Princpios da refrigerao

Captulo 1 - CALDEIRAS Pg. - 1

CAPTULO 1

CALDEIRAS

AULAS 1 e 2

1- INTRODUO

Gerador de Vapor ou Caldeira um trocador de calor que produz vapor a partir da energia trmica obtida com a queima de um combustvel. constitudo, basicamente, por um vaso fechado sob presso, no qual se introduz gua lquida que se transforma em vapor ao receber o calor da combusto.

Ressalta-se, porm, que caldeira no apenas uma mquina que, a qualquer problema, signifique somente uma parada para manuteno. Em muitas situaes esta parada representa, tambm, a paralisao da produo. Dependendo do estado de conservao do equipamento, devido m condio de funcionamento, ou tambm falhas na verificao de seus sistemas de segurana, e de procedimento incorreto na operao, a caldeira ou os vasos sob presso podem explodir e destruir parcial ou totalmente uma fbrica. E se for constatada a no observncia das normas de segurana, o proprietrio ou seu preposto, no caso o inspetor de caldeira, est sujeito a ser responsabilizado civil e criminalmente.

A utilizao de caldeiras tambm implica em riscos diversos. Alm de explodir, podem causar incndios, choques eltricos, intoxicaes, quedas e queimaduras. A preveno deve ser considerada em todas as fases: no projeto, fabricao, instalao, operao, manuteno e inspees.

A exploso pode se originar da combinao de trs causas: a diminuio da resistncia do material em decorrncia do superaquecimento ou modificao estrutural; a diminuio da espessura advinda da corroso ou da eroso; e o aumento da presso por falha de operao e dos equipamentos de segurana.

No entanto, uma caldeira bem cuidada pode durar muitas dcadas. Os critrios de segurana, o tratamento adequado da gua e o acompanhamento da vida da caldeira por um engenheiro inspetor de caldeiras e vasos de presso ( o ideal que este acompanhamento acontea desde a fabricao da caldeira ) so procedimentos necessrios tanto para atendimento da legislao quanto para conservao da integridade da caldeira.

2- TIPOS DE CALDEIRAS

2.1 - Caldeiras flamotubulares

So aquelas nas quais os fumos ( gases ) resultantes da queima de um combustvel circula por dentro dos tubos, fornecendo calor para a gua que est circulando pelo lado de fora dos tubos. Na figura 1 mostrado um dos tipos de caldeiras flamotubulares.

So caldeiras largamente utilizadas em indstrias, hotis, hospitais, muito simples de serem instaladas e operadas, com pequena capacidade de produo de vapor.

Sua construo simples, constituda, basicamente, por um corpo cilndrico com as extremidades fechadas por espelhos, nos quais so feitas furaes onde so fixados os tubos que atravessam todo o corpo cilndrico do vaso. Nas extremidades do vaso so colocadas tampas que servem para direcionar os gases e nas quais so posicionados o queimador e a sada dos gases para a chamin.

2.2 - Caldeiras aquatubulares

So aquelas nas quais os gases da combusto circulam por fora e a gua por dentro dos tubos, onde transformada em vapor. So empregadas nas centrais termoeltricas e indstrias que consomem grandes quantidades de vapor, j que a taxa de produo de vapor por rea de troca de calor bem maior do que a das caldeiras flamotubulares. Para dar ordem de grandeza, as caldeiras aquatubulares modernas podem produzir cerca de 60 Kg de vapor / m2, enquanto que as caldeiras aquatubulares podem produzir 250 Kg de vapor / m2. Evidentemente, esses nmeros variam de um projeto para outro. Na figura 2 mostrado um tipo de caldeira aquatubular e seus componentes principais.

