PT1760441E - Processo e dispositivo para a medir o fluxo térmico numa parede de membrana para optimização do funcionamento da caldeira - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO

PROCESSO E DISPOSITIVO PARA A MEDIR O FLUXO TÉRMICO NUMA PAREDE DE MEMBRANA PARA OPTIMIZAÇÃO DO FUNCIONAMENTO DA

CALDEIRA A presente invenção diz respeito a um processo e um dispositivo para a concepção e o controlo de um fluxo térmico dirigido a uma área de superfícies de transmissão térmica, de acordo com o conceito principal das reivindicações 1 e 5.

Da Patente internacional N°.WO-A2-2004/036116 e da Patente Norte-americana N°. US-A-6485174 são conhecidos sensores do fluxo térmico para paredes de membrana, cada um com dois pontos de medição para a avaliação da diferença entre as temperaturas.

Em cada ponto de medição encontra-se um par térmico de fabrico tradicional e composto por dois elementos térmicos.

Os erros que surgem durante a determinação do fluxo térmico a partir das diversas temperaturas individuais, 2 podem levar, nomeadamente, em caso de temperaturas diferenciais reduzidas, a um erro geral significativo no cálculo do fluxo do calor.

Igualmente da Patente Norte-americana N°. US 4779994 é conhecido um sistema de fluxo térmico que trabalha com pares térmicos tradicionais.

Adicionalmente, aqui são necessárias camadas de isolamento e protecção eléctricas que ainda aumentam o risco de erros de medição e que não podem ser usadas, nomeadamente, para a concepção de caldeiras de geradores de vapor, devido à área de aplicação de temperaturas elevadas.

Nos geradores de vapor, a energia dos gases de combustão na gama de temperaturas elevadas é transmitida para a água ou o vapor, sobretudo, por radiação da chama ou do gás e na gama de temperaturas mais reduzidas, sobretudo, por convecção. A concepção das superfícies de transmissão térmica tem em conta as leis da física.

Na gama de temperaturas elevadas encontram-se 3 habitualmente canais de gases de fumo sem elementos de montagem - os chamadas canais vazios ou de radiação.

Nas gamas de temperaturas baixas dos gases de fumo os canais das caldeiras são equipados com tubos que asseguram uma boa transmissão térmica convectora do gás de fumo para o fluido que se pretende aquecer.

As paredes limitadoras dos gases de fumo de todos os canais da caldeira são formadas, na maioria dos casos, por paredes de membrana.

Estas paredes de membrana são constituídas por tubos (3) soldados uns aos outros através de barras (4).

Formam uma vedação estanque para os gases de fumo e são arrefecidas, geralmente, pela água ebuliente dentro dos tubos.

Por razões técnicas relacionadas com o processo e o material, em determinadas áreas parciais dos canais de radiação o fluxo térmico dirigido às paredes de membrana tem de ser reduzido, o que acontece por meio de revestimentos refractários, ou seja, materiais que são escolhidos tendo em conta os esforços químicos e térmicos 4 e que são fixados nas membranas de diversas formas e maneiras.

Os gases de fumo arrefecem das temperaturas de combustão adiabáticas nos canais de radiação para a temperatura adequada para a entrada na área de convecção. A temperatura adequada dos gases de fumo para a entrada na área de convecção resulta das caracteristicas do combustível usado e das temperaturas pretendidas para o vapor.

Nos sistemas de incineração de resíduos a temperatura de entrada adequada dos gases de fumo situa-se, geralmente, na gama entre os 500 e os 600 °C.

Os aditivos dos combustíveis, sejam eles cloro, enxofre, metais pesados, álcali, álcali terroso ou outros minerais, formam compostos em forma de gás e vapor, em função das temperaturas de combustão, que tanto na fase de gás como também durante o arrefecimento, na fase de condensação, atacam os materiais usados na caldeira, por meio de diversos mecanismos de corrosão.

Adicionalmente, através destes compostos condensantes são 5 integradas também as poeiras inertes que formam depósitos.

Estes depósitos dificultam, tanto nos canais de radiação como também nos canais de convecção, a transmissão térmica dos gases de fumo às superfícies de aquecimento.

Nos canais de convecção os depósitos dificultam adicionalmente a saída livre dos gases de fumo.

Na concepção das superfícies de aquecimento pretende-se que os gases de fumo nos canais de radiação sejam arrefecidos de modo que a condensação das partes gasosas ou de vapor esteja, em grande parte, concluída antes da entrada no canal de convecção e que a agressividade das partes gasosas esteja reduzida.

Nomeadamente, no início do tempo de percurso - com as superfícies de aquecimento sem depósito - e eventualmente, com carga parcial, a temperatura dos gases de fumo antes da entrada no canal de convecção deve ser de tal forma elevada que possa ser assegurado um sobreaquecimento suficiente do vapor.

