Balanço térmico de aquecedores

1. Balanço de Massa e Térmico
Indústrias
Centrais Termelétricas
- Instalações Evaporação
Aquecedores -

5. 1. UTILIZAÇÃO DE FOGO DIRETO
2. WOOD – 1785:
SUBSTITUIÇÃO DO FOGO DIRETO POR AQUECIMENTO COM VAPOR COMO MEIO DE
AQUECIMENTO DE FUNDO DUPLO
3. HOWARD – 1812:
INTRODUÇÃO DO VÁCUO, REDUZINDO A TEMPERATURA DE EBULIÇÃO DE
113 PARA 60 OC
4. DEGRAND – 1824:
UTILIZOU O CALOR LATENTE DO VAPOR PROVENIENTE DA EVAPORAÇÃO E
INSTALOU SERPENTINAS NO FUNDO DO EQUIPAMENTO PARA MELHORAR A
SUPERFÍCIE DE AQUECIMENTO.
PROJETOU O PRIMEIRO DUPLO EFEITO
5. RILLIEUX – 1846:
COMBINAÇÃO DOS USOS DO VÁCUO E DO CALOR LATENTE, COM O SURGIMENTO DO
MÚLTIPLO EFEITO

6. CHARLES EDVARD HOWARD
 18/05/1774 + 13/03/1816
• SUBSTITUIU VÁRIOS FOGOS DIRETOS POR UM ÚNICO(CALDEIRA) E O USO DO VAPOR;
• 1812-1813: PROJETOU TACHO DE COZIMENTO FECHADO, AQUECIDO COM VAPOR E
COM BOMBA DE VÁCUO, REDUZIU A TEMPERATURA DE EBULIÇÃO DE 113 PARA 60O C.

7. USINA ANTIGA DE CUBA COM TACHOS HOWARD

8. NOBERT RILLIEUX
 17/03/1806 + 08/10/1894
• 1834-1843-DESENVOLVEU O PROJETO DO MULTIPLO EFEITO.
• 1843 – PRIMEIRA PATENTE: DOIS TACHOS HOWARD EM SÉRIE.
• 1846 – SEGUNDA PATENTE: O MÚLTIPLO EFEITO
PATENTE NOBERT RILLEUX

12.  RESULTADOS TACHOS INSTALADOS :
04
SISTEMA DE AGITAÇÃO MECÂNICA:
 1OO CV/
1.750 – 57rpm,
COM VELOCIDADE CONSTANTE
SISTEMA DE COZIMENTO : DUAS MASSAS
VAPOR AQUECIMENTO: VEGETAL V1 / V2
TEMPO DE COZIMENTO: 0h:50mim à 1h:00mim
TIPO AÇÚCAR PRODUZIDO: VHP
PRODUÇÃO AÇÚCAR SEMANA : 221.354 SACOS
PRODUÇÃO AÇÚCAR MÉDIO DIA: 31.500 SACOS
CONSUMO VAPOR : 370 - 400 KG/TC
RECUPERAÇÃO COZIMENTO: 85,0 – 86,0 %
COEFICIENTE DE VARIAÇÃO (CV): 24,0 %
600 hl
500 hl
800 hl

13. OS TUBOS NA POSIÇÃO HORIZONTAL NÃO É A MELHOR SOLUÇÃO
PARA RETIRAR OS CONDENSADOS.

14. TUBOS NA POSIÇÃO VERTICAL OS CONDENSADOS SÃO RETIRADOS
MAIS RAPIDAMENTE, EVITANDO A FORMAÇÃO DA CAMADA DE
FILME ISOLANTE.
AS BOLHAS DE VAPOR FORMADAS NA MASSA DENTRO DO TUBO,
DEVIDO A MENOR DENSIDADE FORÇAM UM FLUXO DA MASSA
ASCENDENTE NO TUBO E DESCENDENTE PELO TUBO CENTRAL OU
PASSAGEM LATERAL.
Tvs °C
Tc °C
k 1 k p k 2
Q = EXCHANGED HEAT
Q = k1 ( Tf - te )
Q = kp ( te - ti )/e Q = K (Tf - Tj)
Q = k2 ( ti - Tj ) Tf - Tj = Q( 1 / K )
Tf - te =Q/k1 Tf - Tj =
te - ti = (Q x e)/kp Q(1/k1 +e/kp +1/k2)
ti - Tj = Q/k2
1 1 e 1
K k1 kp k2
K
e
Tf
te
ti
Tj

