Máquinas Térmicas - Apostila sobre Caldeiras

Máquinas Térmicas - Apostila sobre Caldeiras

(Parte 2 de 5)

• Caldeiras da categoria B são todas aquelas que não se enquadram nas categorias anteriores.

As unidades geradoras de vapor necessitam de equipamentos para controle e operação, tais como:

• Sistema de controle da água de alimentação.

• Injetores.

Os sistemas de controle da água de alimentação devem regular o abastacimento de água ao tubulão de evaporação para manter o nível entre limites desejáveis. Esses limites devem ser observados no indicador de nível. A quase totalidade das caldeiras são equipadas com sistemas automatizados, que proporcionam maior segurança, maiores rendimentos e menores gastos de manutenção. O sistema automático de controle da água mais usado é o regulador de nível de eletrodos, mostrado na figura 12. Este regulador age diretamente na bomba de alimentação da caldeira, que de acordo com o esquema da figura 12, o eletrodo 2 com o terra 0, tem a função de ligá-la. O eletrodo 3 com o terra 0, desliga a bomba e o eletrodo 1 com o terra, funciona como alarme.

Os indicadores de nível tem por objetivo indicar o nível de água dentro do tubulão de evaporação. Em geral, são constituídos por um vidro tubular.

As válvulas de segurança são necessárias para prevenir eventual ascensão na pressão normal de trabalho da caldeira. Toda caldeira deve possuir pelo menos uma válvula de segurança, embora o recomendado seja duas. As válvulas de segurança devem ser capazes de descarregar todo o vapor gerado sem causar aumento de pressão superior a 10% da pressão de projeto.

Os sopradores de fuligem são muitos usados nas caldeiras aquotubulares e são instalados em pontos estratégicos da mesma. Servem para remover fuligem ou depósitos de cinzas das superfícies de aquecimento e funcionam, em geral, com vapor seco. Esse sai de tubeiras a alta velocidade, podendo atingir tubos distantes 2 a 3 metros. A remoção do material particulado da superfície de aquecimento pode melhorar o rendimento da caldeira de 2 a 10%.

O injetor é um dispositivo empregado como alimentador auxiliar de caldeiras para situações de falta de energia elétrica. A figura 13 mostra este dispositivo, onde o vapor proveniente da caldeira expande-se num bocal A, saindo deste a alta velocidade e baixa pressão. Na câmara 1, devido à baixa pressão reinante, água de alimentação é succionada, misturando-se com o vapor que vem de A. A mistura passa por um segundo bocal B com alta velocidade e em seguida passa por um difusor C. Nesse, parte da energia cinética do fluxo transforma-se em energia de pressão, o que permite seu ingresso na caldeira.

A maioria das caldeiras utilizam ainda pressostatos, que atuam em conjunto com os queimadores ou com alimentadores de combustível. Os pressostatos mantêm a pressão dentro de uma faixa admissível de operação.

É imprescindível também o uso de manômetros nas caldeiras, os quais devem ser ligados diretamente ao espaço ocupado pelo vapor. Devem ser graduados nas unidades apropriadas com aproximadamente duas vezes a pressão de trabalho e, em nenhum caso, inferior a 1,5 vezes. Cada caldeira deverá dispor de uma ligação para um manômetro aferidor.

Outros acessórios são ainda importantes: sensor de chama (atuam no queimador), válvula de purga (instaladas no ponto mais baixo da caldeira), válvula de bloqueio (instalados em toda saída de vapor da caldeira), etc..

O emprego de caldeiras implica na presença de riscos dos mais diversos: explosões, incêndios, choques elétricos, intoxicações, quedas, ferimentos diversos, etc. Os riscos de explosões são, entretanto, os mais importantes pela seguintes razões:

• Por se encontrar presente durante todo o tempo de funcionamento, sendo imprescindível seu controle de forma contínua, ou seja, sem interrupções.

• Em razão da violência com que as explosões acontecem. Na maioria dos casos suas conseqüências são catastróficas, em virtude da enorme quantidade de energia liberada instantaneamente.

• Por envolver não só os operadores, como também as pessoas que trabalham nas redondezas.

• Por que sua prevenção deve ser considerada em todas as fases: projeto, fabricação, operação, manutenção, inspeção e outras.