Além disso, por meio das temperaturas diferenciais 6 motrizes o mais elevadas possível e das permutas do calor entre os gases de fumo e o fluido a aquecer, as superfícies de aquecimento e, por conseguinte, os custos de fabrico devem ser minimizados.

Os métodos de cálculo à disposição permitem, basicamente, este tipo de concepção.

Objectivo da invenção

Infelizmente, as propriedades dos combustíveis de fontes difusas e, por conseguinte, o comportamento dos gases de fumo nem sempre são exactamente previsíveis. É preciso impedir que as temperaturas pretendidas dos gases de fumo antes da entrada no canal de radiação por convecção sejam amplamente ultrapassadas devido a um acentuado depósito nas superfícies de aquecimento.

Se a quantidade e a composição dos gases de fumo forem conhecidas, é possível determinar a redução do conteúdo térmico dos gases de fumo, através de medições da temperatura dos gases de fumo.

Referido à superfície de aquecimento, pode ser 7 determinado o fluxo térmico especifico médio que incide nas respectivas superficies de aquecimento.

Infelizmente, este resultado não permite detectar, através da medição da temperatura dos gases de fumo, em que áreas dos canais de radiação os depósitos ou outras influências dificultam a transmissão do calor, e de tal forma que o sistema tem de ser limpo através de um processo de limpeza durante o processo ou parado para ser limpo.

Nomeadamente, a limpeza durante o processo é vantajosa quando a área onde se verifica o depósito pode ser conhecida através de um processo de medição.

Além dos depósitos, também o revestimento refractário (11) necessita de atenção.

Estes revestimentos refractários (11) protectores têm um tempo de vida útil entre um e cinco anos. 0 revestimento refractário é aplicado à parede de membrana com a ajuda de um processo de projecção, mediante a adição de água, verificando-se a presa depois do alisamento.

Também são conhecidas massas de calda de cimento fabricadas manualmente. A espessura de camada destas massas aplicadas situa-se na gama entre os 25 mm e os 30 mm. Os tipos de revestimento refractário acima mencionados são substituídos, cada vez mais, por azulejos à base de SIC (carboneto de silicio) cuja montagem é mais fácil e que são fixados na parede de membrana, opcionalmente, com ventilação na parte de trás ou com projecção de uma massa especial na parte de trás.

Ao atingirem o fim do seu tempo de vida útil, os revestimentos refractários podem cair de repente em grandes segmentes ou podem formar uma fenda para o gás de fumo, entre eles e a parede de membrana.

Ambos os acontecimentos são desfavoráveis para o processo, e futuramente poderão ser detectados, de acordo com a invenção, muito cedo.

Dentro da fenda verifica-se uma corrosão acentuada da parede de membrana, e o fluxo térmico é dificultado pela resistência térmica adicional da fenda do gás de fumo.

Em caso de perda do revestimento refractário, o fluxo 9 térmico é mais elevado do que planeado e os gases de fumo agressivos entram em contacto directo com os materiais metálicos.

Adicionalmente aos mecanismos aqui descritos, há nas caldeiras áreas para as quais é preciso saber, no respeitante à concepção - por exemplo, para o cumprimento das condições de combustão essenciais em instalações de incineração de resíduos - a intensidade do fluxo térmico em determinadas áreas da caldeira.

Neste contexto, são de mencionar nas instalações de incineração de resíduos, nomeadamente, a área de colocação dos resíduos na grelha e a área de ignição naquele local.

Normalmente, observa-se aí uma chama forte com elevada irradiação de calor.

No entanto, não se consegue saber se devido à falta de oxigénio ou à concentração ideal de oxigénio por trás ou dentro da chama se verifica uma radiação térmica igual, mais forte ou menos forte sobre as paredes da caldeira.

Basicamente, o fluxo térmico pode ser determinado por um 10 processo pontual complicado, através da parede de membrana, pela medição das temperaturas diferenciais numa camada com uma resistência térmica conhecida. A firma Clyde Bergemann vende um dispositivo deste tipo sob o nome Smart Flux™ Sensor CBW01.

Uma vez que neste processo o fluxo térmico que incide nas paredes de membrana deve ser medido a partir do lado do gás de fumo e, por conseguinte, do lado sujeito a uma carga agressiva, esta medição basicamente simples tem de aguentar esforços consideráveis.

Por um lado, os isolamentos eléctricos devem ser escolhidos de modo que se mantenham funcionais perante as temperaturas existentes.

Por outro, todo o dispositivo deve ser protegido contra os esforços corrosivos e mecânicos durante a operação e as revisões.

