Máquinas Térmicas III (Caldeiras)

Máquinas Térmicas III (Caldeiras)

(Parte 1 de 5)

INTRODUÇÃO ÀS MÁQUINAS TÉRMICAS Caldeiras

PARTE 1 – INTRODUÇÃO A GERADORES DE VAPOR6
DEFINIÇÕES INICIAIS:6
COMPONENTES1
Principais Componentes1
Outros Componentes12
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO15
DEFINIÇÕES15
BALANÇO TÉRMICO17
CALDEIRAS FLAMOTUBULARES23
Classificação23
Caldeira Cornovaglia24
Caldeira Lancashire24
Caldeiras Multitubulares24
Caldeiras Locomotivas & Locomóveis25
Caldeiras Escocesas26
CALDEIRAS AQUATUBULARES28
Caldeiras Aquatubulares28
Classificação28
Caldeiras de Tubos Retos28
Caldeiras de Tubos Curvos29
Caldeiras com Circulação Forçada31
BIBLIOGRAFIA - PARTE 134
PARTE 2 - RECEPÇÃO, ENSAIO E OPERAÇÃO36
RECEPÇÃO36
ENSAIO DE PERFORMANCE E EFICIÊNCIA TÉRMICA36
OPERAÇÃO DE GERADORES DE VAPOR38
INSPEÇÃO DA CALDEIRA A VAPOR38
MEDIDAS DE SEGURANÇA38
Caldeiras de Combustíveis Sólidos38
Caldeiras de Combustíveis Líquidos39
Cuidados Especiais40
Procedimentos a serem seguidos41
BIBLIOGRAFIA – PARTE 2:42
PARTE 3 - NR-13 CALDEIRAS E VASOS DE PRESSÃO43
13.1 CALDEIRAS A VAPOR - DISPOSIÇÕES GERAIS43
13.2 INSTALAÇÃO DE CALDEIRAS A VAPOR51
13.3 SEGURANÇA NA OPERAÇÃO DE CALDEIRAS5
13.4 SEGURANÇA NA MANUTENÇÃO DE CALDEIRAS59
13.5 INSPEÇÃO DE SEGURANÇA DE CALDEIRAS62
ANEXO I-A69
ANEXO IV73
Categorias de Vasos de Pressão75
Prazos para Enquadramento das Empresas a NR-1376
PARTE 4 - CARACTERÍSTICAS E TRATAMENTO DA ÁGUA78
INTRODUÇÃO80
SISTEMAS GERADORES DE VAPOR80
1. Definição e Finalidade80
2. Tipos80
3. Esquema genérico de um Gerador de Vapor81
I - ÁGUA DE ALIMENTAÇÃO81
1. Fontes de Captação81
2. Características das Águas82
3. Tratamento Externo85
I. PROBLEMAS USUAIS EM GERADORES DE VAPOR86
1. Introdução86
2. Corrosão86
3. Depósitos91
4. Arraste92
5. Outros Problemas93
I - CORREÇÃO DE PROBLEMAS95
1. Introdução95
2. Objetivos96
3. Corrosão96
4. Depósitos98
5. Descargas9
6. Programas Apropriados para Tratamento Químico100
IV - CUIDADOS PARA GERADORES DE ALTA-PRESSÃO105
V - PRÉ-LIMPEZA E PRÉ-TRATAMENTO DE SISTEMAS106
1. Introdução106
2. Métodos107
VI - PROTEÇÃO DE CALDEIRAS TEMPORARIAMENTE OCIOSAS108
1. Introdução108
2. Desativação Temporária das Caldeiras108
3. Técnicas de Proteção108
4. Inativação a seco da Caldeira108
VII - CONTROLES ANALÍTICOS109
1. Importância109
2. Parâmetros Usuais Analisados109
3. Testes Usuais110
Conclusão1
PARTE 5 - COMBUSTÃO112
INTRODUÇÃO112
REAÇÕES DE COMBUSTÃO E ESTEQUIOMETRIA115
PODER CALORÍFICO116
MODELOS DE COMBUSTÃO128
Combustíveis líquidos128
Combustíveis gasosos131
Combustíveis sólidos135