15. - DEPOIS DA SEGUNDA GUERRA VÁRIOS PROJETOS DE TACHOS CONTÍNUOS FORAM
DESENVOLVIDOS, A MAIORIA TENDO O PRIMEIRO COMPARTIMENTO PARA GRANAGEM;
1961 – SUDZUCHER PROPÔS A INTRODUÇÃO DE MAGMA NO PRIMEIRO
COMPARTIMENTO E A RETIRADA DE MASA COZIDA NO ÚLTIMO
1964 – FABRICANTE INTRODUZ SEU TACHO CONTÍNUO COM ELEMENTOS DE
VERTICAIS DE AQUECIMENTO ;
1931 – SE PRPÕES A IDÉIA DE UM TACHO HORIZONTAL, DIVIDIDO EM
COMPARTIMENTOS, AQUECIDOS POR SERPENTINAS VAPOR;
ANOS 1940 – DIVERSOS PROJETOS PARA TRANSFORMAR OS TACHOS DE BATELADAS EM
COM A INTRODUÇÃO DE DIVISÕES RADIAIS;
“ROULIARD (1988) REPORTA QUE DE 1932 ATÉ 1987, FORAM FEITOS 191
TRABALHOS TÉCNICOS E 105 PATENTES SOBRE EQUIPAMENTOS E
CARACTERÍSTICAS DE PROCESSO”
1964 – FABRICANTE INTRODUZ SEU TACHO CONTÍNUO COM PLACAS
VERTICAIS DE AQUECIMENTO;
1978 – PROJETA-SE TACHO HORIZONTAL COM TUBOS VERTICAIS;
CONTINUA EM TODO MUNDO ESTUDOS E PROJETOS DE DIVERSOS TIPOS DE TACHOS.
FABRICANTE UTILIZA TUBOS HORIZONTAIS COMO CALANDRA;

16. CARACTERÍSTICAS TACHO CONTÍNUO 220 m3 Unidade
Comprimento total mm 18.150
Largura total mm 6.132
Altura total mm 9.813
Comprimento interno mm 17.500
Número de compartimentos 12
Comprimento de cada compartimento mm 2.900
Disposição dos tubos de aquecimento VERTICAL
Número de tubos de aquecimento 4.316
Comprimento dos tubos mm 1.500
Diâmetro externo tubos / espessura mm 101,6 / 1,6
Material tubos AISI 304
Número de calandras / Número entradas vapor 03 / 03
Superfície de aquecimento m2 2.000
Volume total do tacho ( Vol. massa + Vol.expansão) m3 404
Altura da massa acima do espelho superior mm 500

17. Trabalha com vapores de baixa pressão e temperatura:
V3 de Quíntuplo Efeito: 95 – 100 oC

19.  Malha de controle fechada no controle do brix dos compartimentos;
 Controlar o brix a cada dois compartimentos, medindo a condutividade por meio
de sondas de rádio freqüência, limpando-as diariamente;
 Taxa de evaporação constante, regulando a entrada de vapor de cada calandra,
através da medição da vazão dos condensados;
 Controle do vácuo dentro do corpo, atuando na válvula de água fria ao
condensador barométrico;
 Controle de brix do mel diluído, sem medição de brix, por meio de balanço de
massa;
 Controle do nível do último compartimento para retirada de massa atuando na
velocidade da bomba de descarga;
 Controla a vazão na entrada de magma, atuando na velocidade de sua bomba de
alimentação, sem medidor de vazão (opcional);
 A medição dos condensados das, é um indicador da produtividade do tacho.
O Controle deve ser implementado eliminando todos os desvios e
perturbações do processo, para que o tacho opere de forma estável
e com a mínima intervenção do operador.
SISTEMA DE CONTROLE DIRETO