Um dos esforços mais elevados será a renovação do revestimento refractário. O revestimento refractário gasto é removido, normalmente, 11 com a ajuda de martelos pneumáticos e/ou por jactos de areia.

Uma outra dificuldade será o posicionamento do dispositivo descrito.

Uma vez que a parede de membrana tem uma forma relativamente complexa, através da qual o fluxo térmico não entra na parede necessariamente no sentido vertical em relação à superfície, e como a superfície aberta é aproximadamente 1,4 vezes mais elevada do que a superfície projectada, é muito difícil de determinar uma posição representativa da medição do fluxo térmico.

Por isso, o objectivo da invenção aqui apresentada é evitar as desvantagens descritas e oferecer um processo para a concepção e a verificação do fluxo térmico referente a uma determinada área de superfícies de transmissão térmica, em áreas de parede de centrais termoeléctricas, bem como um dispositivo correspondentemente utilizável que permite a utilização também em áreas de medição reduzidas até 10°, com uma precisão abaixo de 1%, e que pode ser usado, nomeadamente, também em paredes de membrana com formas relativamente complexas. 12 0 objectivo é atingido de acordo com a invenção, através das caracteristicas indicadas nas reivindicações 1, 5 e 6. A seguir, a invenção é explicada mais detalhadamente, com a ajuda de diversos exemplos de execução. 0 cálculo de temperaturas locais segundo o método dos elementos finitos, tendo em consideração as caracteristicas do material da parede de membrana, a distância entre os tubos, o material do revestimento refractário e a sua espessura, permite uma estimativa das condições posteriormente existentes em caso de combustão ideal. A seguir, a invenção é explicada com a ajuda de uma disposição simples e largamente conhecida de uma parede de membrana com um revestimento refractário não segmentado.

No cálculo das temperaturas em paredes de membrana segundo o método dos elementos finitos, verificou-se que, devido ao fluxo térmico e às resistências térmicas, a temperatura da barra é superior à do tubo (FIG 1). 13

Análises mais precisas mostraram que entre a temperatura diferencial centro da barra ao vértice do tubo virado para o lado oposto ao dos gases de fumo e o fluxo térmico especifico existe uma relação proporcional (FIG 2).

Em caso de perdas muito reduzidas através do isolamento (5) a temperatura existente no vértice do tubo virado para o lado oposto ao dos gases de fumo é aproximadamente igual à da água ebuliente. A FIG 1 mostra numa vista tridimensional as temperaturas do material na secção de uma parede de membrana tipica, ao longo dos cortes AA e BB da FIG 5.

Os cálculos segundo o método dos elementos finitos foram realizados em relação a uma parede de membrana com uma divisão (distância dos tubos) de 100 mm e uma carga térmica de 50 kW/m2 com água ebuliente a uma temperatura de 300° C.

Adicionalmente, foi considerado no cálculo que a parede de membrana está protegida por um revestimento refractário de boa condução térmica (massa S1C90) e que apresenta uma altura de 30 mm acima do vértice dos tubos. 14

Devido à condutibilidade térmica diferente dos vários componentes, ou seja, do revestimento refractário, do aço e da água, à transmissão térmica do tubo para a água e aos diferentes fluxos térmicos, as temperaturas do material são bem visíveis no contorno.

Nessa representação tridimensional foram introduzidos, adicionalmente, os pontos de medição (7) e (8) bem como a linha de corte CC da FIG 5. 0 diagrama na FIG 2 mostra o perfil de temperatura na linha de corte CC das FIG 1 e 5 que se verifica na barra (4), no lado oposto ao do gás de fumo, paralelamente à barra (4) até à água ebuliente (13). O perfil de temperatura acentuadamente simétrico deve-se ao facto de o calor que incide na barra (4) sair na direcção dos tubos (3) . A temperatura máxima verifica-se no centro da barra.

Os perfis de temperatura confirmados em ensaios foram obtidos por cálculos segundo o "Método dos elementos finitos", de acordo com a FIG 1. 15

Na FIG 2 são representados, adicionalmente, resultados de cálculo para parâmetros alterados.

Para a variação dos parâmetros foram variados a divisão de 100 mm para 75 mm e o fluxo térmico de 50 kW/m2 para 10 kW/m2. A temperatura diferencial entre o centro da barra, no lado oposto ao do gás do fumo, e a água ebuliente desce linearmente pelo coeficiente 5, de 324 °C - 300 °C = 24 °C para 304,8 °C - 300 °C = 4,8 °C, e isto com uma descida do fluxo térmico de 50 kW/m2 para 10 kW/m2.

Através da determinação (matemática) desta relação proporcional é possivel determinar continuamente, através da medição continua das temperaturas diferenciais, o fluxo térmico especifico (equações 1 - 4) .