Parte 1 – Introdução a Geradores de Vapor

Fornecendo calor à água, variamos a sua entalpia (quantidade de energia por kg de massa) e seu estado físico. Quanto mais aquecermos, mais aumentaremos sua temperatura e, conseqüentemente, sua densidade diminuirá, tornando-se mais “leve”. A medida que fornecermos calor ao líquido, suas moléculas vão adquirindo energia até conseguirem vencer às forças que as mantém ligadas (na forma líquida). A rapidez da formação do vapor será tal qual for a intensidade do calor fornecido.

A pureza da água e a pressão absoluta exercida sobre ela são os fatores que irão impor a temperatura na qual se produz a ebulição. Assim, quanto menor for a pressão, menor será a temperatura de ebulição da água.

kgf Tebulição (ºC)

Definições Iniciais:

Vapor Saturado

Denomina-se “Vapor Saturado” ao vapor produzido na temperatura de ebulição à sua pressão absoluta.

Têm-se: vapor saturado úmido: quando contém partículas de água em suspensão; vapor saturado seco: caso contrário.

Calor Sensível (hs)

A Adição de Entalpia do Líquido (calor sensível) é a quantidade de calorias necessárias para elevar 1 kg de água de 0 ºC até a sua temperatura de ebulição.

Calor Latente (hlat)

A Adição de Entalpia de Vaporização (calor latente) é a quantidade de calorias necessárias para converter 1 kg de água líquida em vapor seco à mesma temperatura e pressão (o calor latente decresce com o aumento da pressão absoluta do vapor).

Entalpia Total (hTOT)

Chama-se Entalpia Total do Vapor de Água, saturado, à soma do calor sensível e do calor latente:

hTOT = hs + hlat Quando não se consegue o vapor seco, têm-se:

hTOT = hs+ x.hlat onde x é o título (variando de 0,0 a 1,0).

Geradores de Vapor

É um aparelho térmico que produz vapor a partir do aquecimento de um fluido vaporizante. Na prática adotam-se alguns nomes, a saber:

Caldeiras de Vapor: são os geradores de vapor mais simples, queimam algum tipo de combustível como fonte geradora de calor.

Caldeiras de Recuperação: são aqueles geradores que não utilizam combustíveis como fonte geradora de calor, aproveitando o calor residual de processos industriais (gás de escape de motores, gás de alto forno, de turbinas, etc.).

Caldeiras de Água Quente: são aqueles em que o fluido não vaporiza, sendo o mesmo aproveitado em fase líquida (calefação, processos químicos).

Geradores Reatores Nucleares: são aqueles que produzem vapor utilizando como fonte de calor a energia liberada por combustíveis nucleares (urânio enriquecido).

Dentro das Caldeiras de Vapor temos as seguintes classificações [1]:

1) Quanto à posição dos gases quentes e da água: - Aquatubulares (Aquotubulares)

- Flamotubulares (Fogotubulares, Pirotubulares)

2) Quanto à posição dos tubos: - Verticais

- Horizontais

- Inclinados

3) Quanto à forma dos tubos: - Retos

- Curvos

4) Quanto à natureza da aplicação: - Fixas

- Portáteis

- Locomóveis (geração de força e energia)

- Marítimas

Como se pode observar, existem várias classificações de caldeiras de vapor, a escolha de um tipo se faz principalmente em função de:

• Tipo de serviço

• Tipo de combustível disponível

• Equipamento de combustão

• Capacidade de produção

• Pressão e temperatura do vapor

• Outros fatores de caráter econômico

Mas, de forma geral, as caldeiras possuem os seguintes elementos que a caracterizam:

Figura 1. Caldeira Aquotubular, Fixa, Vertical

1) Pressão de Regime: a máxima pressão de vapor, considerada como limite superior quando do projeto.

2) Pressão de Prova: pressão de ensaio hidrostático a que deve ser submetido a caldeira (NR-13, item 13.10 [2])

3) Capacidade de Evaporação: são as partes metálicas em contato, de um lado com a água e vapor da caldeira e, do outro, com os produtos da combustão. A medição desta área se faz pelo lado exposto às chamas.

