
A figura 10 mostra uma cal-
deira chamada M.H. , multitubular
horizontal.
FIGURA 10 - Grelha plana em forna
lha externa. Caldeira M.H.
Também usamos para pequenas
capacidades os chamados alimenta-
dores "Under-Feed" , que não são
outra coisa que a queima em pi-
lha, porem, o combustível caminha
de dentro para fora da pilha e
não como no caso anterior. A figu
ra 11 indica o "Under-Feed".
FIGURA 8 - Grelha plana em forna
lha interna.
Curso de Especialização
por Tutoria à Distância
FIGURA 11 - Sistema 'Under-Feed A =
Ar; F= combustível; G = gases
Alem destes métodos podemos
ainda ter a queima em suspensão ,
em grelhas viajantes, em fornalhas
ciclônicas, em leito fluidizado.
No caso_das células da
figu-ra 7, a remoção das cinzas é
fei-ta com paradas da operação.
Estas fornalhas têm uma excelente
distribuição de ar que
adequadamente supre as
necessidades de ar nos diversos
estágios de combustão. A
alimentação é feita por cima.
A câmara "Under-Feed" ali-
menta por rosca sem fim ou por êm
bolos, a lenha picada, e a cinza
-
cai lateralmente.
As caldeiras fogotubulares,
não comportam fornalhas internas
com as dimensões requeridas pela
combustão da lenha. Por esta ra-
zão, para as caldeiras com capaci
dade acima de 4000 kg/h as forna-
lhas são localizadas externamente.
A razão de não comportarem
estas fornalhas internas é de ca
ráter construtivo e econômico,
pois a caldeira fogotubular somen
te pode ter maior capacidade quan
do se aumenta o seu diâmetro. Como
as expessuras são proporcionais ao
diâmetro, acabaremos tendo chapas
muito grossas e diâmetros exa
gerados.
Quando a faixa excede as 4
t/h de vapor, já se torna mais
econômico ter-se uma fornalha
externa, e as considerações do
dimensionamento e seleção ate
aqui apresentadas prevalecem para
estas fornalhas.
6.3. CALDEIRAS
Finalmente passamos ã des
crição dos tipos usuais de caldei
ras a lenha, comentado suas carac
terísticas, vantagens e limitações
.
Para que a descrição . das
caldeiras seja mais geral, deixa-
remos de fazer distinção quanto à
lenha picada, em toras, aparas ou
serragem, e comentaremos os pon-
tos que merecem atenção especial.
Existem duas grandes famí-
lias de caldeiras: Fogotubulares
(FT) Aquatubulares (AT)
Estas caldeiras existiam com
características bem-definidas, mas
grandes modificações e melho-
ramentos foram introduzidos de
tal sorte a torna-las sofisticadas
e em alguns casos houve uma
mistura das duas.
Por definição sao caldeiras
fogotubulares, aquelas cujos
tubos conduzem o_fogo e/ou os
gases de combustão. Melhor dizen
do, a maior temperatura na trans-
missão do calor esta "dentro dos
tubos".
Ja as aquatubulares, têm o
lado quente por fora dos tubos e
no seu interior temos água, va
por ou sua mistura.
6.3.1. Caldeiras Fogotubulares
(FT)
Estas caldeiras podem ser
verticais ou horizontais. Podem
ter fornalha interna (Fl) ou ex-
terna (FE) .
6.3.1.1. Fogotubulares verticias
(FTV)
A Figura 12 mostra uma cal-
deira FTV com fornalha interna
Consta de uma câmara de combustão
interna com grelha e uma passa-
gem convectiva.
Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura
FIGURA 12 - FTV - Fl - 2P
FIGURA 14 - FTV - Fl - 3P
A figura 13 mostra a mesma
caldeira anterior, com fornalha
externa.
FIGURA 13 - FTV - FE - 2P
Usualmente designamos como
passagem as regiões onde ha varia
ção brusca de velocidade dos ga-
ses , ou de direção, ou mesmo dis-
tinguindo radiação de convecção .
Assim é que chamamos as caldeiras
anteriores de duas passagens (2P).
A caldeira da figura 14 in
dica uma fogotubular vertical (FTV)
de 3 passagens (3P), dotada de
fornalha interna (Fl).
Estas caldeiras em geral tra
balham com tiragem natural pois a~
zona de convecção é curta e apre-
senta pouca resistência ao fluxo
dos gases.