20.  Controle por câmara das vazões de xarope/mel que entram no tacho, por
controladores de vazão, um para duas câmaras;
 Medição do brix do estado da massa cozida final por medidores de micro ondas
ou radio freqüência;
 Controle do vácuo dentro do corpo, atuando na válvula de água fria ao
condensador barométrico;
 Controle de brix do mel diluído;
 Controle do nível do último compartimento para retirada de massa atuando na
velocidade da bomba de descarga;
 Controla a vazão na entrada de magma, atuando na velocidade de sua bomba de
alimentação;
 Medição e totalização da vazão de xarope/mel que entra no tacho;
Baseado num balanço de massa e de energia, antecipando-
se aos prováveis desvios que possam ocorrer durante a
operação e corrigindo-os automaticamente.
SISTEMA DE CONTROLE PREDITIVO

21. A principal vantagem é não necessitar de nenhuma medida da massa cozida nas
células, e desta maneira não necessita fazer limpezas em medidores de micro ondas ou
rádio freqüência.
VANTAGENS
SISTEMA DE CONTROLE PREDITIVO
DESVANTAGENS
A principal desvantagem é ser totalmente blindado para as condições do tacho.
O longo tempo de retenção da massa no tacho faz este sistema muito lento para
predizer com exatidão as condições na célula para qualquer mudança rápida.

22. MEDIÇÕES DOS CONDENSADOS DAS CALANDRAS.

24. Separadores Vapor / Líquido
Inercial
A força de arraste induzida pelo
fluxo é menor que a força
gerada pela ação da gravidade
sobre as partículas acima de
certo tamanho
Impacto
As partículas de líquido
contidas no vapor chocam-
se com as placas colocadas
de forma transversal ao
fluxo.
Centrífugo
O vapor e as partículas de líquido
entram tangencialmente em um cilindro
vertical. O vapor forma um movimento
ciclônico no interior do cilindro. Devido à
inércia as partículas de líquido chocam-
se contra a parede do cilindro e escorre
pela ação da aceleração da gravidade.

25. Distribuidor do Caldo
Circulação
Entrada Caldo
Tanque
Distribuidor de
Caldo
Porta Visita

26. Distribuidor do Caldo

27. SPRAY DISTRIBUIDOR DO CALDO
EVAPORADOR PELÍCULA DESCENDENTE TUBULAR

32. EVAPORADOR KESTNER - TUBOS 6,0 m
EVAPORADOR KESTNER - 1906

37. 1850 : ROBERT, DIRETOR FÁBRICA EM SEELOWITZ, REPUBLICA THECA (ANTIGA
MORAVIA), SUBSTITUIU AS CALANDRAS HORIZONTAIS DE RILLIEUX POR TUBOS
VERTICAIS, CONSTRUINDO PRIMEIRO TRIPLO EFEITO COMO AINDA HOJE UTILIZAMOS

38. Extração eficiente das águas condensadas, nos pontos mais
eqüidistantes das entradas de vapor
Trabalhar com o nível do caldo de 20 a 40 % da altura dos tubos
Boa circulação do vapor entrando através da calandria
Boa distribuição do caldo entrando através dos tubos
Melhores índices possíveis de taxas de evaporação ( Coeficientes de
Transmissão de Calor)
Extração eficiente dos gases incondensáveis
Menor tempo de retenção, minimizando as perdas térmicas da
decomposição da sacarose e perda de côr
Comprimento dos tubos: 3,0 – 4,50 metros
Corpo com altura adequada e bom separador de arraste interno

41. É necessário haver mudança de estado físico do
vapor (condensando), para ocorrer transmissão de
calor, cedendo seu calor latente de evaporação ao
caldo, permanecendo na água o calor sensível.
Para que isso ocorra eficientemente, um bom
desenho da calandra é que faz a diferença nos
resultados de taxas de evaporação / coeficientes
de evaporação obtidos.

