Apostila de Geração e Distribuição de Calor - Caldeira

Curso de Engenharia Mecnica

apostila da disciplina de

Gerao e Distribuio de Calor

CALDEIRAS

Santa Cruz do Sul, 2011

GERADORES DE VAPOR DE GUADefinio: gerador de vapor um trocador de calor complexo que produz vapor a partir de energia trmica (combustvel), ar e fluido vaporizante, constitudo por diversos equipamentos associados, perfeitamente integrados, para permitir a obteno do maior rendimento trmico possvel, ou seja, melhor aproveitamento do combustvel. Esta definio compreende todos os tipos de geradores de vapor, sejam os que vaporizam a gua, mercrio ou fluidos de alta temperatura (fluidos trmicos), como as mais simples unidades geradoras de vapor de gua, as quais so comumente conhecidas por CALDEIRAS DE VAPOR. Algumas caldeiras, porm, em algum aspecto no pode satisfazer definio dada, recebendo estas a denominao de caldeiras especiais, tais como as Caldeiras de Recuperao, as Caldeiras de gua Quente e os Geradores Reatores Nucleares. As chamadas Caldeiras de Recuperao usam como fonte de calor os calores residuais de processos industriais, escape de motores diesel ou de turbinas a gs. As Caldeiras de gua Quente no vaporizam a gua, sendo aproveitada ainda na fase lquida, apenas a temperatura elevada,

principalmente nos processos de calefao. Nos Geradores Reatores Nucleares h produo de vapor pela absoro da energia trmica desprendida na fisso do Urnio, etc.

TIPOS FUNDAMENTAIS DE GERADORES DE GUA (CALDEIRAS) Essencialmente uma caldeira constituda por um vaso fechado presso com tubos, onde se introduz gua, que pela aplicao contnua de calor se transforma em vapor. H dois tipos fundamentais, ambos compreendendo corpo e tubos montados sobre uma estrutura que envolve a fornalha (local de queima de combustveis) e a prpria caldeira. A caracterizao dos dois tipos fundamentais de geradores de vapor baseiam-se na disposio relativa entre os gases da combusto e a gua a vaporizar com o calor destes na superfcie de troca de calor dos tubos de caldeira. Assim, temos:Gerao e Distribuio de Vapor - Caldeiras 2

1) CADEIRAS FLAMATUBULARES os produtos da combusto (gases quentes) atravessam toda a caldeira pelo interior dos tubos, aquecendo e vaporizando a gua contida no corpo envolvendo os tubos. 2) CALDEIRAS AQUATUBULARES os gases quentes atravessam toda a caldeira por fora dos tubos no interior dos quais circula a gua a ser vaporizada Cada um desses tipos fundamentais, conforme a presso de trabalho, fins, combustvel, fatores de circulao e eficincia trmica, permitem desenvolver inmeras concepes construtivas que sero objeto de estudos em captulos posteriores.

COMPONENTES CLSSICOS As unidades geradoras de vapor mais completas so, normalmente, constitudas das seguintes partes:

I CINZEIRO lugar onde se depositam as cinzas e restos de combustvel no queimado. II QUEIMADOR (combustveis lquidos) ou GRELHA (combustveis slidos) parte prpria para promover a queima de combustvel, ou mais precisamente a sua ignio.Gerao e Distribuio de Vapor - Caldeiras 3

III CMARA DE COMBUSTO volume destinado a promover a extino de toda a matria combustvel antes da mesma entrar em contato e penetrar no feixe de absoro de calor por conveco, uma vez que, segundo as teorias da combusto todos os combustveis queimam na forma de vapores do combustvel e os mesmos entram em ignio graas alta temperatura reinante na cmara de combusto, o que j no ocorre junto s superfcies de troca de calor por estas estarem resfriadas pela gua. As partes enumeradas acima (I, II e III) compem o que denominamos de FORNALHA de uma caldeira. A cmara de combusto, por vezes, se confunde com a prpria fornalha, dela fazendo parte e, outras vezes, separa-se completamente. IV CALDEIRA PROPRIAMENTE DITA corresponde ao vaso fechado presso com tubos, contendo a gua a ser transformada em vapor. V SUPERAQUECEDOR responsvel pela elevao da temperatura do vapor saturado gerado na caldeira propriamente dita, produzindo o vapor superaquecido. VI ECONOMIZADOR parte na qual a gua de alimentao da caldeira sofre uma elevao de sua temperatura, aproveitando o calor residual dos gases da combusto, antes destes serem eliminados pela chamin. VII PR-AQUECEDOR DE AR a funo aquecer o ar de combusto para a seguir introduzi-la na fornalha, graas ao aproveitamento do calor sensvel residual dos gases da combusto, aps a passagem pelo economizador, ou caldeira propriamente dita, antes de sarem pela chamin. VIII CANAIS DOS GASES so trechos intermedirios ou finais de circulao dos gases de combusto, at a chamin. Estes canais podem ser de alvenaria ou de chapas de ao, conforme a temperatura dos gases. IX CHAMIN a parte que garante a circulao dos gases quentes da combusto atravs de todo o sistema pelo chamado efeito de tiragem. Quando a tiragem, porm, promovida por ventiladores exaustores, sua funo se resume no dirigir os gases da combusto para as altas camadas da atmosfera.