Existe um recurso muito co-
mum usado para melhorar a transfe-
rência de calor em caldeiras fogo
tubulares que é provocar turbulen
cia no escoamento dos gases. As-
sim é que alguns fabricantes ins-
talam chapas retorcidas dentro de
um trecho do tubo.
Com isso, ha uma melhora na
transferência do calor e um au-
mento na resistência ao escoamen-
to dos gases.
Alem disso, ha aumento da
erosão e deposição das partículas
de sólidos arrastadas com os ga-
ses de combustão.
Se por exemplo, os gases
escoam a 1,5 m/s em um tubo de 2
polegadas, e o coeficiente . de
transmissão e 10 kcal/h.m
2
/ C, e
a perda 5 mm C.A., com a introdu-
ção de uma tira retorcida com pas-
so de 2 50 mm, teremos uma trans-
missão de calor de duas vezes
maior, e a perda é quatro vezes
maior .
Na figura 14 temos uma fogo
tubular de três passagens com a
fornalha interna. Procura-se au-
mentar o numero de passagens dos
Curso de Especialização por Tutoria a Distância
gases para que haja maior queda
de temperatura dos gases e : por
conseqüência melhor rendimento
térmico.
Eis nesta figura uma caldei_
ra vertical fogotubular e aquatu-
bular; e o caso especial (FTV-E)
onde os tubos transversais incli-
nados contem água e não gás de
combustão como nos casos anterio-
res (Figura 15).
FIGURA 15 - FTV - Fl - 2P-E.
Esta caldeira apresenta as
características da anterior, po-
rém, os tubos não cruzam de lado
a lado o tubo central. São dedais
soldados no tubo interno. Trata-
se também de uma construção espe-
cial (Figura 16) .
FTV - Fl - 2P-E.
Deve ser chamada a atenção
para as complicações introduzidas
com problemas de fabricação e mui_
tas vezes na própria manutenção da
caldeira. Esta caldeira e usa da
para recuperação de calor de
gases.
As caldeiras verticais, da-
da a sua disposição, são geralmen
te, de pequena capacidade.
6.3.1.2. Fogotubulares horizontais
(FTH)
Em nossa descrição de forna
lha já mostramos algumas caldei-
ras fogotubulares horizontais.
Assim, a figura 9 mostrou u
ma caldeira tipo locomotiva, que
é uma fogotubular horizontal com
fornalha interna.
Aqui na fig 17 temos uma outra caldei_
ra que se enquadra nos FTH com
fornalha especial; é conhecida co
mo 'caldeira de saia" por ter as
paredes internas partindo do corpo
e formando a câmara de combustão.
E uma caldeira de duas passa gens,
podendo ter três passagens.
FIGURA 17 - FTH - Fl - 2P-E.
Convém nesta altura salien-
tar, que chamamos de parede fria,
aquela que contém água e reveste
ou refrigera uma fornalha. Esta
caldeira é o caso típico de cal-
deiras com parede fria, o mesmo o
correndo com a anterior tipo loco-
motiva e todas aquelas com forna"
lhas internas.
A figura 18 mostra uma caldeira
que tem uma fornalha interna fria
e duas passagens de gases
FIGURA 16
Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura
FIGURA 18 - FTH - F1 - 2P
A fig. 19 mostra a mesma caldeira anterior
porém, os gases têm mais uma pas-
sagem para percorrer. Sua constru
ção é simples, porem, temos as mesmas
limitações de espaço ja comentadas
para alojar uma fornalha grande .
A figura 10 mostrou a cal-
deira FTH com fornalha externa de
duas passagens. Nestas caldeiras
o costado, que é o cilindro que
recebe a pressão da caldeira,
esta sujeito a incidência direta
das chamas.
Trata-se, na fig.20 do mesmo caso anta
rior, porem, com mais uma passagem
de gases, FTH-FE-3P.
A fig. 21 mostra uma unidade que foi a de maio
capacidade, pois incorpora duas
fornalhas internas, o que dota as
câmaras de combustão de maior vo-
lume. Esta também é uma FTI1-2FI-3P.
FIGURA 21 - FTH - 2Fl - 3P
A fig.22 mostra outra caldeira
dota-
da de fornalha externa que ela"
possui três espelhos, sendo que o
do meio é parcial para apenas ca-
minhar os gases a segunda passa-
gem. Mais uma vez se trata de um
novo artifício para se dotar de
maior volume a câmara de combustão
Esta é uma FTH-FE-3P-E
FIGURA 20 - FTH - FE 3P
6.3.2. Caldeiras Aquatubulares (AT)
Até este ponto insistimos na
tese da limitação física das for-
nalhas nas fogotubulares e agora
vamos ter unidades que não têm li
mites quanto a sua sofisticação
nem quanto as suas dimensões.