Ao mesmo tempo, a FIG 2 mostra que a temperatura máxima da barra, do lado oposto ao dos gases de fumo, com a redução da divisão de 100 mm para 75 mm desce claramente de 304,8 para 301,2 °C, o que pode ser explicado pelo facto de incidir na barra mais curta menos calor e a resistência térmica com a barra mais curta ser mais reduzida. 16

Por isso, ao determinar o factor de proporcionalidade deve ser tida em consideração, sobretudo, a divisão da parede de membrana.

Com a ajuda deste processo segundo a invenção, é possível determinar o fluxo térmico a partir do lado exterior protegido da parede de membrana, em quase todos os pontos da parede de membrana, através da determinação da temperatura diferencial e da relação proporcional acima indicada. É possível obter dados importantes para a concepção da caldeira, sobre o estado do revestimento refractário e dos depósitos.

Desta forma, é possível decidir quais são as áreas da caldeira que têm de ser limpas pela limpeza durante o processo. Podem ser reunidos conhecimentos sobre as particularidades que se verificam na incineração de resíduos específicos e quais são as regulações que permitem um depósito menos acentuado nas superfícies de aquecimento.

Com base nestas informações, este processo segundo a invenção permite controlar melhor a caldeira. 17

Esta temperatura diferencial acima descrita que nas temperaturas do material (temperatura da água ebuliente) é de entre 250 e 300 °C, pode situar-se, muitas vezes, em apenas alguns graus, até aproximadamente 100 °C, e pode ser determinada, basicamente, com um par térmico ou por medições da temperatura da resistência.

Um par térmico é uma peça constituída por dois metais diferentes que usa o efeito Seebeck para criar uma tensão.

Esta pode ser usada, por exemplo, para medir temperaturas. O efeito Seebeck significa que dois metais interligados criam nas suas camadas limite uma tensão termoeléctrica.

Esta tensão depende da temperatura e move-se numa gama de poucos microvolts.

Com a ajuda da chamada série termoeléctrica (ver DIN EN 60584), é possível fazer uma determinada afirmação acerca da temperatura no ponto de medição.

Cada metal possui um coeficiente termoeléctrico que, 18 geralmente, é indicado contra platina.

Uma simples equação é absolutamente suficiente para a prática:

Uthi — (kfe — kcUNi) * TMessi (equaçao 1) A seguir, parte-se de um par térmico do tipo "J". 0 fio térmico positivo é constituído por ferro puro usualmente comercializado (99,95% Fe) que contém as quantidades habituais de impurezas de carbono, crómio, cobre, manganês, níquel, fósforo, silício e enxofre. 0 fio térmico negativo é constituído por uma liga de cobre-níquel, designada frequentemente por constantan.

Os dois fios, conduzidos, habitualmente, electricamente isolados em tubos de protecção ou bainhas de protecção, até ao ponto que se pretende medir, formam o par térmico.

Uthi = (k.Fe - kcuNi) * TMessi (equação D Uth2 = (kFe - kcuNl) * TMess2 (equação 2) Uth2-1 = (kpe — kCuN±) * (TMess2 - T]u[essi) (equação 3) 19

As equações 1 a 3 descrevem a formação da tensão térmica dos pontos de medição das temperaturas 1 e 2, em que kCuNi e kFe representam os coeficientes termoeléctricos da liga CuNi e Fe e TMessl e TMess2 a temperatura no ponto de medição correspondente.

Para determinar o fluxo térmico especifico que incide numa parede de membrana, precisa-se da temperatura diferencial de dois pontos de medição representativos (equação 4). TMess2 - TMessi [°C] = ΔΤ [°C] = ~ AU [V] = ~ q [W/m2] (equação 4)

Na execução prática de duas medições e na formação da diferença dos resultados poderá haver, em relação à medição pretendida, uma duplicação do erro de medição, devido aos erros admissíveis segundo a DIN. A norma ASTM E230-87 constante na edição de 1992 do anuário ASTM indica as tolerâncias da tabela de referência dos pares térmicos do tipo "J" (ferro constantan) com ±2,2 °C ou ± 0,75% (é aplicável sempre o mais elevado dos dois valores) entre 0 °C e 750 °C. 20

Os pares térmicos do tipo "J" também podem ser fornecidos com tolerâncias especiais de ± 1,1 °C ou ± 0,4%.

Mesmo com uma precisão elevada, a 300 °C com ± 1,1 ou ± 1,2 °C os possíveis erros dos termoelementos individuais são consideráveis.

Quando se comparam as temperaturas de dois pontos de medição através da formação da diferença, devem ser esperados erros até 2,2 °C.

Também não podem ser excluídos outros erros provocados pela fixação do par térmico, que se encontra electricamente isolado em tubos de protecção ou bainhas, no ponto de medição da parede de membrana.