4) Superfície de Grelhas ou Volume da Fornalha: juntamente com o item anterior, determina a potência da caldeira. Maior será a potência quanto maior for o volume da caldeira.

5) Outros: peso, superfície dos superaquecedores de vapor, economizadores de água de alimentação, aquecedores de ar, volume das câmaras de água e vapor, eficiência térmica desejável, variação da demanda, espaço necessário ou disponível, amortização do investimento.

As caldeiras devem possuir, ainda, algumas condições, a saber:

1. Projeto e Construção: sua forma e método de construção deverá ser simples, proporcionando elevada segurança em funcionamento. Todas as partes deverão ser de fácil acesso ou desmontagem para facilitar a limpeza interna e consertos ordinários.

2. Vaporização específica, grau de combustão e capacidade: deverão ser projetadas de forma que, com o mínimo peso e volume do gerador, seja obtida a máxima superfície de aquecimento.

3. Peso e espaço: estes fatores devem se combinar para que as caldeiras se adaptem ao espaço a elas destinado.

4. Flexibilidade de manobra e facilidade de condução: condições fundamentais em processos de variação rápida e freqüente, onde a caldeira possua grande flexibilidade para se adaptar imediatamente às modificações da carga.

5. Características do Vapor produzido: as caldeiras não deverão apresentar tendência a arrastar água com o vapor, especialmente na condição de sobrecarga, evitando o fornecimento de vapor úmido ou a redução do grau de superaquecimento.

6. Circulação de água e gases: a circulação de água no interior da caldeira, da mesma forma que o fluxo de gases do lado externo, deverá ser ativa, de direção e sentido bem definidos para toda e qualquer condição de funcionamento.

7. Rendimento Térmico Total: deverá ter um rendimento elevado a fim de se obter uma economia apreciável de combustível.

8. Segurança: a caldeira e todos os seus elementos deverão ser projetados para obter o mais elevado fator de segurança.

Figura 2. Caldeira Flamotubular Vertical Figura 2. Caldeira Flamotubular Vertical

Descrição

1. Cinzeiro 2. Bomba de água 3. Grelha plana 4. Registro de purga 5. Parede interna 6. Fornalha imersa 7. Casco cilíndrico 8. Isolamento térmico (lã de rocha) 9. Tampa de inspeção 10. Tubos de gases 1. Válvula de segurança com alavanca 12. Coletor de fuligem 13. Chaminé 14. Duto de gases 15. Defletor de gases 16. Coletor de gases

17. Tampas de limpeza 18. Manômetro com sifão 19. Válvula principal de vapor 20. Espelho superior 21. Visor de nível 2. Placa de identificação 23. Registro de alimentação de água 24. Válvula de retenção 25. Registro de vapor 26. Injetor de água a vapor 27. Espelho inferior 28. Câmara de água 29. Tampa de carga 30. Peneira de sucção 31. Porta do cinzeiro (regulador de ar)

Componentes

Principais Componentes

Aquecedor de Ar: aproveita o calor residual dos gases de combustão pré-aquecendo o ar utilizado na queima de combustível. Aquece o ar entre 120 e 300 ºC, dependendo do tipo de instalação e do tipo de combustível queimado.

Câmara de Combustão: às vezes se confundem com a fornalha, sendo que, em outras é completamente independente. É um volume que tem a função de manter a chama numa temperatura elevada com duração suficiente para que o combustível queime totalmente antes dos produtos alcançarem os feixes (dutos) de troca de calor.

Caldeira de Vapor (Tambor de Vapor): constituída por um vaso fechado à pressão contendo água que será transformada em vapor.

Chaminé: tem função de retirar os gases da instalação lançando-os na atmosfera (tiragem).

Cinzeiro: local de deposição das cinzas e restos de combustível que caem da fornalha. Condutos de Fumo: são canais que conduzem os gases da combustão até a chaminé.

