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Caldeiras s caldeiras são empregadas na produção de vapor d’água ou aquecimento de fluidos térmicos. No caso das refinarias de petróleo, em termos práticos, a maior parte do vapor utilizado nos processos é gerada em caldeiras, e uma pequena parte é gerada em refervedores, com o aproveitamento de calor residual em alguns processos.

A energia para a vaporização pode ser obtida através da queima de um combustível sólido, líquido ou gasoso, ou por conversão de energia elétrica – e até a fissão nuclear, que é o caso de usinas termonucleares.

As caldeiras elétricas são equipamentos de concepção bastante simples, sendo compostos basicamente por um vaso de pressão onde a água é aquecida por eletrodos ou resistências. São fáceis de usar e de automatizar. A eficiência da transformação da energia elétrica em vapor é sempre muito elevada, da ordem de 95% a 98%, podendo atingir 9,5% em casos especiais.

Serão apresentadas aqui apenas as caldeiras que utilizam o aquecimento por queima de combustíveis, com ênfase nos equipamentos mais empregados em refinarias.

Classificação das caldeiras As caldeiras podem ser classificadas conforme qualquer das seguintes características: finalidade, fonte de aquecimento, conteúdo nos tubos, princípio de funcionamento, pressão de serviço, tipo de fornalha etc.

As caldeiras que produzem vapor pela queima de combustíveis podem ser classificadas em dois grandes grupos, de acordo com o conteúdo nos tubos: em flamotubulares e aquatubulares.

Caldeiras Unidade 1

Neste tipo, os gases quentes da combustão circulam no interior de tubos que atravessam o reservatório de água a ser aquecida para produzir vapor. Os tubos são montados como nos permutadores de calor, com um ou mais passes. Existem vários tipos de caldeiras flamotubulares, dentre os quais se destacam a vertical e a horizontal (Figura 29).

FIGURA 29CALDEIRA FLAMOTUBULAR

Vantagens

Construção fácil, com relativamente poucos custos São bastante robustas Não exigem tratamento de água muito cuidadoso Exigem pouca alvenaria Utilizam qualquer tipo de combustível, líquido, gasoso ou sólido

Desvantagens

Pressão limitada em torno de 15 atm, devido à espessura da chapa dos corpos cilíndricos crescer com o diâmetro

Partida lenta, em função de se aquecer todo o volume de água Baixa capacidade e baixa taxa de produção de vapor por unidade de área de troca de calor

Circulação de água deficiente Dificuldades para instalação de superaquecedores, economizadores e preaquecedores de ar

CALDEIRAS FLAMOTUBULARES Caldeira EscocesaCaldeira Multitubular

1 Monitoramento e controle de processos

Esse tipo de caldeira, geralmente de pequeno porte, ainda é muito utilizado em pequenas indústrias, hospitais, hotéis etc. em razão do seu baixo valor de investimento e da facilidade de manutenção, se comparada com as caldeiras aquatubulares.

Nas caldeiras aquatubulares a água a ser aquecida passa no interior de tubos que, por sua vez, são envolvidos pelos gases de combustão.

Vantagens

Maior taxa de produção de vapor por unidade de área de troca de calor Possibilidade de utilização de temperaturas superiores a 450°C e pressões acima de 60 atm

Partida rápida em razão do volume reduzido de água nos tubos A limpeza dos tubos é mais simples que na flamotubular e pode ser feita automaticamente A vida útil destas caldeiras pode chegar a 30 anos

Desvantagens

Uma caldeira aquatubular pode custar até 50% mais que uma caldeira flamotubular de capacidade equivalente

Construção mais complexa Exigem tratamento de água muito cuidadoso

As caldeiras aquatubulares são usadas nos modernos projetos industriais, pois podem produzir grandes quantidades de vapor a elevadas temperaturas. A produção de vapor neste tipo de caldeira atinge até 750 ton/h.

Classificação quanto à finalidade

Caldeiras para usinas de força termoelétrica – São projetadas para produzir vapor com alta pressão e temperatura, visando ao melhor rendimento na geração de energia.