As caldeiras fogotubulares,
sempre permitiram aos projetistas
grandes possibilidades de formas
F
IGURA 22
-
FTH
-
FE - 3P - E,
Curso de Especialização
por Tutoria a Distância
e arranjos pois, no seu interior, a
água ferve como numa panela de
pressão. Com isso queremos dizer
que não há preocupação quanto a
ter superfícies de aquecimento ex
postas ao fogo e que não tenham
sempre adequada refrigeração de
água. Quando temos uma panela fer
vendo temos na parte inferior em
contacto com o fogo, o desprendi-
mento de bolhas de vapor que por
serem leves sobem e provocam uma
corrente ascendente de bolhas de
vapor e uma descendente de agua .
Estabelece-se uma circulação natu
ra .
Um kg de agua no interior
de uma caldeira com pressão de 8
kg/cm
2
, tem um volume de cerca de
i litro, mas um kg de vapor , nas
mesmas condições tem o volume de
219 litros, ou seja, a densida_ de
do vapor é 219 vezes menor do que
a densidade da água. Então e
fácil compreender que uma mistura
de água mais vapor nestas condi_
ções pode variar sua densidade en
tre estes dois limites. Numa cal-
deira fogotubular existe uma gran
de agitação no seu interior com a
água descendo e a mistura subindo
mas não há preocupação quanto a
fazer chegar a água no lugar onde
o vapor é gerado, isto ocorre na-
turalmente porque o espaço é gran_
de .
Quando passamos para as cal_
deiras aquatubulares os espaços
são os dos tubos e não mais aque-
les grandes das fogotubulares, e
começamos a esbarrar em problemas
de circulação natural, que nada
mais é do que fazer com que haja
uma judiciosa distribuição das
superfícies de aquecimento em
circuitos que estarão, mesmo sob
as mais severas condições de tra-
balho, sempre cheios de água. To-
das as caldeiras aquatubulares le_
vam em conta estas considerações.
Não entraremos em nenhum calculo
neste sentido, porem, indicaremos
no desfile de caldeiras que se
seguirão, como se da a circulação
natural da água.
Podemos subdividir as cal-
deiras aquatubulares para efeito
deste trabalho em:
. Caldeiras de câmaras
. Caldeiras de dois tambores
. Caldeiras de vários tambores.
6.3.2.1. Caldeiras de câmaras
(AT-C)
Temos aqui, fig 23, uma caldeira aqua
tubular AT-CL com o corpo longitu
dinal. Esta caldeira apresentava
as vantagens de tubos retos de
facil limpeza interna e de substi
tuição. A circulação natural era
garantida com a água descendo nas
câmaras traseiras e a mistura á-
gua + vapor ascendendo nas câmaras
frontais. Estas caldeiras são
limitadas quanto ã sua capacidade
em virtude de termos problemas pa
ra aumentar o numero de tubos,bem
como não e econômica a construção
das câmaras.
FIGURA 23 - AT - CL.
Da mesma forma que a anterior, te
mos a fig. 24, uma AC-CT onde se
pode aumentar o numero de câmaras
dispondo-se o corpo transversal-
mente. É idêntica a anterior. Com
o correr do tempo as paredes re-
fratárias, que eram sempre expos-
tas a chama, passaram a ter pare
des d'-água, absorvendo maior quan-
tidade de calor, e reduzindo a ma
nutenção das paredes refratárias
Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura
FIGURA 2 4 - AT - CT.
Caldeiras de
res (AT-2T)
A figura 25 mostra uma cal-
deira de dois tambores com uma
fornalha tipo poço. Estas caldei-
ras apresentam uma infinidade de
combinação da altura, largura e
comprimento, bastando aumentar a
distância entre centros dos tambo_
res para se acomodar maior super-
fície de aquecimento e dar a for-
nalha a altura adequada para quais
quer condições de trabalho. Na
largura aumentamos o comprimento
dos tambores e temos as dimensões
requeridas. Além de ser possível
aumentar a altura da fornalha com
o aumento da distância entre cen
tros , os coletores das paredes
d'água podem descer a qualquer ní
vel pratico de modo que estas cal-
deiras se constituirão no mais
versátil arranjo de dimensões.