42. • Melhores índices de taxas de evaporação
(Coeficientes de transmissão de calor);
• Extração eficiente das águas condensadas
(No ponto mais equidistante da entrada de
vapor);
• Extração eficiente dos gases incondensáveis
(Superiores e inferiores – “leves e pesados” );
• Menor tempo de retenção, minimizando as
perdas térmicas da decomposição da sacarose;

43. Saídas Gases
Incondensáveis
Saídas águas
condensadas
Vapor
Tubo central
selado
Vapor
AS CALANDRAS COM DEFLETORES INTERNOS ENTRE O FEIXE TUBULAR QUE DIRECIONAM O FLUXO
DO VAPOR PARA UM CANTO FINAL ENTRE OS DEFLETORES E O CENTRO, PERMITEM QUE OS GASES
INCONDENSÁVEIS E AS ÁGUAS CONDENSADAS POSSAM SER EXTRAÍDOS EFICIENTEMENTE

44. Alimentação Chapman Alimentação Periférica

47.  As câmaras de vapor acima da pressão
atmosférica, os gases são retirados para a
atmosfera.
 As câmaras de vapor submetidas ao vazio
devem ir diretamente ao condensador.
 Essas retiradas dos gases fora das
calandrias dos efeitos subseqüentes, evitará a
possibilidade de uma transferência de calor
mais baixas em tais efeitos.

48.  Os gases incondensáveis, permanecem misturados com o
vapor e podem migrar para o topo e o fundo da calandra.
 Lei de DALTON das pressões parciais:
Em uma mistura gasosa cada gás exerce uma pressão
parcial igual a que teria se ocupasse sozinho o mesmo
volume a mesma temperatura, e a pressão total da mistura
é igual a soma das pressões parciais de todos os gases
que a compõem.
 Os gases são maus condutores de calor, é necessário
removê-los tão rapidamente quanto possível.

49. “ A transferência de calor é drasticamente reduzida pela
presença de pequenas quantidades de ar ou outros gases
no vapor.”
“Uma das frequentes opiniões ouvidas é que o ar assentaria
no fundo da calandra porque o ar é mais pesado que o
vapor de água, mas eles permanecem misturados e o ar
pode migrar para ambos, o topo e o fundo.”

50. A pressão total exercida pelos gases é igual a soma das
pressões parciais exercidas por cada um dos gases.
pT = pA + pB + pC + ... + pN
Exemplo numérico (Billet, Evaporation Technology, pág.214):
Como consequência da retirada inadequada de incondensáveis, a fração
de gases no espaço vapor de uma calandra de um evaporador com vapor
a 1 bar (0 de pressão manométrica) e 100°C subiu para 13,5%. O caldo
deve ferver nos tubos a 80°C. Qual foi a perda de temperatura disponível
para a transferência de calor?
Solução:
• Pressão parcial exercida pelos gases: pg = 0,135 x 1 = 0,135 bar
• Portanto, a pressão do vapor caiu para: pv = 1 – 0,135 = 0,865 bar
• A temperatura de condensação, olhando-se na Tabela de Vapor, para a
pressão de 0,865 bar, é de 95,6°C.
• A perda de temperatura é então de: 100 – 95,6 = 4,4°C.

51. DISTRIBUIÇÃO
DE VAPOR
ANELAR

53. Entradas Periféricas
do Caldo
Saída Caldo
Vapor
Entrando
Vapor
Entrando
Saídas Gases Incondensáveis
Distribuidor de Vapor Periférico
Saída Águas
Condensadas
Tubo central selado
Distribuidor de Vapor Periférico
SAÍDAS DE ÁGUAS CONDENSADAS
JUNTO AO TUBO CENTRAL
ELIMINAR SAÍDAS DE ÁGUAS
CONDENSADAS PERIFÉRICAS
X
X
TUBO CENTRAL
SELADO
Saídas Gases Incondensáveis
Entradas Periféricas
do Caldo
X X
X X

63. Circulação do Caldo
Passagem Única
X
Recirculação

65. • ... a quantidade de água evaporada por unidade de área
de aquecimento dependeria não somente da eficiência do
desenho do evaporador, mas, também da diferença entre
a temperatura do vapor de aquecimento e a temperatura
de ebulição do caldo...”