O risco de explosão do lado da água está presente em todas as caldeiras, pois a pressão reinante nesse lado é sempre superior à pressão atmosférica. Todo fluido compressível tem o seu volume bastante reduzido quando comprimido. Essa redução é tantas vezes menor quanto for o aumento de pressão. A massa comprimida de fluido procura então, ocupar um espaço maior através de fendas e rupturas. Isso é conseguido com a explosão, quando, por algum motivo, a resistência do recipiente que o contem é superada. Para evitar a explosão surge a necessidade de empregar-se espessuras adequadas em função da resistência do material e das características de operação.

No caso de caldeiras, outro fator importante a ser considerado quanto às explosões é a grande quantidade de calor transmitida no processo de vaporização, dada a grande quantidade de calor latente e calor sensível absorvida pelo vapor. Neste sentido, os danos provocados pela explosão de uma caldeira serão muito maiores que um reservatório contendo ar, por exemplo, de mesmo volume e de mesma pressão. Isso por que parte da energia será liberada na forma de calor, provocando o aquecimento do ambiente onde a explosão ocorre.

Com a finalidade de analisar o comportamento das curvas de cálculo de espessuras, simplifica-se a expressão aplicável a equipamentos submetidos a pressões internas, onde são eliminados os termos que exercem pequena influência e obtém-se:

e ≈ p R / σadm sendo e a espessura; p a pressão de projeto; R o raio interno e σadm a tensão admissível.

Considerando-se um determinado raio R constante, algumas observações podem ser feitas na figura 14 que mostra o comportamento das curvas de e em função de σadm e p.

Das curvas mostradas na figura 14 observa-se que, para resistir a uma dada pressão p, os valores de e e σadm podem variar sem prejudicar a segurança do equipamento, desde que o par (σadm,i, ei) estejam dentro da área situada acima da curva referente à pressão com a qual deseja-se trabalhar. Dessa forma, observa-se:

equipamento opere na pressão p1, mas são insatisfatório para que o equipamento opere na pressão p2. Para que o equipamento possa operar nessa pressão é necessário aumentar a espessura pelo menos para e3, ou escolher um material mais resistente, com tensão admissível igual ou superior a σadm,3. Pode-se ainda adotar outra combinação de valores σadm,x, ey, de modo que o par (σadm,x, ey) esteja acima da curva p2.

Risco de explosão pode, portanto, ser originado pela combinação de 3 causas:

• Diminuição da resistência, que pode ser decorrente do superaquecimento ou da modificação da estrutura do material (vide figura 15).

• Diminuição de espessura que pode ser originada da corrosão ou da erosão (vide figura 16).

• Aumento de pressão decorrente de falhas diversas, que podem ser operacionais ou não (vide figura 17).

3.1. O superaquecimento como causa de explosões

Quando o aço com que é construída a caldeira é submetido, em alguma parte, à temperaturas maiores àquelas admissíveis, ocorre redução da resistência do aço e aumenta o risco de explosão. Entretanto, antes da ocorrência da explosão podem haver danos: empenamentos, envergamentos e abaulamentos.

Nas caldeiras aquotubulares é muito freqüente a ocorrência de abaulamento com a superfície convexa voltada para o lado dos gases, decorrentes da deformação plástica do aço em temperatura da ordem de 400 a 550°C e sob a ação duradoura de pressão interna de vapor.

Outra conseqüência do superaquecimento é a oxidação das superfícies expostas, se o meio for oxidante, ou é a carbonetação (formação de carbetos de ferro), se o meio for redutor.

As principais causas do superaquecimento são:

• Seleção inadequada do aço no projeto da caldeira. Em caldeiras aquotubulares, por exemplo, parte dos tubos da fornalha poderão estar submetidos à radiação mais intensa que aqueles de outras partes, devendo por isso, ser constituídos por aços de características condizentes com a solicitação. Se no projeto de caldeiras não forem consideradas as condições de não homogeneidade de temperatura de trabalho das superfícies de aquecimento, poderá haver risco de fluência e/ou ruptura dessas partes submetidas a pressão, devido ao emprego de aços poucos resistentes às solicitações impostas. As figuras 18 e 19 mostram as faixas de temperatura em que os aços constituintes de chapas e de tubos, respectivamente, resistem às solicitações impostas pela geração de vapor.

• Uso de aços com defeitos. O processo de laminação utilizado na obtenção de chapas e de tubos, é aquele que mais pode determinar a inclusão de defeitos. É comum na produção de chapas ocorrer a chamada dupla laminação, consistindo de vazios no interior do aço. Após sucessivas passagens pelos laminadores, esses vazios adquirem um formato longitudinal ao longo da chapa, dando a impressão de se ter chapas sobrepostas. Esses defeitos fazem com que as chapas não resistam às cargas térmicas e/ou mecânicas previstas no projeto.