Gerao e Distribuio de Vapor - Caldeiras

4

DESCRIO DO FUNCIONAMENTO O ar frio, ou pr-aquecido no pr-aquecedor de ar, projeta-se na fornalha, onde o oxignio do mesmo reage com o combustvel (combusto), assegurando a sua contnua queima. Os produtos da combusto com elevada temperatura devido ao calor gerado na combusto que neles contido, por efeito da tiragem do sistema, circula por todas as partes da caldeira, tomando contato com as superfcies de troca de calor at atingirem a chamin a serem eliminados para a atmosfera. Por outro lado, a gua de alimentao da caldeira, introduzida no interior da caldeira por intermdio de bombas, absorve a maior parte do contedo trmico dos gases para: - aquec-la no economizador; - vaporiz-la, elevando a presso na caldeira; - superaquecer o vapor saturado na superaquecedor.

DADOS CARACTERSTICOS CAPACIDADE a quantidade (em peso) horria de vapor que o gerador de vapor produz. A capacidade s vezes tambm expressa em termos de contedo trmico, horrio correspondente ao vapor a produzir. Produo normal de vapor define a descarga de vapor capaz de ser gerado na caldeira, nas condies de regime de presso, temperatura e eficincia garantidas pelo fabricante. Produo mxima contnua de vapor a mxima descarga de vapor capaz de ser gerado pelo gerador em regime contnuo. Produo de picos corresponde a maior descarga de vapor em determinados curtos perodos de tempo, capaz de ser obtido no gerador. PRESSO DE TRABALHO a presso de vapor com a qual deve operar a caldeira em regime normal de operao. Presso de construo a presso para a qual foi dimensionada e construda a caldeira, a nvel de projeto.Gerao e Distribuio de Vapor - Caldeiras 5

Presso de prova a presso de teste hidrosttico a que submetida a caldeira antes de entrar em operao ou periodicamente quando forem realizadas inspees na mesma. Calor til a parcela de calor total capaz de ser gerado pela queima do combustvel que foi absorvido pela gua, transformando-a em vapor. Calor perdido ou simplesmente perdas corresponde ao teor do contedo trmico capaz de ser gerado pelo combustvel que no foi aproveitado na gerao de vapor. EFICINCIA TRMICA exprime o grau de aproveitamento do calor total capaz de ser gerado pela queima do combustvel para a gerao de vapor. a relao entre o calor absorvido pela gua (calor til) e o contedo trmico total do combustvel queimado. SUPERFCIE DE AQUECIMENTO a rea de troca de calor da caldeira, atravs da qual o calor passa dos gases da combusto para o fluido vaporizante. TEMPERATURA DE SUPERAQUECIMENTO - a temperatura de sada do vapor superaquecido da caldeira.

Classificao das Caldeiras

As caldeiras podem ser classificadas de acordo com: classes de presso; grau de automao; tipo de energia empregada; tipo de troca trmica.

De acordo com as classes de presso, as caldeiras foram classificadas segundo a NR-13 em: Categoria A: caldeira cuja presso de operao superior a 1960 kPa (19, 98kgf/cm2);Gerao e Distribuio de Vapor - Caldeiras 6

Categoria C: caldeiras com presso de operao igual ou inferior a 588 kPa (5,99kgf/cm2) e volume interno igual ou inferior a 100 litros;

Categoria B: caldeiras que no se enquadram nas categorias anteriores.

De acordo com o grau de automao, as caldeiras podem se classificar em: manuais, semi-automtica e automtica. De acordo com o tipo de energia empregada, elas podem ser do tipo: combustvel slido, lquido, gasoso, caldeiras eltricas e caldeiras de recuperao. Existem outras maneiras particulares de classificao, a saber: quanto ao tipo de montagem, circulao de gua, sistema de tiragem e tipo de sustentao.

Tipos de caldeiras A classificao mais usual de caldeiras de combusto refere-se localizao de gua/gases e divide-as em: flamotubulares, aquatubulares e mistas. As caldeiras flamotubulares ou fogotubulares so aquelas em que os gases provenientes da combusto (gases quentes) circulam no interior dos tubos, ficando por fora a gua a ser aquecida ou vaporizada. A ilustrao a seguir uma representao esquemtica da caldeira flamotubular.