As FIG 3 e FIG 4 apresentam uma confrontação entre o método de medição conhecido e o método de medição segundo a invenção. A FIG 3 representa o método de medição tradicional. A FIG 4 mostra como o material base é usado, em conformidade com a invenção, como parte do par térmico. 21

Nos casos em que o material base não corresponde ao ferro do tipo "J", o efeito termoeléctrico kFe pode ser determinado através de medições comparativas. (Também na medição da temperatura diferencial deve ser medido, eventualmente, kFe ·)

Em conformidade com a invenção, propõe-se escolher o material base de tubos (3) e barras (4) da parede de membrana (2) acima mencionada, fabricada de aço de baixa liga, como material base positivo comum para o par térmico e ligar em relação aos dois elementos sempre apenas um fio constantan 10a e 10b nos pontos onde se pretende determinar a temperatura diferencial. A realização deste método é particularmente simples, uma vez que os dois fios constantan negativos (10a) , (10b) podem ser soldados directamente ao material base, sem ter em consideração o isolamento eléctrico deste.

Medindo a diferença de modo habitual, com duas medições da temperatura, cada uma com uma gama de medição de 0 a 300 °C, poderá resultar, num caso desfavorável, o erro de medição de 2,2 °C. 22

Na medição desta diferença, medindo a temperatura duas vezes com pares térmicos separados, com uma gama de medição de 0 a 10 °C, poderá resultar, em circunstâncias desfavoráveis, um erro de medição de 22%.

Com a mesma precisão de 0,4% e uma gama de medição de 0 a 10 °C, no caso da medição da diferença em conformidade com a invenção, resulta da medição da diferença em conformidade com a invenção um erro de apenas 0,04 °C.

Além disso, a medição da diferença em conformidade com a invenção permite economizar 50% do material do fio térmico e um conversor de medida.

Com a medição da diferença em conformidade com a invenção, numa gama de medição adaptada à temperatura diferencial máxima e, por conseguinte, ao fluxo térmico máximo, pode ser conseguida uma precisão de medida de aproximadamente 0,4%.

Se, por motivos de segurança, a gama de medição for concebida para o dobro do valor da temperatura diferencial esperada, o erro de medição esperado ainda se situa abaixo de 1%. 23

Quando a instalação estiver parada, o ponto zero pode ser calibrado, uma vez que nessa altura a tensão térmica é igual a 0.

Com a escolha do material base como parte da medição da diferença em conformidade com a invenção, todos os erros que normalmente podem surgir devido às perdas de calor dos elementos de fixação deixam de existir.

Através da limpeza da parede de membrana antes do arranque da instalação, pode ser determinada a redução do fluxo térmico, em estados de funcionamento comparáveis, através da formação dos depósitos.

Se, para além disso, os depósitos forem removidos durante a operação do sistema, através da limpeza durante o processo, a medição do fluxo térmico permite a optimização da operação de incineração.

As posições dos pontos de contacto são escolhidas com base em estimativas teóricas acerca dos fluxos térmicos esperados e das áreas de risco do revestimento refractário.

Uma redução lenta e constante da temperatura diferencial 24 e, por conseguinte, do fluxo térmico após a limpeza durante uma paragem ou a limpeza durante o processo significa a formação de depósitos.

Desvios repentinos com uma subida do fluxo térmico deixam concluir pela perda do revestimento refractário. A descida do fluxo térmico em estados de funcionamento comparáveis, após uma remoção dos depósitos, deixa concluir pela separação e formação de fendas do revestimento refractário.

Nas áreas criticas, a funcionalidade do revestimento refractário pode ser controlada por meio de pontos de medição dispostos na vertical.

Neste contexto, é importante o extremo superior do revestimento na direcção do fluxo dos gases de fumo.

Com a ajuda de pontos de contacto antes e depois do extremo da massa refractária de cimento é possivel detectar, em grande parte independentemente do estado de funcionamento, se o revestimento apresenta alterações. 0 método descrito e os dispositivos propostos são 25 adequados, basicamente, para todos os tipos de grelha, leitos fluidificados, queimadores de combustivel pulverizado e caldeiras de combustão alimentadas com materiais alternativos.

