Fornalhas
O funcionamento de uma unidade industrial pressupõe a geração de energia a partir de utilidades quentes e frias com o objetivo de satisfazer as necessidades entálpicas do processo. Normalmente existem diferentes tipos de utilidades que têm níveis térmicos diferentes entre si. Essas utilidades visam o aquecimento ou arrefecimento das correntes processuais dependendo da sua necessidade energética.
O aquecimento de correntes a altas temperaturas poderá recorrer a um termofluido quente ou a efluentes gasosos provenientes de fornalhas, deste modo, quando uma dada utilidade quente precisa de ser fornecida a uma temperatura elevada são utilizadas fornalhas para que seja possível atingir essa temperatura, a partir de gases de combustão provenientes da queima de um combustível. Assim, uma fornalha é um gerador de vapor destinado a converter a energia química do combustível em energia térmica, ou seja, processar a queima do combustível.
O projeto de uma fornalha depende de diversos fatores tais como, a função que esta apresenta no processo, a necessidade de aquecimento, o tipo de combustível e o modo de introdução de ar. Para o efeito de projeto utiliza-se a temperatura teórica de chama, uma vez que as diferenças de temperatura entre os gases de combustão e as correntes processuais são bastante mais elevadas que a diferença entre a temperatura teórica de chama e a temperatura real dos gases. Este pressuposto é bastante útil num projeto de uma fornalha, uma vez que a temperatura real da chama é muito difícil de determinar.
Numa fornalha, o calor produzido na câmara de combustão é transferido para os tubos circundantes onde passa o fluido a aquecer, por radiação ou por convecção, de forma a maximizar a energia transferida. Para garantir que a combustão seja completa, é necessário que o oxigénio entre na câmara em excesso, diminuindo, assim, as perdas e aumentando a eficiência da fornalha.
Na Figura 1 encontra-se um esquema típico de uma fornalha.
De acordo com o tipo e a qualidade do combustível disponível, a queima na fornalha pode ser em suspensão, em grelha ou em leito fluidizado. As fornalhas de queima em suspensão utilizam combustíveis líquidos e gasosos, em geral óleo, gás natural, gás de processo ou pequenas partículas sólidas em suspensão, como por exemplo, carvão pulverizado, serragem, casca de arroz, etc. Já as fornalhas de queima em grelha ou leito fluidizado usam como fonte de energia o carvão mineral, carvão vegetal, bagaço de cana, lenha e lixo urbano.
Existem quatro categorias de fornalhas: natural draft, ar forçado, forced draft e de condensação.
As fornalhas de natural draft ventilam o calor vindo dos permutadores de calor através de chaminés, que conduziam o ar para aquecimento nas casas. A segunda categoria surgiu para substituir as antigas fornalhas de natural draft, sendo o seu funcionamento similar. O ar quente circulava por intermédio de ventoinhas e a sua eficiência ronda os 60%. As fornalhas de forced draft tinham menores dimensões, comparando com as anteriores, e utiliza ventoinhas e gases de combustão que puxavam ar através dos permutadores de calor, aumentando a eficiência. Por último, as fornalhas de condensação incluem uma área de combustão isolada e um segundo permutador. Como o permutador de calor retira calor dos gases de purga, pode ser usada para condensar vapor de água e outros químicos. A sua eficiência pode chegar aos 98%.
Em termos industriais, as fornalhas são maioritariamente utilizadas para aquecimento de correntes de modo a que as necessidades energéticas sejam atingidas. O combustível é fornecido ao queimador e entra em contacto com ar que é introduzido a partir de ventoinhas. O calor produzido vai aquecer os tubos com o fluido frio, que se encontram à volta do fogo, por radiação. O fluido quente passa dentro dos tubos e pode ser, assim, aquecido até à temperatura desejada.