7

Ao se acompanhar o processo evolutivo por que passaram os geradores de vapor, nota-se que nas caldeiras flamotubulares primitivas a superfcie de aquecimento era muito pequena, tendo como conseqncia uma baixa vaporizao especfica (12 a 14kg de vapor gerado/m). Embora essa capacidade tenha sido ampliada com o aumento do nmero de tubos, por mais tubos que se colocassem dentro da caldeira, essa superfcie ainda continuava pequena, causando o baixo rendimento trmico e a demora na produo de vapor. Com a evoluo dos processos industriais, aumentou muito a necessidade de caldeiras com maior rendimento, menos consumo, rpida gerao e grandes quantidades de vapor. Baseados nos princpios da transferncia de calor e na experincia com os tipos de caldeiras existentes, os fabricantes inverteram a forma de gerao de calor: Trocaram os tubos de fogo por tubos de gua, o que aumentou muito a superfcie de aquecimento, surgindo a caldeira aquatubular. Seu princpio de funcionamento baseia-se no princpio da Fsica que diz que quando um lquido aquecido, as primeiras partculas aquecidas ficam mais leves e sobem, enquanto que as frias, que so mais pesadas, descem. Recebendo calor, elas tornam a subir, formando assim um movimento contnuo, at que a gua entre em ebulio. Na ilustrao a seguir, podemos notar que a gua vaporizada nos tubos que constituem a parede mais interna, subindo ao tambor de vapor, dando lugar a nova quantidade de gua fria que ser vaporizada e assim sucessivamente.


8

As caldeiras mistas so caldeiras flamotubulares que possuem uma antefornalha com parede dgua. Normalmente so projetadas para a queima de combustvel slido. A caldeira eltrica um equipamento cujo papel principal transformar energia eltrica em trmica, para transmiti-la a um fluido apropriado, geralmente gua. A produo de vapor, em uma caldeira eltrica, baseia-se no fato de que a corrente eltrica, ao atravessar qualquer condutor, encontra resistncia a sua livre circulao e desprende calor (Efeito Joule). As partes constituintes dessas caldeiras sero estudadas em outros mdulos.

Caldeiras Flamatubulares

O rendimento trmico da caldeira flamotubular normalmente mais baixo e o espao ocupado por ela proporcionalmente maior, embora atualmente j existam modelos compactos desse tipo de caldeira. Apesar dessas restries, seu emprego pode ser indicado de acordo com as necessidades particulares de cada processo industrial, sendo adequado para pequenas instalaes industriais.


9

Tipos de caldeiras flamatubulares

Caldeiras flamatubulares ou fogotubulares so aquelas em que os gases provenientes da combusto (gases quentes) circulam no interior dos tubos e a gua a ser aquecida ou vaporizada circula pelo lado de fora. Este tipo de caldeira o de construo mais simples, e pode ser classificado quanto distribuio dos tubos, que podem ser tubos verticais ou horizontais.

Caldeiras de tubos verticais

Nas caldeiras de tubos verticais, os tubos so colocados verticalmente num corpo cilndrico fechado nas extremidades por placas, chamadas espelhos. A fornalha interna fica no corpo cilndrico logo abaixo do espelho inferior. Os gases de combusto sobem atravs dos tubos, aquecendo e vaporizando a gua que est em volta deles. As fornalhas externas so utilizadas principalmente no aproveitamento da queima de combustveis de baixo poder calorfico, tais como: serragem, palha, casca de caf e de amendoim e leo combustvel (1A, 2A ... etc.).


10

Caldeiras de tubos horizontais As caldeiras de tubos horizontais abrangem vrios modelos, desde as caldeiras Cornulia e Lancaster, de grande volume de gua, at as modernas unidades compactas. As principais caldeiras horizontais apresentam tubules internos nos quais ocorre a combusto e atravs dos quais passam os gases quentes. Podem ter de 1 a 4 tubules por fornalha.

Tipos de caldeiras de tubos horizontais

A caldeira Cornulia, um dos primeiros modelos desenvolvidos, constituda de um tubulo horizontal ligando a fornalha ao local de sada de gases. de funcionamento simples, porm de rendimento muito baixo. Suas principais caractersticas so: presso mxima de operao de 10 kgf/cm, vaporizao especfica 12 a 14 kg de vapor/m e mximo de 100m de superfcie.

A caldeira Lancaster de construo idntica anterior, porm tecnicamente mais evoluda.

Pode ser constituda de dois a quatro tubules internos e suas caractersticas so: rea de troca trmica de 120 a 140m e vaporizao de 15 a 18 kg de vapor/m. Algumas delas apresentam tubos de fogo e de retorno, o que apresenta uma melhoria de rendimento trmico em relao s anteriores.


11

Na caldeira multitubular, a queima de combustvel efetuada em uma fornalha externa, geralmente construda em alvenaria instalada abaixo do corpo cilndrico. Os gases quentes passam pelos tubos de fogo, e podem ser de um ou dois passes. A maior vantagem poder queimar qualquer tipo de combustvel. Na figura a seguir, temos um exemplo de caldeira multitubular.

A caldeira locomvel, tambm do tipo multitubular, tem como principal caracterstica apresentar uma dupla parede em chapa na fornalha, pela qual a gua circula. Sua maior vantagem est no fato de ser fcil a sua transferncia de local e de poder produzir energia eltrica. usada em serrarias junto matria-prima e em campos de petrleo.


12

A caldeira escocesa, criada basicamente para uso martimo, o modelo de caldeira industrial mais difundido no mundo. destinada queima de leo ou gs, tendo ainda presso mxima de 18 kgf/cm, rendimento trmico em torno de 83% e taxa de vaporizao de 30 a 35 kg de vapor/m. A figura a seguir mostra esse tipo de caldeira.