Caldeiras industriais – São projetadas para produzir vapor saturado ou levemente superaquecido, empregado em aquecimento, evaporação e outros.

Caldeiras combinadas – Utilizadas para as duas finalidades.

CALDEIRAS AQUATUBULARESFIGURA 30

Elementos principais de uma caldeira aquatubular

Região onde se dá a queima do combustível, gerando o gás de queima aquecido.

ÁGUACaldeira com tambor longitudinal VAPORFORNALHA

Tambor horizontal localizado na parte superior da caldeira, onde água e vapor estão em equilíbrio na temperatura de saturação correspondente à pressão do mesmo.

Tambor horizontal localizado na parte inferior da caldeira, normalmente com dimensões menores do que o anterior, ficando sempre cheio d´água.

É formado pelos tubos que interligam os tambores de vapor e de água. A disposição do feixe de tubos em torno do forno constitui as chamadas “paredes de água”.

Essas paredes (laterais, frontais, teto e fundo) geram um espaço vazio envolvendo a câmara de combustão.

Isolam a câmara de combustão dos elementos estruturais, irradiando o calor não absorvido pelos tubos de volta para dentro da câmara, o que evita perdas de calor para o exterior e protege a carcaça metálica.

A estrutura e a carcaça de chapas metálicas, que envolvem a caldeira, sustentam o isolamento e os refratários, além de todos os internos, garantindo a estanqueidade. Formam também chicanas para direcionamento do fluxo de gases de combustão. As chicanas podem ser apenas paredes de refratários.

Promovem a exaustão dos gases de combustão provenientes do interior da caldeira, regulando a tiragem necessária.

Classificação quanto à tiragem

Natural – O fluxo de gases é conseguido unicamente pela ação da chaminé devido à diferença de densidades ao longo da mesma, provocada pela diferença de temperatura entre os gases de combustão e o ar que entra.

Mecânica forçada – O fluxo dos gases é obtido através da instalação de um ventilador na linha de ar de combustão, forçando-o a entrar na câmara de combustão. A pressão na câmara de combustão deste tipo de equipamento normalmente é positiva.

Mecânica induzida – O fluxo dos gases é obtido através da instalação de um ventilador na saída de gases, induzindo, assim, os gases a percorrerem o gerador de vapor.

Mecânica balanceada – Instalam-se dois ventiladores: o de tiragem forçada vence as perdas de carga até a entrada da câmara de combustão, e o de tiragem induzida vence o restante das perdas de carga.

Em linhas gerais, as caldeiras aquatubulares possuem queimadores para óleo, para gás, ou ambos. A admissão de ar pode ser primária e/ou secundária. O “maçarico a gás” recebe o gás, promove a mistura com o ar e o direciona para a câmara de combustão. O “maçarico a óleo” atomiza o óleo e direciona a mistura. O óleo deve ser atomizado para permitir uma queima completa e controlada. O atomizador pode ser mecânico (como um aspersor), ou com vapor, formado por dois tubos concêntricos que conduzem o óleo e o vapor para a câmara atomizadora, onde o vapor promove a dispersão do óleo. Para ambos temos os bicos, que orientam as misturas combustíveis e distribuem o formato da chama.

Princípios básicos de funcionamento da caldeira aquatubular Os tubos que conectam o tubulão superior ao inferior são expostos à radiação da queima e/ou ao calor dos gases de combustão. Devido ao seu encaminhamento no percurso entre os tubulões, alguns trechos de tubo recebem mais calor que outros. Nos tubos mais aquecidos, uma parte da água em contato com a parede dos tubos evapora e sobe. O efeito da diferença entre a densidade da água no tubo mais aquecido e a densidade da água no tubo menos aquecido (termosifão), mais o próprio movimento ascendente do vapor, fazem com que a água circule, indo para o tubulão

1 Monitoramento e controle de processos superior pelos tubos mais aquecidos (tubos geradores) e descendo pelos tubos menos aquecidos (tubos vertedores).

A circulação da água facilita a liberação do vapor e aumenta a eficiência da troca térmica nos tubos.

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