Na FIG 6 encontra-se representada uma caldeira de combustão típica, com uma câmara de combustão (31) , o primeiro canal de radiação (32), o segundo canal de radiação (33) e o terceiro canal de radiação (34) bem como um canal de convecção (35). A câmara de combustão (31) está limitada, no seu essencial, pelo distribuidor (36), pelo tecto da câmara de combustão (37), pelo tecto da câmara de calcinação (38), pelas paredes laterais da câmara de combustão (39) e pela grelha (41a-e). A alimentação com combustivel realiza-se através da alimentação de resíduos (40) e do distribuidor (36). A incineração realiza-se em cima da grelha de incineração (41a-e) que, neste exemplo, está dividida em 5 zonas de grelha que podem ser accionadas individualmente ou em conjunto. 26 A seguir à grelha (41), a escória calcinada cai no poço de escória (42) onde se encontra o equipamento de remoção da escória. 0 ar primário (43a-e) é introduzido, separado pelas zonas da grelha (41a-e). 0 ar secundário (44a-d) serve para a mistura e a calcinação segura dos gases antes da entrada no primeiro canal de radiação (32).

Em instalações modernas, o ar secundário é injectado no lado frontal e de calcinação em 2 niveis.

Por cima da injecção do ar secundário (44a-d) encontram-se instalados os queimadores de arranque e de apoio (24).

As paredes do primeiro canal de radiação podem ser revestidas, na área inferior, com um revestimento refractário (45), com vista ao cumprimento das condições de combustão essenciais e à protecção das superfícies de aquecimento contra a corrosão.

As paredes de membrana (29) por cima do revestimento refractário (45) no primeiro canal de radiação (32) e, em 27 parte, no segundo canal de radiação (33) podem ser protegidas contra corrosões mediante a soldadura de ligas à base de niquel (47).

Nesse caso, com as temperaturas habituais da água ebuliente de 240 a 320 °C e as temperaturas reduzidas dos gases de fumo, normalmente não há necessidade de tomar medidas anti-corrosivas na parte inferior do segundo canal (33) e do terceiro canal (34).

Normalmente, os gases de fumo arrefecem desde a entrada (48) no primeiro canal (32) com 1000 - 1300 °C até à saida do terceiro canal (34) para 450 - 650 °C e entram com estas temperaturas no canal de convecção (35).

No canal de convecção (35) os gases de fumo arrefecem num evaporador de protecção (49), em sobreaquecedores (20), evaporadores (21) e economizadores (22) para 180 - 230 °C e saem da caldeira através do canal de saida (23).

Até aqui, na área (46) da FIG 6 formam-se, via catalítica, novas dioxinas e furanos nos depósitos (De Novo Synthesis).

As FIG 6 a-d mostram a posição de montagem das medições 28 do fluxo térmico em conformidade com a invenção e os procedimentos em conformidade com a invenção. FIG 6:Contorno de caldeira com equipamento completo de sensores para o fluxo térmico, usados para a determinação das temperaturas diferenciais mencionadas nas reivindicações 4, 10, 11 e 12 e dos perfis de temperatura. FIG 6a: Recorte da FIG 6, medições do fluxo térmico para a determinação da posição do combustível antes do distribuidor, por cima da zona de grelha (31), de acordo com a reivindicação 6. FIG 6b: Recorte da FIG 6, medições do fluxo térmico para a determinação da posição do fogo dentro do sistema de combustão, de acordo com a reivindicação 5. FIG 6c: Recorte da FIG 6, medições do fluxo térmico para a determinação da posição do fogo na zona de calcinação, de acordo com a reivindicação 8. FIG 6d: Recorte da FIG 6, medições do fluxo térmico para a determinação do estado do revestimento refractário, de acordo com a reivindicação 9. 29

Os seguintes exemplos de execução da invenção baseiam-se numa instalação de incineração típica com grelha para resíduos, de acordo com a FIG 6.

Para expor com maior clareza as múltiplas possibilidades de regulação, a tabela 1 contém, por cima das características da invenção, as variáveis reguladoras e as influências das informações obtidas em conformidade com as reivindicações 3 a 12. 30

30 Medição do fluxo térmico Resistência térmica Posição do fogo na grelha Combustível antes do distribuidor Sistema térmico no caminho dos gases de fumo Rendimento térmico zona de calcinação Estado do revestimento refractário Estado do depósito Detecção da separação Regulaçao reprodutível Característica da invenção de acordo com a reivindicação m >n r- 00 o\ o CI Processo/ dispositivo Proc. Proc. Proc. Proc. Proc. Proc. Proc. Proc. Proc. Proc. Variável reguladora/ Influência Rendimento Vapor X X X X X X X Resíduos X X X X X X X Combustível Introduzir X X X X X X X Armazenar X X X X X X X Secar X X X X X X X Movimentar X X X X X X X Atiçar X X X X X X Distribuição do ar Ar primário/ secundário X X X X X X Ar primário 5 vezes X X X X X X X Ar primário temp. 5 vezes X X X X X X X Ar secundário 4 vezes X X X X X Tempo de funcionamento após limpeza X X X X X Qualidade dos resíduos X X X X X Excesso de ar X X X X X TABELA 1 medições da temperatura daí resultantes para a

Relação entre a informação das diferencial e das intervenções regulação do rendimento da central termoeléctrica 31

Para a regulação A regulação essencial é a regulação do rendimento da combustão que tem objectivos diferentes. A lei exige uma calcinação segura da escória e dos gases de fumo a determinadas temperaturas mínimas e tempos de permanência minimos.