13

Vantagens e desvantagens das caldeiras flamotubulares

As principais vantagens das caldeiras deste tipo so: custo de aquisio mais baixo; exigem pouca alvenaria; atendem bem a aumentos instantneos de demanda de vapor. Como desvantagens, apresentam: baixo rendimento trmico; partida lenta devido ao grande volume interno de gua; limitao de presso de operao (mx. 15 kgf/cm); baixa taxa de vaporizao (kg de vapor / m . hora); capacidade de produo limitada; dificuldades para instalao de economizador, aquecedor. superaquecedor e pr-

Partes das caldeiras flamotubulares

As caldeiras flamotubulares apresentam as seguintes partes principais: corpo, espelhos, feixe tubular ou tubos de fogo e caixa de fumaa. O corpo da caldeira, tambm chamado de casco ou carcaa, construdo a partir de chapas de ao carbono calandradas e soldadas. Seu dimetro e comprimento esto relacionados capacidade de produo de vapor. As presses de trabalho so limitadas (normalmente mximo de 20 kgf/cm) pelo dimetro do corpo destas caldeiras. Os espelhos so chapas planas cortadas em forma circular, de modo que encaixem nas duas extremidades do corpo da caldeira e so fixadas atravs de soldagem. Sofrem um processo de furao, por onde os tubos de fumaa devero passar. Os tubos so fixados por meio de mandrilamento ou soldagem. O feixe tubular, ou tubos de fogo, composto de tubos que so responsveis pela absoro do calor contido nos gases de exausto usados para o aquecimento da gua. Ligam o espelho frontal com o posterior, podendo ser de um, dois ou trs passes.Gerao e Distribuio de Vapor - Caldeiras 14

A caixa de fumaa o local por onde os gases da combusto fazem a reverso do seu trajeto, passando novamente pelo interior da caldeira (pelos tubos de fogo).

O desenho a seguir mostra os componentes de uma caldeira flamotubular tpica.


15

CALDEIRAS AQUATUBULARES

As caldeiras flamatubulares tm o inconveniente de apresentar uma superfcie de aquecimento muito pequena, mesmo se o nmero de tubos for aumentado. A necessidade de caldeiras de maior rendimento, rapidez de gerao de grandes quantidades de vapor com nveis de presso mais elevados, levou ao surgimento da caldeira aquatubular (Embora as normas brasileiras (NR-13, NBR 12177 e NBR 11096) denominem esse tipo de caldeira de aquotubular, por contaminao do nome da caldeira flamotubular, a palavra correta que identifica esse tipo de caldeira aquatubular). Nesse tipo de caldeira, os tubos que, nas caldeiras flamotubulares, conduziam gases aquecidos, passaram a conduzir a gua, o que aumentou muito a superfcie de aquecimento, aumentando bastante a capacidade de produo de vapor. Neste mdulo, sero estudados os vrios tipos de caldeiras aquatubulares e suas principais partes constituintes.

Tipos de caldeiras aquatubulares

Para fins didticos, dividimos as caldeiras aquatubulares em quatro grandes grupos: caldeiras aquatubulares de tubos retos, com tubulo transversal ou longitudinal; caldeiras aquatubulares de tubos curvos, com diversos tubules transversais ou longitudinais utilizados na gerao (mximo 5); caldeiras aquatubulares de circulao positiva; caldeiras aquatubulares compactas.


16

Caldeiras aquatubulares de tubos retos

As caldeiras aquatubulares de tubos retos consistem de um feixe tubular de transmisso de calor, com uma srie de tubos retos e paralelos, interligados a uma cmara coletora. Essas cmaras comunicam-se com os tubules de vapor (superiores), formando um circuito fechado por onde circula a gua.As ilustraes a seguir mostram o sentido de circulao da gua e a circulao dos gases quentes mediante trs passes.


17

Esse tipo de caldeira, incluindo as de tubulo transversal, conforme figuras abaixo so as primeiras concepes industriais, que supriram uma gama de capacidade de produo de 3 at 30 toneladas-vapor/hora, com presses de at 45 kgf/cm. Os projetos foram apresentados pelas empresas Babcok & Wilcox e a Steam Muller Corp.

Vantagens e desvantagens das caldeiras aquatubulares de tubos retos

As principais vantagens das caldeiras deste tipo so: facilidade de substituio dos tubos; facilidade de inspeo e limpeza; no necessitam de chamins elevadas ou tiragem forada.

Como desvantagens apresentam: necessidade de dupla tampa para cada tubo, (espelhos); baixa taxa de vaporizao especfica; rigoroso processo de aquecimento e de elevao de carga (grande quantidade de material refratrio).

Caldeiras aquatubulares de tubos curvos

As caldeiras aquatubulares de tubos curvos no apresentam limites de capacidade de produo de vapor. A forma construtiva foi idealizada por Stirling, interligando os tubos curvos aos tubules por meio de solda ou mandrilagem. A figura a seguir apresenta um esquema de caldeira com quatro tubules, embora possa ter de trs a cinco, o que confere a este tipo de gerador de vapor maior capacidade de produo.