0 problema da circulação na
tural é resolvido mantendo-se uma
zona fria, isto e, sem grande ab-
sorção de calor que permita man-
ter um fluxo contínuo descendente
de água, para alimentar os tubos
geradores de vapor c os coletores
das paredes.
Apenas a título de ilustração e mostrada na
fig. 26 outra caldeira ".que
pode ter 3, 4 ou mais tambores,se
prestando a diversos arranjos de
superfície de aquecimento c de
fornalhas. As unidades de dois tambores
são mais econômicas pois realizam a
mesma tarefa com menos tambores.
FIGURA 26 - AT - 3T.
6.4. CALDEIRAS MISTAS
Quanto as capacidades pode_
mos atribuir as caldeiras fogotu-
bulares o início da faixa indo a-
te 15 t/h de vapor. Estes limites
variam de fabricante para fabri-
cante. Porem, quando se queima
combustível solido, as dimensões
das fornalhas não permitem que
estas caldeiras gerem mais do que
3 ou 4 t/h de vapor.
A caldeira fogotubular tem
uma vantagem inexcedível a seu
favor por poder conter num
reduzi-do espaço uma grande
superfície de aquecimento e usar
tubos retos com facilidade de
limpeza e substituição, e a custo
baixo.
Por outro lado, as caldei-
ras aquatubulares apresentam uma
6.3.2.2.
dois tambo
Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura
vantagem enexcedivel quanto a
permitir os mais variados arran-
jos de fornalhas que 5 o que bus-
camos para a queima de lenha.
Destas duas vantagens sur-
giu o projeto da caldeira mista
(CM) que são as que têm o corpo
da caldeira fogotubular e a forna
lha da aquatubular.
A figura 2 7 mostra um dos
arranjos possíveis para estas cal-
deiras.
os detalhes de construção, opera
ção e manutenção de caldeiras ã
lenha e sólidos em geral.
A Tabela XX permite aos fu-
turos usuários fazerem uma compa-
ração entre as diferentes unida
des que lhes sao oferecidas, para
evitar que sejam adquiridas cal-
deiras inadequadas para seus re-
quisitos.
A grande dificuldade nestas
caldeiras é a obtenção de uma cir
culaçao natural adequada.
No Brasil já existem estas
caldeiras em funcionamento com
rendimento operacional excelente,
são unidades dotadas de ampla ca
mara de combustão, com fornalhas
refrigeradas por tubos d'água e
apresentando grelhas refrigeradas
São unidades patenteadas.
É preciso que se tenha em
mente os problemas de dilatação ,
facilidade de troca dos tubos e
sua limpeza, alem de dar garantia
de circulação natural eficien te
para evitar queima dos tubos.
6.5. GENERALIDADES
Não se pode , num trabalho
tão curto como este, tratar todos
TABELA XX - Comparação de caldei
ras para avaliação.
Unidades
c
1. Tipo
A B
2. Evaporação Kg/h
3. Temperatura d'água
°
c
4. Consumo combustível Kg/h
5. Relação (2)/(4) Kg/Kg (1)
6. Temperatura Gases
°C
7. Rendimento Térmico % (2)
8. PCS Kcal/Kg
9. Umidade
%
10 Excesso Ar %
11
S.A. Convecção m
2
-
12 S.A. Radiação m
2
13 S.A. Total m
2
14 Relação (2)/(13) Kg/m
2
,h
15 Vol. Câmara Combustão m3
16 Relação.[(4) /(11)] xPCS
. Kcal/h,m
3
í3)
17 Peso
Kg
18 Potência Instalada KW
19 Resistência dos Gases
mm.C.A
Notas:
(1) Comparar com Tabela -XVII
(2)Comparar com Tabela -XIII
(3) Limite usual 300.000 kcal/m
3
.h
Além de tudo o que acima se
expôs, existem experiências sen-
do realizadas para a queima de le
nha picada, rejeitos vegetais é
carvão em leito fluidizado.
É lastimável que tenhamos si
do surpreendidos com firmas es-
trangeiras tentando patentear a-
quilo que pesquisamos o que nos
forçara a não produzir o nosso
produto após gastos enormes com
pesquisas, projetos e estudos, a-
Curso de Especialização por Tutoria à Distância
lem de permitir que continue a es.
calada de importações.
Na figura 28 e apresentada
uma visão ligeira de uma fornalha
de uma caldeira com base cm com-
bustão com leito fluidizado.