Economizador: utilizando o calor residual dos gases, aquece a água de alimentação. É normalmente instalado após os superaquecedores. Além de melhorar o rendimento da unidade, sua instalação minimiza o choque térmico entre a água de alimentação e a já existente no tambor.

Fornalha: principal equipamento para a queima do combustível. Entre as suas funções estão incluídas: a mistura ar-combustível, a atomização e vaporização do combustível e a conservação de uma queima contínua da mistura.

Grelhas: utilizadas para amparar o material dentro da fornalha, podendo ser fixas, rotativas e inclinadas.

Queimadores:

Reaquecedor: tem função equivalente a dos superaquecedores. A sua presença torna-se necessária quando se deseja elevar a temperatura do vapor proveniente de estágios intermediários de uma turbina.

Retentor de Fuligem: tem como função separar a fuligem, resultante da queima não estequiométrica do combustível, dos gases antes dos mesmos saírem pela chaminé.

Superaquecedor: consiste de um ou mais feixes tubulares, destinados a aumentar a temperatura do vapor gerado na caldeira.

Outros Componentes

Alarme de Falta D’água: sinal sonoro e luminoso que dispara quando o nível de água na caldeira está muito baixo.

Controlador de Nível: são equipamentos que controlam o nível de água na caldeira.

Podem ser constituídos de várias formas, sendo os mais usados os de eletrodos e o sistema de bóia.

Fusível Térmico (tampão): consiste de um parafuso com um furo no centro, sendo este preenchido com uma liga de metal de baixo ponto de fusão. É instalado num ponto abaixo do qual a água não pode ficar. Se ocorrer o problema, a temperatura do material aumenta, provocando a fusão do metal de preenchimento e dando passagem para a água, que apagará o fogo da fornalha.

Indicadores de Pressão (manômetros): são instrumentos utilizados para medir a pressão de líquidos, gases e vapores.

Injetor de Água: é um dispositivo destinado à alimentação de água, como alternativa em caso de falha nas bombas. Seu funcionamento é baseado no escoamento de vapor, proveniente da própria caldeira através de uma série de tubos, convertendo a energia do vapor em energia cinética criando uma depressão suficiente para succionar a água e pressurizá-la até o nível de operação da caldeira.

Pressostatos: são dispositivos de segurança que comandam o regime de trabalho das caldeiras, de acordo com a pressão do vapor.

Purificadores de Vapor: são dispositivos auxiliares que tem a finalidade de minimizar o arraste de umidade, sais e sólidos em suspensão.

Válvulas de Segurança: têm como função promover o escape do excesso do vapor caso a pressão de trabalho venha a ser ultrapassada e os outros dispositivos não atuem.

Válvulas: têm como função interromper ou regular a passagem de um fluido. Tipos de Válvulas: De retenção: colocadas nas linhas de vapor e óleo para evitar o refluxo; De extração de fundo (dreno): permite a retirada de impurezas da água que se deposita no fundo do tambor de vapor;

De descarga lenta: tem como função assegurar uma perfeita vedação no sistema; Solenóide: comandada eletricamente, abre ou fecha a passagem de um fluido; De alívio: para retirar o excesso de pressão no aquecedor de óleo das caldeiras;

De escape de ar: controla a saída ou entrada de ar na caldeira, no início e no fim das operações;

De serviço: tem seção correspondente a 10% da válvula principal. Tem como função garantir o acionamento de órgãos da caldeira (injetor, aquecimento de óleo, água, etc.);

Visor de Nível: é um tubo de vidro colocado no tambor de vapor, que tem por finalidade dar ao operador a noção exata da altura onde se encontra a água da caldeira.