18

Partindo deste modelo, foram projetadas novas caldeiras. Com o objetivo de aproveitar melhor o calor irradiado na fornalha, reduziu-se o nmero e o dimetro dos tubos, e acrescentou-se uma parede de gua em volta da fornalha. Isso serviu como meio de proteo do material refratrio com o qual a parede da fornalha construda, alm de aumentar a capacidade de produo de vapor.


19

Vantagens das caldeiras aquatubulares de tubos curvos: reduo do tamanho da caldeira; queda da temperatura de combusto; vaporizao especfica maior, variando na faixa de 30 kg de vapor/m a 50 kg de vapor/m2 para as caldeiras com tiragem forada; fcil manuteno e limpeza; rpida entrada em regime; fcil inspeo nos componentes.


20

Caldeiras compactas

Dentro da categoria das caldeiras de tubos curvos surgiram as caldeiras compactas. Com capacidade mdia de produo de vapor em torno de 30 ton/h, elas so equipamentos apropriados para instalao em locais com espao fsico limitado. Por se tratar de equipamento compacto, apresenta limitaes quanto ao aumento de sua capacidade de produo.

Caldeira de circulao positiva

A circulao da gua nas caldeiras ocorre por diferenas de densidade, provocada pelo aquecimento da gua e vaporizao, ou seja circulao natural. Se a circulao for deficiente, poder ocorrer um superaquecimento localizado, com conseqente ruptura dos tubos.

Segurana na operao de caldeiras 10

As figuras a seguir apresentam alguns tipos de circulao de gua.

Algumas caldeiras com circulao positiva podem apresentar bombas externas, dependendo da vazo exigida, ou seja, da demanda de vapor para forar a circulao de gua ou vapor, independentemente da circulao natural, isto , por diferena de densidade.


21

Vantagens e desvantagens

As vantagens das caldeiras de circulao positiva so: tamanho reduzido; no necessitam de grandes tubules; rpida gerao de vapor; quase no h formao de incrustaes, devido circulao forada.

As desvantagens so: paradas constantes, com alto custo de manuteno; problemas constantes com a bomba de circulao, quando operando em altas presses.

Partes das caldeiras aquatubulares As partes principais de uma caldeira aquatubular so: tubulo superior (ou tambor de vapor), tubulo inferior (ou tambor de lama), feixe tubular, parede de gua,fornalha e superaquecedor.

Tubulo superior O tubulo superior, ou tambor de vapor o elemento da caldeira onde injetada a gua de alimentao e de onde retirado o vapor. No interior dele esto dispostos vrios componentes, conforme mostra a figura a seguir.


22

1. rea dos tubos de descida da gua do feixe tubular (downcomers). 2. rea de tubos vaporizantes (riser), que descarregam a mistura de vapor e gua contra a chicana 6. Esta forma uma caixa fechada no fundo e dos lados, com abertura na parte superior, que projeta o vapor e a gua contra a chicana 8. 3. rea dos tubos do superaquecedor, mandrilados no tambor. 4. Filtro de tela ou chevron. 5. Tubo de drenagem da gua retirada no filtro. 6. Tubo distribuidor da gua de alimentao; observa-se a posio dos furos. 7. Tubo coletor de amostras de gua e da descarga contnua. 8. Chicana O tubulo de vapor construdo com chapa de ao carbono de alta qualidade (ASTM A285 grau C, ASTM A515-60 ou A515-70). O

dimensionamento da espessura do tubulo feito baseado no cdigo ASME SECTION I e depende do material usado na fabricao.


23

Os tubos so mandrilados nos tubules e se dividem em tubos de descida dgua e tubos de gerao de vapor, que descarregam a mistura gua/vapor no tubulo. Na descarga dos tubos de gerao de vapor instalada uma chicana (chapa defletora) que uma caixa fechada no fundo e nos lados, destinada a separar a gua contida no tubulo e amenizar as variaes do nvel de gua, ocorridas no tubulo de vapor. Existem em alguns casos uma segunda chapa defletora, cuja finalidade separar partculas de gua ainda contidas no vapor.

Existe ainda no tubulo superior um conjunto constitudo de chapas corrugadas, denominado chevron ou filtro, cuja finalidade reter a maior quantidade possvel de partculas slidas ou lquidas arrastadas pelo vapor, antes de o vapor sair para o superaquecedor. O tubo de alimentao de gua por onde a gua entra no tubulo; a furao deste tubo deve ser posicionada de modo a que o jato dgua no se dirija contra a chapa do tubulo. essencial que o tubo de alimentao esteja sempre bem fixado para no causar vibrao e nem se soltar dentro do tubulo. O tubo de descarga contnua ou coletor o responsvel pela captao constante de gua de drenagem que elimina slidos em suspenso prejudiciais caldeira, normalmente 1% do volume da gua de alimentao.Gerao e Distribuio de Vapor - Caldeiras 24

Em algumas caldeiras podemos ter, tambm, um tubo de injeo de produtos qumicos instalado no tubulo superior.