66. • ... um sistema de recirculação necessita energia extra
para recircular uma certa quantidade de caldo, cuja
energia tem de ser suprida na forma de vapor extra.
• ... A partir do acima podemos tirar a conclusão de que o
sistema de passagem única é qualitativamente melhor do
do que qualquer sistema de recirculação em virtude das
condições mais favoráveis ​​para a transferência de calor
no interior dos tubos.

67. • O caldo da cana de açúcar é um produto termo lábil, a
sacarose decompõe-se sob a ação de temperatura
elevadas.
• A glucose e a levulose transforma-se em produtos
melanoides coloridos.
• O tempo de retenção e a temperatura são dois fatores
que combinados aumentam a cor do caldo e a perda de
sacarose.
• A temperatura do caldo é função da pressão do vapor de
aquecimento no primeiro efeito. Quanto maior a pressão,
maior a temperatura de saturação do vapor e maior é a
temperatura de ebulição caldo.

71. Rosetas s

72. LIMPEZA DOS TUBOS E PLACAS
Mecânica, Química, Com água sob pressão

79. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Variação do coeficiente de transmissão de calor
em função do nível do caldo na calandra.
Coeficiente
de
transmissão
(%)
Nível de caldo sobre a altura do tubo (%)
TROMP

81. Trabalha com vapores de baixa pressão e temperatura:
V3 de Quíntuplo Efeito: 95 – 100 oC
Múltiplas sangrias em Evaporadores:

86. Sistemas de Condensação e
Vácuo e Extração de Gases
Incondensáveis
Diferencial de temperatura entre o vapor para condensar e
a água saindo da coluna
Condensadores Barométricos: 3,0 – 5,0 Oc
Multijatos: 10,0 – 15,0 oC

87. Sistema de Condensação: Condensador Barométrico e extração de
gases incondensáveis com Bomba de Vácuo
SISTEMA CONDENSAÇÃO E VÁCUO E EXTRAÇÃO INCONDENSÁVEIS

88. Sistema de Condensação: Condensador Barométrico, e extração de
gases incondensáveis com Bomba de Vácuo
SISTEMA CONDENSAÇÃO E VÁCUO E EXTRAÇÃO INCONDENSÁVEIS

89. Diferencial de temperatura do vapor e a água saindo da coluna 3,0 – 5,0 oC

91. BOMBA DE VÁCUO

92. • Sistema de Condensação: Condensador Barométrico
• Sistema de extração de gases incondensáveis: Multijato (Hidro Ejetor)

94. LIMPEZA QUIMICA

95. LIMPEZA QUIMICA

96. AQUECEDORES VERTICAIS

97. • Águas condensadas para aquecimento do caldo
• Regenerador de calor Caldo x Caldo
• Vinhaça para aquecimento do caldo
REGENERADOR CALDO x CALDO

98. REGENERADOR CALDO x CALDO

99. AQUECEDORES HORIZONTAIS

100. AQUECEDORES HORIZONTAIS WEBRE

102. JULIO GRELLET
Argentino
Engenheiro Açucareiro, Professor Tecnologia Açucareira
Universidade Nacional de Tucumán
Válvulas de três vias para interconexão de vapores de
escape e vegetal em preevaporadores e caixas de evaporação

103. A otimização de um sistema de evaporação, não é
simplesmente instalar válvulas tipo multivias, para se
deixar uma caixa para limpeza.
A instalação deve ser realizada com muito cuidado,
obedecendo sempre a um estudo prévio com um
BALANÇO TÉRMICO criterioso, que permita distribuir as
caixas de Evaporação conforme os objetivos de produção
desejados.
A válvula multivias por seu projeto específico, essas
válvulas tem perdas de cargas e acarretam possibilidades
maiores de vazamentos.

108. MUITO OBRIGADO !