Figura 1 - Caldeira Flamotubular

Figura 2 - Caldeira Aquatubular2.2.1 - Componentes principais de caldeiras aquatubulares

a) Tubulo superior

Corpo cilndrico de ao onde se faz a alimentao de gua. Do tubulo superior a gua distribuda para os tubos de descida (downcomer) e nele chega o vapor saturado gerado nos tubos de subida (riser). Portanto, neste componente encontramos as fases lquido e vapor de gua saturados.

b) Tubulao Inferior

Corpo cilndrico de ao, geralmente menor que o tubulo superior, que tem a funo de distribuir a gua pelos tubos da caldeira e concentrar slidos mais pesados, que sero eliminados por drenagem (extrao de fundo).

c) Fornalha

a regio da caldeira projetada para a queima do combustvel. Seu tamanho e forma dependem do combustvel que ser queimado, da capacidade de produo da caldeira e do queimador.

d) Paredes d'gua

Os tubos que interligam os tubules superior e inferior e que formam as paredes da fornalha so chamados de parede d'gua. Neles ocorre a transformao da gua em vapor, sendo denominados tubos de subida ou tubos geradores de vapor. A troca de calor ocorre por conveco e radiao obtidas pela combusto.

e) Feixe de conveco

Os tubos que interligam os tubules superior e inferior onde a troca de calor com os gases se d exclusivamente por conveco, so chamados de feixe de conveco ou tubos de descida da gua.

f) Superaquecedor

um trocador de calor colocado no fluxo dos gases antes de deixar a caldeira, com o objetivo de promover o superaquecimento do vapor, j que este deixa o tubulo superior no estado saturado. composto por feixe de tubos e coletores e trabalha em condies trmicas mais severas que os demais tubos da caldeira, visto que neles no temos mais gua lquida para resfriamento dos tubos.

g) Pr-aquecedor de ar

um trocador de calor cujo objetivo elevar a temperatura do ar para a combusto, utilizando o calor sensvel dos gases residuais da caldeira que se dirigem para a chamin. Podem ser classificados em tubulares ou regenerativos:

- tubulares: constituido de feixe de tubos fixados em espelhos. Os gases circulam pelo interior dos tubos e o ar por fora.

- regenerativo: neste tipo de trocador de calor, os gases aquecem elementos metlicos que, depois, cedem o calor absorvido para aquecer o ar.

O maior problema operacional dos pr-aquecedores de ar a corroso devido ao ponto de orvalho dos gases de combusto que resultam na formao de cido. Para prevenir este problema, deve-se garantir temperaturas acima da do ponto de orvalho dos gases e utilizao de material resistente corroso.

h) Aquecedor da gua de alimentao

um trocador de calor que tem a funo de aquecer a gua antes de sua entrada na caldeira. So classificados em dois tipos:

-aquecedor de gua com vapor.

-aquecedor com calor sensvel dos gases, estes denominados economizadores.

Os aquecedores que utilizam vapor se subdividem em: aquecedores de mistura (desaeradores) e aquecedores de superfcie.

Nos aquecedores de mistura o vapor introduzido diretamente na gua. Alm de aquecer a gua, eliminam os gases (oxignio, gs carbnico) nela dissolvidos por efeito desaerante, nocivos s partes sob presso da caldeira. So chamados de desaeradores.

Nos aquecedores de superfcie, a gua introduzida no interior dos tubos de feixe tubular, recebendo calor do vapor que circula pelo lado externo dos tubos. O condensado deste vapor retorna ao ciclo.

Nos economizadores a gua de alimentao absorve o calor dos gases de combusto, resultando em economia para o sistema. constitudo de feixe de tubos unidos nas extremidades por coletores. A gua circula dentro dos tubos enquanto que os gases circulam por fora cedendo calor gua. Exigem grandes reas de troca de calor devida baixa temperatura dos gases e baixo coeficiente de pelcula. Como problemas operacionais, citam-se o risco de formao de cido, se for atingido o ponto de orvalho dos gases, e acmulo de fuligem.

2.3 - Caldeiras Eltricas

So conhecidos, basicamente, dois tipos de Caldeiras Eltricas:

2.3.1 - Caldeiras Eltricas a Resistores

Este tipo construtivo representa a primeira concepo de caldeiras eltricas. Os elementos responsveis pela gerao de calor so fios metlicos de dimenses calculadas para se obter o efeito desejado, envoltos por uma camada de material di-eltrico, por sua vez revestido por um tubo metlico. Este elemento, assim constitudo, denominado resistor, tem seus terminais conectados diretamente rede eltrica, aquecendo o fio metlico a ponto de provocar fluxo de calor para as camadas isolantes e para o prprio tubo externo, o qual, imerso na gua, transfere calor para a gerao de vapor.

