Usando medidores de vazão para melhorar a eficiência da caldeira

Sep 14, 2023

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Em muitas fábricas de produtos químicos, a eletricidade que a planta utiliza é derivada de uma usina de gás natural ou de uma usina de cogeração que queima fluxos de gases residuais. Nas grandes caldeiras (figura 1), as centrais eléctricas reúnem ar e combustível (gás natural, gás residual, petróleo ou carvão) para combustão, o que cria calor. O calor ferve a água, criando vapor. O vapor passa por uma turbina, que faz com que a turbina gire, gerando eletricidade.

Medir o fluxo de energia – fluxos de combustível que custam dinheiro – nessas aplicações de caldeiras é fundamental para melhorar a eficiência energética, identificar resíduos e minimizar os gases de efeito estufa (GEE) que vão para a atmosfera. Somente com uma medição de vazão precisa os usuários podem tomar decisões informadas para melhorar a eficiência energética.

Como os usuários decidem qual tecnologia de medidor de vazão é melhor para medir gás, água e vapor para aplicações em caldeiras? A escolha dos medidores de vazão corretos depende do fluido que está sendo medido. Ao discutir melhorias na eficiência da caldeira, três aplicações principais estão envolvidas:

A geração de energia requer entrada de ar e combustível para combustão. Os engenheiros devem medir com precisão a proporção de ar e gás para uma combustão eficiente nas caldeiras. Muito gás é um desperdício, perigoso e caro; muito pouco cria chama insuficiente para ferver a água com eficiência.

Medidores de orifício e turbina. Tradicionalmente, o monitoramento do gás combustível para as unidades de caldeira é realizado com um medidor de orifício ou turbina. No entanto, estes não são os melhores dispositivos de medição para esta aplicação porque estão sujeitos a falhas e requerem manutenção especializada frequente para fornecer uma medição precisa e confiável. Condições restritas de tubulação também podem causar dores de cabeça aos engenheiros. Por exemplo, um medidor de orifício requer 10 a 50 diâmetros de tubulação a montante para eliminar o efeito de distúrbios de fluxo. Como é difícil encontrar tubos longos e retos, a maioria dos sistemas de medição de vazão são afetados negativamente pela variação dos perfis de vazão dentro do tubo.

O maior motivo de preocupação é que os medidores de orifício e de turbina medem o fluxo volumétrico. Sensores adicionais de pressão, temperatura e pressão diferencial, bem como um computador de fluxo, são necessários para calcular ou inferir o fluxo de massa (figura 2). Isto não só degrada a precisão da medição de vazão, mas os custos de instalação e manutenção com esse tipo de medição compensada aumentam o custo de propriedade.

Medidores de vazão de massa térmica. Em contraste, os medidores de vazão mássica térmica são adequados para medição direta de vazão mássica de gases, não para vazão volumétrica. Como os medidores de vazão mássica térmica contam as moléculas de gás, eles são imunes a mudanças na temperatura e pressão de entrada e medem a vazão mássica diretamente, sem compensação. Em aplicações de entrada de ar e fluxo de gás em caldeiras, os medidores de vazão térmicos funcionam bem porque a relação combustível-ar ideal para combustão eficiente em caldeiras é calculada com base em massa, e não volumétrica (figura 3).

Na configuração de trabalho mais simples de um medidor de vazão térmico, o fluido passa por um sensor térmico aquecido e um sensor de temperatura. À medida que as moléculas do fluido passam pelo sensor térmico aquecido, o calor é perdido para o fluido que flui. O sensor térmico esfria, enquanto o sensor de temperatura continua a medir a temperatura relativamente constante do fluido que flui. A quantidade de perda de calor depende das propriedades térmicas do fluido e de sua vazão. Medindo a diferença de temperatura entre os sensores térmicos e de temperatura, a vazão pode ser determinada.

Novos desenvolvimentos na tecnologia térmica de quatro sensores, juntamente com a tecnologia estável do sensor “dry sense”, bem como algoritmos avançados de modelagem termodinâmica, permitem que alguns medidores de vazão térmicos atinjam precisão de leitura de ± 0,5 por cento, rivalizando com a precisão do medidor de vazão Coriolis a um custo menor. Os aplicativos de software integrados também permitem capacidade de mistura de gás, validação in situ e dial-a-pipe.