Fornalha de leito flui
estado que é próprio dos
leitos fluidizados.
Se imaginarmos esta massa
de areia na fase fluidizada aque-
cida ao ponto de inflamação da ma
deira.Após arremessarmos pedaços de
madeira no leito esta se infla
mará e fornecerá. Assim se estabe-
lece uma alimentação de combustí-
vel contínua e o leito permanece-
rá em combustão permanente. Mas a
madeira tem cinzas e estas per-
manecem no leito e tendem a elevar
o seu nível ; quando isto ocor re
, extraímos pelo tubo de extração
do material do leito, uma
quantidade que restabeleça o ní-
vel ideal.
Estas fornalhas apresentam
características únicas, como por
exemplo elevado coeficiente de
transmissão de calor o que permi
te que a serpentina, mergulhada
no leito, retire grande quantida-
de de calor com pouca superfície
de aquecimento, ao mesmo tempo
em que se mantém um balanço térmi
co que oferece baixa temperatura
na câmara de combustão.
Estas fornalhas se prestam
excelentemente a queima do carvão
brasileiro pois a cinza e ex-
traída e seu ponto de fusão não e
atingido. Mantem-se temperatura
em torno de 850/900 C no leito.
No caso, temos uma câmara
de combustão totalmente refrigera
da a água. Na sua parte inferior"
temos um crivo que é o suporte do
leito. Poe ele passa o ar de com
bustão que vai manter o leito no
estado de fluidização. Acima do
crivo temos o leito que nada mais
é do que uma camada de material
inerte como areia, por exemplo. A
passagem do ar corretamente dis-
tribuído pelo crivo através do
leito vai torná-lo fluidizado, is_
to é , a velocidade do ar ao pas-
sar pelos grãos de areia tenderá
a eleva-los e haverá um momento,
para uma certa velocidade do ar,
em que o leito se comporta e-
xatamente como um líquido, porem,
em estado de muita agitação inter_
na. As partículas caminham em to-
das as direções estabelecendo um
FIGURA 28
dizado
Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura
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de ira para Fins Energéticos. Fim
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14. MANUAL DO ENGENHEIRO GLOBO. 79 Vol.
29 Tomo. 581-524. Porto Alegre,
Editora Globo, 1979.
15. MARTINS, H."Madeira como Fonte de
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tro Tecnológico de Minas 'Gerais/
CETEC. SPT-001 10-26. Belo Horj.
zonte, 1980.
16. RIBEIRO, M.A. & OLIVEIRA FILHO, D.
Florestas Sociais, Problemas,
Perspectivas e Tarefas. Fund.
João Pinheiro. Belo Horizonte 10
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17. SILVA, J.S. "Adaptação da Fornalha
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III, para Secagem de Cereais"
Conselho de Extensão. Universida
de Federal de Viçosa. Informe
Técnico N9 28. 8 p. 1982.
APÊNDICE I
VARIAÇÃO DOS PODÊRES CALORÍFICOS DA LENHA COM A UMIDADE
UMIDADE
(%)
PCI
(KJ/kg)
0 19880
10
1
7644
20
1
5412
30
1
3180
40
1
0947
50
8
715
60
6
483
70
4
247
80
2
015
90
-
APÊNDICE II
RENDIMENTO TÉRMICO DE FORNALHA A LENHA EM RELAÇÃO AO PODER CALORÍFICO
SUPERIOR, SENDO ISOLAMENTO DE TIJOLOS REFRATÁRIOS E EXCESSO DE AR DE
40% .
Temperatura de
U
nidade da Lenha (b, ,u.)
saída dos gases
de combustão
0 10 20 30
40 50
60 70 80
200
81 ,4 80,0 78 ,1 75,8 72,7 68,4 61 ,9 51,1
29,4
22 5 80,2 78,7 76,9 74,5 71,4 67,0 60,4 49,3
27,3
250
79,0 77,5 15,7 73,3 7 0,0 65,6 58,8 47,6
25,2
275
77,8 76,3 74,4 72,0 68,7 64,1 57,3 45,9
32,0
300
76,6 75,1 73,2 70,7 6 7,4 62,7 5 5,7 44 ,1
28,9
325
75,5 73,9 71 ,9 69,4 66,0 61,3 54 ,2 42,4
28,8
350
74,3 72,7 70,7 68,1 64,7 5 9,9 52,7 40,7
16,7
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