Figura 3. Caldeira Flamotubular e seus componentes

1 Porta de alimentação da Fornalha 21 Câmara de reversão (imersa em água) 2 Fornalha 2 Olhal de suspensão 3 Tampa de limpeza do Tubulão Inferior 23 Tampa de inspeção 4 Tubulão Inferior 24 Separador de vapor 5 Parede Tubular 25 Separador e coletor de vapor 6 Revestimento e Isolamento Térmico 26 Registro de saída principal do vapor 7 Rodízio para apoio e dilatação 27 Tomada de vapor para os comandos 8 Purga da Fornalha 28 Válvulas de segurança 9 Tubo de circulação de água 29 Corpo de nível 10 Tubulão Central 30 Manômetro 1 Tubos de gases (2 passes) 31 Câmara de gases

12 Revestimento e Isolamento Térmico 32 Exaustor de gases de tiragem modulada

13 Estrutura de apoio (fixa) 3 Tampas da Câmara de gases 14 Injetor de água a vapor 34 Tubo de circulação de vapor

15 Eletro-bomba para alimentação de água 35 Duto horizontal de gases

16 Quadros de comando (automatização) 36 Chaminé 17 Purga da Caldeira 37 Defletor de gases 18 Apoio móvel 38 Retentor de fuligens 19 Tubos de gases (1º passe) 39 Base da Chaminé

20 Tampa de limpeza da câmara de reversão 40 Porta de limpeza da chaminé

Princípio de Funcionamento

Para uma aquotubular: com auxílio de um ventilador, o ar atmosférico passa pelo préaquecedor. Já aquecido, o ar vai para a fornalha onde se mistura com o combustível e ocorrendo a combustão. Pelo fenômeno da tiragem, realizado pela chaminé, os gases quentes, produtos da combustão, circulam por todo o gerador até ser lançado na atmosfera. Neste trajeto, ele cede calor para a água dos seguintes modos: aquecendo a água no economizador; vaporizando-a na caldeira; transformando o vapor saturado em vapor superaquecido no superaquecedor.

A maior parcela da energia é absorvida nas superfícies expostas diretamente às chamas na câmara de combustão, onde predomina a troca de calor por radiação. Em caldeiras bem dimensionadas, as paredes d’água representam menos de 10% da superfície de troca de calor total e são capazes de absorver até 50% da energia liberada na combustão. Nas partes posteriores da caldeira, os gases fornecem calor por convecção e radiação gasosa.

Definições

Capacidade de Produção de Vapor

A capacidade de produção de vapor de uma instalação é expressa freqüentemente em quilogramas de vapor por hora (kg/h) e/ou seus múltiplos (kg/s, ton/h). Mas, para valores distintos de temperatura e pressão, o vapor possui quantidades diferentes de energia, por isso, expressa-se a capacidade de uma caldeira em forma de calor total transmitido por unidade de tempo (kcal/h). Assim:

onde:

Q ≡ capacidade de produção de vapor vm& ≡ vazão mássica de vapor produzido (kg/h) hTOT ≡ entalpia total do vapor (kcal/kg) hL ≡ entalpia da água de alimentação (kcal/kg)

Rendimento Global

É definido com a relação entre o calor transmitido e a energia produzida pelo combustível:

.PCSm hhm c

LTOTv onde:

cm& ≡ vazão mássica de combustível queimado (kg/h) PCS ≡ poder calorífico superior do combustível (kcal/kg)

Velocidade de Combustão

Como o nome já demonstra, expressa:

a quantidade (kg) de combustível queimado por metro quadrado (m2) de superfície de aquecimento por hora, ou a quantidade (kg) de combustível queimado por metro cúbico (m3) de volume de câmara por hora.

Fator de Vaporização

É a relação entre o calor absorvido por 01 (kg) de água de alimentação nas condições da caldeira e o calor absorvido por 01 (kg) de água a 100 (ºC) ao vaporizar.

Vaporização Equivalente

É definido como sendo a vazão de água a 100 (ºC), em (kg/h), que se vaporiza na caldeira:

LTOTvE

Balanço Térmico

Consiste na elaboração de uma tabela contendo o calor absorvido pelo gerador (desejado) e as perdas ocorridas na combustão. A Figura 04 apresenta o fluxo de energia em um sistema de caldeira.

Figura 4. Fluxo de Energia em Sistema de Caldeira

Calor Absorvido

É a parcela da energia (calor) que a água e vapor absorveram (deseja-se maximizar). É calculado da seguinte forma:

c vL hhm onde:

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