Tubulo inferior O tubulo inferior, ou tambor de lama, tambm construdo em chapas de ao carbono. Nele, esto mandrilados tanto os tubos de gua que descem do tubulo superior quanto os tubos de vaporizao que sobem para o tubulo superior. No tubulo inferior esto instaladas tomadas para purga ou descarga de fundo, utilizadas para remover parte da lama e resduos slidos originrios do processo e que podem causar corroso, obstruo e superaquecimento. A qualidade do tratamento de gua de alimentao da caldeira e os tratamentos e anlises do processo determinam a periodicidade das descargas a serem efetuadas.

Cantoneira No interior do tubulo recomenda-se instalar uma cantoneira que tem a funo de promover uma suco ao longo do tambor; devido diferena de presso no tambor e na descarga para a atmosfera, esta suco arrasta a lama de toda extenso do tambor. A cantoneira deve ser instalada conforme figura a seguir.


25

Em caldeiras que no possuem esse tipo de cantoneira, a descarga de fundo remove principalmente a lama das regies prximas ao furo da tubulao de drenagem.

Feixe tubular O feixe tubular (Boilers Convection Bank) um conjunto de tubos que faz a ligao entre os tubules da caldeira. Pelo interior destes tubos circulam gua e vapor. Os tubos que servem para conduzir gua do tubulo superior para o inferior so chamados downcomers, ou tubos de descida, e os tubos que fazem o sentido inverso (mistura de gua e vapor) so conhecidos por risers ou tubos vaporizantes.

Os feixes tubulares podem ser: Feixe tubular reto: muito usado em caldeiras mais antigas, nas quais os tubos eram ligados atravs de caixas ligadas ao tubulo de vapor.

Veja ilustrao abaixo.


26

Feixe tubular curvado

Feixe tubular com fluxo cruzado

Feixe tubular com fluxo axial (utilizado em caldeiras a carvo com alto teor de cinzas).Gerao e Distribuio de Vapor - Caldeiras 27

Materiais mais comumente utilizados: ASTM-A-178 (tubos com costura) e ASTM-A-192 e ASTM-A-210 (tubos sem costura).

Parede dgua Nas caldeiras a fornalha, a parede dgua formada por tubos que esto em contato direto com as chamas e os gases, permitindo maior taxa de absoro de calor por radiao.

Os tipos mais comuns de construo de parede dgua so: Parede dgua com tubos tangentes.

Os materiais mais comuns usados na construo das paredes de gua so: tubo ASTM A-178 (com costura) e tubo ASTM A-192 (sem costura).Gerao e Distribuio de Vapor - Caldeiras 28

Paredes de gua com tubos aletados

possvel encontrar tambm paredes dgua montadas com distncias menores entre tubos. Com as paredes dgua, o calor ganho por conveco relativamente pequeno.

Fornalha A fornalha, tambm chamada de cmara de combusto, o local onde se processa a queima de combustvel. De acordo com o tipo de combustvel a ser queimado, a fornalha pode ser dividida em: Fornalhas para queima de combustvel slido: so as que possuem suportes e grelhas; podem ser planas, inclinadas ou dispostas em formas de degraus que ainda podem ser fixos ou mveis. Estas fornalhas destinam-se principalmente queima de: lenha, carvo, sobras de produtos, casca de cacau, bagao de cana, casca de castanha, etc. A alimentao do combustvel pode ser feita de maneira manual ou automatizada. Apresentam como desvantagem o abaixamento de temperatura que pode ocorrer prximo entrada de combustvel, grande gerao de resduos e ter seu uso limitado em caldeiras de pequena capacidade.Gerao e Distribuio de Vapor - Caldeiras 29

Normalmente, elas trabalham com grande excesso de ar, para melhorar as condies de fumaa da chamin.

Fornalha com grelhas basculantes: um tipo de fornalha muito usada para a queima de bagao como combustvel slido e dividida em vrios setores. Cada setor possui elementos de grelha denominados barrotes. Estes barrotes se inclinam sob a ao de um acionamento externo, que pode ser de ar comprimido ou de vapor. Com a inclinao dos barrotes, a cinza escoa-se para baixo da grelha, limpando-a. A reduo de ar da combusto e a melhor distribuio do bagao sobre a grelha aumentam consideravelmente o rendimento da caldeira.

Fornalha com grelha rotativa: um outro tipo de fornalha para a queima de combustvel slido na qual a queima e a alimentao se processam da mesma maneira que na grelha basculante, mas a limpeza feita continuamente; no h basculamento dos barrotes. A grelha acionada por um conjunto motor-redutor, o que lhe d pequena velocidade, suficiente para retirar da fornalha as cinzas formadas num determinado perodo. O ar de combusto entra por baixo da grelha e serve para refrigerao, da mesma forma que na grelha basculante.

Fornalhas para queima de combustvel em suspenso: so aquelas usadas quando se queimam leo, gs ou combustveis slidos pulverizados. Para caldeiras que queimam leo ou gs, a introduo do combustvel na fornalha feita atravs do queimador.