Uma caldeira eltrica a resistor constituda por um vaso fechado, contendo uma certa quantidade de gua em seu interior na qual esto mergulhados um ou mais resistores. Estes elementos resistores so aplicados, em geral, na parede lateral do vaso, abaixo do nvel da gua, mediante conexo rosqueada ou flangeada, de modo a permitirem ligao direta pela parte externa com a fonte de energia eltrica ( figura 3 ).

2.3.2 - Caldeiras eltricas de eletrodos

As caldeiras eltricas de eletrodos prescindem dos resistores, aproveitando a gua vaporizando como veculo de conduo de energia eltrica. A gua atua como condutor da energia eltrica, convertendo-a em calor no seu prprio meio, funcionando como um eletrlito de condutividade pr-estabelecida, compatvel com os efeitos que se pretende obter. A gua torna-se tanto mais condutora quanto maior for a concentrao de sais, visto que quando destilada, atua como isolante trmico.

Sob o aspecto construtivo, a caldeira eltrica de eletrodos submersos compreende um vaso fechado contendo uma certa quantidade de gua salinizada em seu interior, na qual se mergulham eletrodos energizados. Enquanto a gua lquida estiver em contato com os eletrodos polarizados, cada KW de energia eltrica transforma-se em 860 Kcal/h, diferenciando-se, apenas, de acordo com o rendimento de cada caldeira.

figura 3 - caldeira eltrica de resistores

3 - NORMAS

Dentre as normas pertinentes Caldeiras, destacam-se as seguintes:

American Society of Mechanical Engineers (ASME)

Os cdigos ASME se constituem na principal fonte de referncia normativa sobre caldeiras e vasos de presso do mundo. Foram elaborados em conseqncia da exploso de uma caldeira em Massachussets, nos Estados Unidos, onde morreram 58 pessoas.

NR 13 - Caldeiras e Vasos de Presso

Esta norma, do Ministrio do Trabalho, estabelece as medidas de segurana para usurios de caldeiras. Aps sua ltima reviso, esta norma ampliou as exigncias da qualidade e eficincia das inspees e repassou o controle dos laudos de inspeo para os sindicatos das categorias predominantes nas empresas.

Esta norma encontra-se disponibilizada pela internet no site www.mtb.gov.br/legiNBR 12177 (antiga NB 55)A norma NBR 12177, da Associao Brasileira de Normas Tcnicas (ABNT), trata dos procedimentos de como fazer as inspees em caldeiras

NB 227Esta norma, tambm da ABNT, trata dos cdigos para projeto e construo de caldeiras estacionrias.4 - RENDIMENTOO rendimento de uma caldeira determinado pela relao entre a energia recebida pela gua e a energia consumida.

Assim, para caldeiras aquatubulares e flamotubulares:

Para caldeiras eltricas:

onde, para os dois casos:

ms = vazo mssica do vapor saindo (kg/s)

me= vazo mssica de gua entrando ( kg/s)

he= entalpia da gua na entrada (KJ/kg)

hs= entalpia do vapor na sada (KJ/kg)

mcomb= vazo mssica do combustvel (kg/s)

PCI = poder calorfico inferior do combustvel ( KJ/kg )Pot. eltrica consumida em KW5 - UTILIZAO DO DIAGRAMA t x s

Os usurios de sistemas que utilizam vapor dgua devem habituar-se a fazer uso do diagrama temperatuta (t) versus entropia ( s) e do diagrama de Mollier - entalpia ( h ) versus entropia ( s ) para o vapor dgua, pois ambos so bastante teis na compreenso dos processos e determinao de propriedades termodinmicas.

Como exemplo de utilizao, mostramos o processo de gerao de vapor numa caldeira, sendo conhecidos os seguintes dados:

produo de vapor:

30 ton / h

temperatura da gua na entrada:100 C

presso da gua na entrada:

49 kg/cm2 (manomtrica)=

( 50 kg/cm2 ( absoluta ) =

( 50 ata

temperatura do vapor na sada:400 C

presso do vapor na sada: 47 kg/cm2 =

( 48 kg/cm2 ( absoluta )

( 48 ata

Com os dados fornecidos podemos traar o processo no diagrama t x s , como mostrado na pgina seguinte.