• Prolongamentos excessivos dos tubos. Isso ocorre com muita freqüência nas caldeiras fumotubulares, em que tubos expandidos nos espelhos são deixados com comprimento excessivo para dentro das caixas (câmaras) de reversão. Esses prolongamentos exagerados, identificados na figura 20, prejudicam a reversão de fluxo dos gases quentes, determinando pontos de superaquecimento, cuja conseqüência certa é o aparecimento de fissuras nos tubos e/ou nas regiões entre furos dos espelhos (vide figura 21).

• Queimadores mal posicionados. Como visto nas figuras 18 e 19, os aços das chapas e dos tubos de caldeiras admitem aquecimento a até algumas centenas de graus Celcius, sem perderem totalmente suas propriedades mecânicas. As chamas de queimadores podem atingir valores de temperatura de até 1.000°C, de modo que o mal posicionamento do queimador pode determinar a incidência direta da chama sobre alguma superfície, propiciando o superaquecimento e a fluência do material. A conseqüência disso pode ser a deformação lenta e gradual da caldeira ou a explosão eminente da mesma, o que depende da ocorrência de outros fatores. O posicionamento dos queimadores é muito mais complicada quando esses são do tipo tangenciais (vide figura 2), os quais produzem um turbilhonamento intenso dos gases no centro da câmara de combustão.

• Incrustações. Esse é um problema clássico relacionado à segurança de caldeiras.

As incrustações são deposições de sólidos sobre as superfícies de aquecimento, no lado da água, devido à presença nessa de impurezas: sulfatos, carbonatos de cálcio e/ou magnésio, silicatos complexos (contendo Fe, Al, Ca e Na) e sólidos em suspensão. Aparecem ainda, devido à presença de precipitados que resultam de tratamentos inadequados da água da caldeira (borras de fosfato de cálcio ou magnésio) e de óxidos de ferro não protetores. A incrustação, se comportando como isolante térmico (a condutividade térmica é cerca de 45 vezes menor que a do aço), não permite que a água mantenha refrigerada as superfícies de aquecimento. Isso reduz a transferência de calor do aço para a água, fazendo com que o aço absorva mais calor sensível e aumentando sua temperatura de forma proporcional à quantidade de calor recebida. Nos casos de incrustações generalizadas há um agravamento da situação para manter-se a água na temperatura de ebulição, pois é necessário o aumento do fornecimento de calor no lado dos gases (vide figura 23). Com esse aumento de temperatura, podem ocorrer as seguintes conseqüências indesejáveis com relação à segurança do equipamento:

• O aço, previsto para trabalhar em temperaturas da ordem de 300°C, fica exposto a temperaturas da ordem de 500°C, fora dos limites de resistência. Portanto, o risco de explosão acentua-se.

• A camada incrustante pode romper-se e soltar-se, fazendo a água entrar em contato direto com as paredes do tubo em alta temperatura (vide figura 24), o que pode provocar a expansão repentina da água e, de conseqüência, a explosão.

• Formação de zonas propícias à corrosão, em virtude da porosidade da camada incrustante e a possibilidade da migração de agentes corrosivos para sua interface com o aço.

• Operação em marcha forçada. Isso ocorre quando a caldeira possui potência insuficiente para atender as necessidades de vapor do usuário, que na expectativa de ver sua demanda atendida, intensifica o fornecimento de energia à fornalha. Nessas circunstâncias, dadas as limitações da caldeira, em vez de alcançar a produção desejada, o que é conseguido é o superaquecimento das várias partes da caldeira, determinando a deformação das mesmas ou até a ruptura. Portanto, isso constitui em risco eminente de explosão do equipamento. No caso das caldeiras fumotubulares, a intensificação de energia à fornalha pode também determinar riscos de fissuras no espelho traseiro, nas regiões entre furos, de forma similar aos prolongamento excessivos mencionados.