30

Queimadores

Os queimadores so peas destinadas a promover, de forma adequada e eficiente, a queima dos combustveis em suspenso. Em volta do queimador, existe um refratrio de formato cnico que tem grande importncia para uma queima adequada do combustvel lanado pelo queimador. Esse refratrio tem as seguintes finalidades: auxiliar na homogeneizao da mistura ar/combustvel, graas ao seu formato; aumentar a eficincia da queima, graas a sua caracterstica de irradiar o calor absorvido; dar forma ao corpo da chama.

Ao contrrio dos combustveis gasosos, que j se encontram em condies de reagir com o oxignio, os leos combustveis devem ser aquecidos e atomizados antes da queima. A preparao consiste em: dosar as quantidades adequadas de ar e combustvel; atomizar o combustvel lquido, ou seja, transform-lo em pequenas gotculas (semelhante a uma nvoa); gaseificar as gotculas atravs da absoro do calor ambiente (cmara de combusto); misturar o combustvel com o oxignio do ar; direcionar a mistura nebulizada na cmara de combusto.

Para combustveis slidos pulverizados, a introduo de combustvel na fornalha pode ser feita atravs de dispositivos de atomizao que garantem a granulometria e a disperso para queima dentro da fornalha.


31

Superaquecedor O superaquecedor constitudo de tubos lisos ou aletados de ao resistente a altas temperaturas, distribudos em forma de serpentina, que aproveitam os gases de combusto para dar o devido aquecimento ao vapor saturado, transformando-o em vapor superaquecido. Quando instalados dentro das caldeiras, podem estar localizados, dependendo da concepo de projeto da caldeira: atrs do ltimo feixe de tubos; entre dois feixes; sobre os feixes; na fornalha. Existem alguns tipos de caldeiras nas quais o superaquecedor instalado separadamente da caldeira. Em virtude disso, ele depende de outra fonte de calor para o aquecimento. A transmisso de calor para os superaquecedores pode ocorrer por conveco, radiao ou de forma mista, em funo de sua configurao na construo da caldeira. Os superaquecedores correm o risco de ter seus tubos danificados, se no forem tomados alguns cuidados relativos garantia de circulao de gua/vapor na superfcie interna, nas partidas e paradas da caldeira. A regulagem da temperatura do vapor superaquecido normalmente feita atuando-se nos queimadores, no sentido da chama ou no controle dos gases de combusto, por meio da abertura ou fechamento de uma vlvula by-pass, ou seja, de derivao, instalada no circuito dos gases.

Equipamentos perifricos So considerados tambm como parte integrante de uma caldeira, outros equipamentos denominados como auxiliares ou perifricos, cujo bom desempenho e controle ajudam a boa operao de uma caldeira. Eles so:


32

economizador, praquecedor, soprador de fuligem.

Economizador

O economizador tem a finalidade de aquecer a gua de alimentao da caldeira. Normalmente est localizado na parte alta da caldeira entre o tambor de vapor e os tubos geradores de vapor, e os gases so obrigados a circular atravs dele, antes de sarem pela chamin. Existem vrios tipos de economizadores e na sua construo podem ser empregados tubos de ao malevel ou tubos de ao fundido com aletas.

Os economizadores podem ser de dois tipos: em separado ou integral. O economizador em separado usado nas caldeiras de baixa presso (25 kgf/cm). construdo geralmente de tubos de ao ou ferro fundido com aletas. No seu interior circula a gua e por fora circulam os gases de combusto. O economizador integral empregado nas caldeiras de maior capacidade de produo, apesar de requerer mais cuidados que o economizador em separado. Todo o gs carbnico e o oxignio, devem ser retirados da gua de alimentao, porque quando estes elementos so aquecidos aumentam a corroso pelo lado interno dos tubos.Gerao e Distribuio de Vapor - Caldeiras 33

A corroso nos tubos de economizadores pode ocorrer tanto na superfcie interna quanto na externa. Internamente a corroso pode ser causada por impurezas contidas na gua por deficincia no tratamento. Externamente, a corroso pode ser causada pelos gases que carregam elementos

contaminantes provenientes do processo de combusto.

Pr-aquecedor de ar O pr-aquecedor de ar um equipamento (trocador de calor) que eleva a temperatura do ar antes que este entre na fornalha. O calor cedido pelos gases residuais quentes ou pelo vapor da prpria caldeira.

A instalao desses equipamentos oferece a vantagem de melhorar a eficincia da caldeira pelo aumento da temperatura de equilbrio na cmara de combusto. Pelo aumento de temperatura dos gases, a montagem da fornalha exige tijolos refratrios fabricados com materiais de melhor qualidade. A existncia de pr-aquecedores causa um aumento na perda de carga no circuito ar/gs deGerao e Distribuio de Vapor - Caldeiras 34

combusto, exigindo maior consumo de energia no acionamento dos ventiladores. De acordo com o princpio de funcionamento, os pr-aquecedores de ar podem se classificar em: pr-aquecedor regenerativo e pr-aquecedor tipo colmia. Nos pr-aquecedores regenerativos, o calor dos gases de combusto transferido indiretamente para o ar, atravs de um elemento de armazenagem, por onde passa o ar e o gs de combusto, alternadamente. O pr-aquecedor regenerativo tipo Ljungstron constitudo de placas de ao finas e corrugadas que so aquecidas quando da passagem dos gases de combusto e resfriadas quando da passagem do ar. Seu formato assemelha-se a uma roda gigante, girando lenta e uniformemente.