Adicionalmente, verificam-se esforços intensos para tornar o funcionamento da instalação, o mais uniforme possível, apesar das composições variáveis do combustível, podendo este objectivo vir a estar em oposição aos requisitos legais acima mencionados.

Simplificando a questão, pode ser tomada a decisão a favor de um rendimento estável do vapor ou a favor de um rendimento estável da incineração.

No rendimento estável do vapor, o vapor constitui a grandeza de referência essencial que regula o rendimento da incineração através da regulação do rendimento da combustão.

Uma vez que a informação do rendimento da quantidade de 32 vapor entra na regulação do rendimento da combustão claramente retardado em relação ao rendimento real da incineração, são disponibilizadas outras informações do funcionamento.

Até ao momento actual, foram usadas, preferencialmente, as medições da temperatura no tecto e o teor de oxigénio nos gases de fumo na área do economizador.

Futuramente podem ser usadas, favoravelmente, as informações das medições do fluxo térmico.

Como já exposto no inicio, na regulação alternativa do oxigénio, o consumo de oxigénio (produto da alteração do oxigénio e da quantidade de ar introduzida) e, por conseguinte, o rendimento quimico da incineração, são mantidos constantes com a mesma quantidade de ar.

Importante para a realização do processo segundo a invenção é que se encontrem na grelha resíduos combustíveis em quantidades suficientes, para que, em caso de necessidade, o rendimento térmico possa subir rapidamente depois de atiçar.

Através da medição do fluxo térmico ao longo da grelha 33 (reivindicação 5) , é possível detectar em que áreas da grelha ainda se encontra combustível. A Tabela 1 mostra que podem ser usadas praticamente todas as variáveis reguladoras para levar a posição da combustão em cima da grelha para a área de temperatura adequada.

Da comparação entre as temperaturas também pode resultar que o rendimento (vapor ou resíduos) tem de ser modificado.

Caso a dosagem do combustível tenha sido insuficiente, o regulador poderá detectar este facto através das medições do fluxo térmico instaladas na área do distribuidor (revindicação 6).

Aqui deverá ser aumentada, em primeiro lugar, a dosagem ou, como alternativa, reduzido o rendimento de incineração.

Mas também podem ser tomadas as outras medidas constantes na Tabela 1.

Se, por exemplo, for introduzido menos ar e ar mais frio 34 nesta zona da grelha, os resíduos queimam aí mais lentamente.

Se a taxa de libertação de calor no fim da grelha na zona de calcinação for demasiado elevada, este facto será detectado com a ajuda das medições do fluxo térmico mencionadas na reivindicação 8.

Neste caso, pode ser usada para a regulação qualquer medida, desde a redução do rendimento até ao aumento do pré-aquecimento do ar. A decisão é tomada pelo programa de regulação, de acordo com a definição das condições de optimização.

Lista dos números de referência das FIG 1-5 1 Câmara de combustão 2 Parede de membrana 3 Tubo 4 Barra 5 Isolamento 6 Fluxo térmico específico da câmara de combustão (1) 7

Ponto de contacto do centro barra 35 8 Ponto de contacto vértice do tubo virado para o lado oposto ao do gás de fumo 9 Tensão térmica 10 a e b Fio constantan 11 Revestimento refractário 12 Perda de calor especifica através do isolamento (5) 13 Água ebuliente

Descrição da FIG 6 (31) Câmara de combustão (32) Primeiro canal de radiação (33) Segundo canal de radiação (34) Terceiro canal de radiação (35) Canal de convecção (36) Distribuidor (37) Tecto da câmara de combustão (38) Tecto da câmara de incineração (39) Paredes laterais da câmara de combustão (40) Alimentação com residuos (41) (a - e ) Grelha de incineração zonas 1-5 (42) Poço da escória (43) Ar primário zonas 1-5 (44) Ar secundário lado frontal em baixo (a), em cima (c) 36 (44) Ar secundário lado de calcinação em baixo (b) , em cima (d) (45) Revestimento refractário no primeiro canal (46) Área para a Novo Synthesis (47) Soldadura austenitica (48) Entrada no primeiro canal (20) Sobreaquecedor (21) Evaporador (22) Economizador (23) Canal de sarda dos gases (24) Queimadores de arranque e de apoio (25) Temperatura da abobada da caldeira * Medição do fluxo térmico LISBOA, 17 de MARÇO de 2009

Claims (6)