• Falta de água nas regiões de transmissão de calor. O contato da água com o aço é fundamental para mantê-lo refrigerado. Por isso, é essencial que o calor recebido pelas superfícies de aquecimento seja transferido para água, sem provocar aumento excessivo da temperatura do aço, pois no lado da água, o processo de vaporização acontece à pressão constante. No caso de haver falta de água em alguma parte da caldeira, o processo a temperatura constante cessará neste local, a partir do que se dará início uma transferência de calor sensível (com aumento da temperatura). Isso provocará o superaquecimento do metal e, de conseqüência, perda de resistência. A maior parte das explosões em caldeiras é devido à falta de água nas regiões de transferência de calor. Os principais motivos para a falta de água são a circulação deficiente de água e a falha operacional que serão discutidos a seguir:

• Má circulação da água. Nas caldeiras aquotubulares em que a circulação da água se faz de modo natural, a diferença de densidade entre as partes mais quentes da água e as partes menos quentes, é a força motriz responsável pela movimentação da água no interior do equipamento. Essa força motriz é tanto menor, quanto mais a pressão da água se aproxima do ponto crítico (220,9 bar). Na prática, para pressões de trabalho superiores a 150 bar, é justificável o uso de bombas para forçar a circulação da água. É necessário que cada tubo seja atravessado por uma quantidade de água suficiente para refrigerá-lo, pois é preciso encontrar um bom equilíbrio da vazão de água. A rugosidade, as corrosões e os depósitos internos são fatores que reduzem a vazão de água nos tubos, podendo prejudicar a refrigeração. Nas caldeiras fumotubulares é estabelecido em regime normal uma circulação de água como ilustra o esquema da figura 25. Se nos pontos A e B, em particular, os quais correspondem os pontos mais baixo e mais alto da fornalha, a velocidade da água for deficiente, pode determinar nesses pontos um aumento de temperatura. Isso tende a se agravar, se no ponto A formam-se bolhas de vapor, isolando termicamente a parede da fornalha da água da caldeira.

• Falha operacional. As caldeiras industriais de última geração operantes com combustível líquido ou gasoso são totalmente automatizadas, cujos parâmetros de funcionamento são controlados por meio de malhas de instrumentação. Isso tem exigido dos operadores poucas intervenções, exigindo, porém, maior qualificação do pessoal e maior precisão nas decisões. O esquema da figura 26 mostra a lógica do automatismo das caldeiras, obtido através de pressostatos e do sistema regulador de nível da água, que comandam, respectivamente, o funcionamento dos queimadores e das bombas de alimentação de água. A atuação desses dispositivos, indispensáveis à segurança das caldeiras, podem interromper subitamente o funcionamento das mesmas, através de válvulas solenóides que bloqueiam o suprimento de combustível, desligando totalmente os queimadores. Não obstante o automatismo das caldeiras modernas, os períodos de acendimento e de desligamento das mesmas acontecem, em geral, de forma manual. Se o acendimento se realizasse em posição automática, os controles admitiriam o máximo fornecimento de energia, pois são comandados pela pressão de vapor e isso pode ser desastroso para a caldeira. Na posição de manual, o risco de falta de água está relacionado à procedimentos inadequados do operador, que, por exemplo, não aumenta a vazão de água quando o nível tende a baixar. Falhas desse tipo em geral acontecem por falsas indicações de nível ou por imperícia na operação da caldeira. Riscos de obstruções ou acúmulo de lama na coluna de nível, geralmente acontecem, quando a limpeza ou a manutenção preventiva ou o tratamento da água são realizados de forma deficiente. Isso poderá fornecer indicações de nível incorretas para o operador ou para os instrumentos responsáveis pelo suprimento de água. De forma similar, obstruções em tubulações de água de alimentação da caldeira podem conduzir a riscos de acidentes, pois a vazão de ingresso da água será inferior à vazão de saída do vapor.

Em casos de variações no consumo ocorrer um aumento brusco na vazão de vapor, a instrumentação pode ser responsável por falta de água, pois em virtude da queda brusca de pressão, bolhas de vapor que se formam sob a superfície da água se expandem, dando origem a uma falsa indicação de nível alto, o que reduz a vazão de entrada de água. Além disso, como o pressostato sente a baixa pressão, o sinal que ele envia para os dispositivos de combustão é no sentido de fazer aumentar o fornecimento de combustível, isso tenderá a agravar a condição de risco de acidente.

3.2. Choques térmicos

Os choques térmicos acontecem em virtude de freqüentes paradas e recolocação em marcha de queimadores. As caldeiras suscetíveis a essas condições são aquelas que possuem queimadores com potência excessiva ou queimadores que operam em on-off, ou seja, que não modulam a chama. As incrustações das superfícies também favorecem os efeitos dos choques térmicos.

Outras situações de ocorrência de choques térmicos são quando a caldeira é alimentada com água fria (<80°C) ou com entrada de água quente nas regiões frias. Os problemas com choques térmicos acontece com mais freqüência com as caldeiras fumotubulares, especialmente com aquelas com câmara de reversão traseira seca.

(Parte 2 de 5)

Comentários