No pr-aquecedor tipo colmia, os gases quentes, ao passarem pela colmia refratria, trocam o calor com o ar frio que vai para a combusto. Alguns tipos de caldeiras fazem o pr-aquecimento do ar, utilizando-se do prprio vapor gerado. Este equipamento denominado pr-aquecedor de ar a vapor.Gerao e Distribuio de Vapor - Caldeiras 35

Sopradores de fuligem Os sopradores de fuligem (ramonadores) permitem uma distribuio rotativa de um jato de vapor no interior da caldeira e tem por finalidade, fazer a remoo da fuligem e depsitos formados na superfcie externa da zona de conveco das caldeiras. A figura a seguir mostra como feita esta sopragem

. Os tubos sopradores so providos de orifcios e so distribudos em pontos convenientes de modo a garantir jateamento na maior rea de aquecimento possvel. Um outro tipo de ramonador consiste de um dispositivo que introduz o tubo de sopragem no interior da zona de conveco, sendo acionado manual ou automaticamente.


36

CALDEIRAS ELTRICAS A convenincia de reduo do consumo de leo em caldeiras e os estmulos ao emprego da energia eltrica tm influenciado na deciso pela instalao de caldeiras eltricas dos tipos resistncia e eletrodos submersos. Em reas onde h suprimento abundante de energia eltrica, vantajosa a instalao de equipamentos eletrotrmicos dados os incentivos tarifrios oferecidos ao emprego da energia eltrica em substituio aos derivados de petrleo. As caldeiras eltricas oferecem ainda outras vantagens, e que so: Ausncia de poluio ambiente Modulao de carga de O a 100% Resposta rpida variao de consumo de vapor Manuteno simples - Apenas bombas A falta d 'gua no provoca danos caldeira rea reduzida de instalao No necessita rea para estocagem de combustvel Reduo considervel no custo do vapor em relao ao produzido por leo combustvel. Melhora o fator de potncia como conseqncia do aumento da potncia ativa Melhora o fator de carga eltrica instalada, e com isto: reduz o preo mdio do kWh consumido libera certa parcela de capacidade da instalao eltrica e equipamentos possibilita a reduo do emprstimo compulsrio.


37

1. PORTARIA DO MINISTRIO DO TRABALHO SOBRE CALDEIRAS ESTACIONRIAS A VAPOR O Departamento Nacional de Segurana e Higiene do Trabalho atravs da Portaria DNSHT-20 de 6 de maio de 1970 expediu Normas de Segurana para a instalao e inspeo de caldeiras estacionrias a vapor, da qual transcreveremos a parte que interessa instalao, uma vez que as exigncias quanto caldeira so de atribuio do fabricante. Instalao Art. 7. - As caldeiras, de qualquer estabelecimento sero instaladas em "Casa de Caldeiras". Pargrafo nico. Excetuam-se, para efeito de aplicao deste artigo, as pequenas unidades de 100 kgf/h, ou menos, de capacidade de produo de vapor. Art. 8. - A "Casa de Caldeiras" dever satisfazer aos seguintes requisitos: a) constituir prdio separado, construdo de materiais resistentes ao fogo, podendo estar anexo a outro edifcio do

estabelecimento, mas afastado, no mnimo, 3 m (trs metros) de outras edificaes vizinhas; b) ser completamente isolada de locais onde se armazenem ou manipulem inflamveis ou explosivos; c) no ser utilizada para qualquer outra finalidade com exceo de compressores, excludo, porm, o reservatrio de ar; d) dispor de sadas amplas e permanentemente desobstrudas; e) dispor de acesso fcil e seguro s vlvulas de segurana, regisfros, indicadores de nvel, reguladores de alimentao e demais acessrios necessrios operao da caldeira. Art. 9. - O projeto da "Casa de Caldeiras" ser submetido aprovao prvia do rgo regional competente em matria de segurana e higiene do trabalho, mediante requerimento do interessado.


38

Inspeo de Segurana Art. 10. - Todas as caldeiras sero, obrigatoriamente, submetidas inspeo de segurana, interior e exteriormente, nas seguintes

oportunidades: a) antes de entrarem em funcionamento, quando novas; b) depois de reforma, modificaes, conserto importante ou aps terem sofrido qualquer acidente; c) periodicamente, pelo menos uma vez ao ano, quando estiverem em servio; d) aps intervalo de inatividade de 4 (quatro) meses ou mais. Art. 12. - Os exames e as provas, assim como a fixao da PMTP (Presso mxima de trabalho permitida), devero ser executados de acordo com o que dispe a NB-55 - Norma Brasileira para Inspeo de Caldeiras a Vapor - da ABNT.


39

Documents

Apostila de Geração e Distribuição de Calor - Caldeira