1. REIVINDICAÇÕES Processo para a concepção e o controlo de um fluxo térmico dirigido a uma área de superfícies de transmissão térmica em áreas de parede de centrais termoeléctricas, constituído por caldeiras de aquecimento com câmara de combustão, canais de radiação e de convecção e paredes de membrana, em que as áreas de transmissão térmica são constituídas por tubos (3) para os fluidos que se pretende aquecer e barras (4) soldadas aos tubos (3), de modo a ser formada uma parede de membrana (2) contínua constituída por um material base ferroso, caracterizado por as paredes de membrana da câmara de combustão e dos canais de radiação estarem equipadas com diversos sensores, constituídos por pelo menos dois pontos de contacto (7), (8) para a medição das tensões diferenciais segundo o método da medição por pares térmicos, e com um dispositivo de indicação (9) para a conversão das tensões diferenciais medidas em unidades de fluxo térmico, por cada um dos pontos de contacto (7), (8) estar apoiado no material base ferroso interligado de forma contínua e ligado 2 através dos respectivos condutores do mesmo material por fios térmicos ao dispositivo de indicação, sendo um dos condutores montado no centro da barra e o outro condutor no vértice do tubo seguinte ou contiguo e ligado ao dispositivo de indicação, e por o fluxo térmico ser determinado através da tensão diferencial, a partir dos dados de medição obtidos durante o funcionamento da central termoeléctrica.
2. 2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o fluxo térmico ser determinado continuamente durante o funcionamento da central termoeléctrica sendo obtido a partir dai o perfil do fluxo térmico.
3. 3. Processo para a regulação do rendimento de combustão em centrais termoeléctricas mediante a utilização de um processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por o perfil de fluxo térmico determinado durante o funcionamento ser comparado a um perfil para uma taxa de libertação uniforme do calor e ser determinada, a partir daí, a posição do fogo no sistema de incineração e o tipo e a 3 quantidade do combustível a ser distribuído na grelha ou no leito de combustível.
4. 4. Processo para a determinação de um estado crítico do depósito nas superfícies de aquecimento da câmara de combustão formada pelas paredes de membrana ou dos canais de radiação de uma central termoeléctrica, através da medição da temperatura diferencial, caracterizado por na área crítica para a formação de depósitos ser montado um par térmico diferencial de acordo com a reivindicação 2, no lado da parede de membrana oposta à dos gases de fumo, sendo um dos pontos de medição soldado no centro da barra ao ponto de contacto (7) e o outro ponto de medição no vértice do tubo que se encontra do lado oposto ao dos gases de fumo ao ponto de contacto (8), e por a medição constante da temperatura diferencial permitir detectar uma alteração crítica do estado do depósito na parede de membrana logo que não seja atingida uma determinada temperatura diferencial predefinida na parede de membrana.
5. 5. Dispositivo de medida do fluxo térmico para uma 4 superfície de transmissão térmica de uma parede de membrana, nomeadamente uma superfície de transmissão térmica que se segue a uma câmara de combustão de uma central termoeléctrica, em que a superfície de transmissão térmica é constituída por tubos (3) para o fluido que se pretende aquecer e barras (4) soldadas aos tubos (3) , de modo a ser formada uma parede de membrana (2) contínua constituída por um material base ferroso, em que o dispositivo de medida do fluxo térmico é constituído por pelo menos dois pontos de contacto (7), (8) para a medição das tensões diferenciais segundo o método de medição por pares térmicos e um dispositivo de indicação (9) para a conversão das tensões diferenciais medidas em unidades de fluxo térmico, caracterizado por o dispositivo de medida do fluxo térmico como par térmico diferencial poder ser apoiado com os pontos de contacto (7), (8) no material base, no lado da parede de membrana oposta ao dos gases de fumo, por cada ponto de contacto ser ligado através do respectivo condutor (10a) ou (10b) do mesmo material para fios térmicos ao dispositivo de indicação (9), sendo um dos condutores montado no centro da barra (4) e o outro condutor no vértice do tubo (3) seguinte ou contíguo. 5
6. 6. Dispositivo para a realização da regulação do rendimento de combustão em centrais termoeléctricas com várias superfícies de transmissão térmicas que se seguem a uma câmara de combustão, constituído por tubos para o fluido que se pretende aquecer e barras soldadas aos tubos, de modo a ser formada uma parede de membrana contínua, caracterizado por o dispositivo ser constituído por uma secção da parede de membrana equipada com dispositivos de medição do fluxo térmico de acordo com a reivindicação 5, sendo um dos condutores (10a) montado no centro da barra (7) e o outro condutor (10b) no vértice do tubo de aquecimento (3) seguinte ou contíguo. LISBOA, 17 de MARÇO de 2009