Figura 4 - Diagrama temperatura x entropia

Do grfico podemos levantar informaes importantes, como:

quantidade de calor absorvida por quilograma de gua:

h2 - h1 = (762 - 100) [Kcal / kg] = 662 [Kcal / kg]

( quantidade de calor total absorvida:

= 19.860.000 [Kcal/h] volume especfico do vapor na sada: v2 = 0,06 m3/kg ( vazo volumtrica de vapor na sada:

m . v2 = 30.000 [kg/h] . ( 1 / 3600 ) [ h / s ] . 0,06 [ m3 / kg ] =

= 8,333 [kg / s] . 0,06 [ m3/kg ] =

= 0,5 [ m3 /s ] Velocidade recomendada para o vapor em tubulaes:(20 [m/s]

( dimetro interno mnimo para a tubulao:

rea interna mnima = 0,5 [m3/s] / 20 [ m/s ] =

= 0,025 [m2]

dimetro interno mnimo =

=

=

=

= 0,178 [m]6 - TRABALHOS PRTICOS

6.1 - INSPEO DE CALDEIRAS

Inspees em Caldeiras devem ser feita por profissionais habilitados, conforme exigncias das normas brasileiras ou internacionais.

As exigncias para tal habilitao e os procedimentos de inspeo so detalhados nas normas NR 13 do Ministrio do Trabalho e NBR 12177 da Associao Brasileira de Normas Tcnicas- ABNT (antiga NB 55 ).

6.1.1 - Objetivo

Este trabalho tem por objetivo a realizao de inspeo em uma caldeira, proporcionando ao aluno o conhecimento das normas pertinentes e o contato com este equipamento, assimilando aspectos de segurana, operao e projeto.

6.1.2 - Procedimento

6.1.2.1 - O aluno dever efetuar a leitura das normas NR13 e NB55, bem como de relatrios de inspeo de outras caldeiras. Esta atividade se dar, preliminarmente em sala de aula, junto com o professor e o tcnico, para discusso de detalhes referentes caldeiras e s normas.

6.1.2.2 - O aluno dever escolher uma das atividades relacionadas no anexo 1, para execut-la durante visita a uma caldeira existente em seu local de trabalho ou em outro local sugerido pelo professor, dentro ou fora da Universidade.

6.1.2.3 - Concluda a visita e inspeo, o aluno dever emitir relatrio de acordo com as normas, em formato que atenda a padronizao do curso.

6.2 - PRODUO DE VAPOR

6.2.1 - Objetivo

Este trabalho tem por objetivo proporcionar ao aluno a oportunidade de acompanhar o processo de produo de vapor em uma caldeira, visualizar os diversos acessrios empregados em caldeiras e linhas de vapor e a utilizao prtica dos diagramas t x s e h x s (Mollier).

6.2.2 - Procedimento

As atividades sero executadas junto uma caldeira eltrica existente na Universidade, empregada para fins exclusivamente didticos. Abaixo apresentado o esquema da instalao:

2

sada de

vapor

saturado

purgador

1

sada de

condensado

bomba de alimen caldeira eltrica -tao de gua

para a caldeira

6.2.2.1 - Utilizando-se de um cronmetro e de balana, mea a vazo mssica de vapor gerado ( massa / tempo )

6.2.2.2 - Efetue a leitura da temperatura da gua no ponto 1

6.2.2.3 - Efetue a leitura da temperatura e presso no ponto 2

6.2.2.4 - Atravs de tabelas termodinmicas ou de diagramas

determine as entalpias da gua e do vapor nos estados 1 e 2.

Observe que a entalpia no estado 2 ser calculada a partir do ttulo:

h2 = hl + x2 . hlv

onde:

x2 = mvapor / ( mcondensado + mvapor )6.2.2.5 - Identifique a potncia eltrica consumida pela caldeira

(ou calcule a partir da medio da corrente eltrica e da

tenso aplicada )

6.2.2.6 - Calcule o rendimento da caldeira.

6.2.2.7 - Mostre o processo de gerao de vapo nos diagramas

t x s e no diagrama de Mollier ( h x s ).6.2.3 - Emitir relatrio apresentando os resultados obtidos.

7 - BIBLIOGRAFIA

7.1 - Geradores de Vapor

Hildo Pera - 2a Edio

Editora Fama

7.2 - American Society of Mechanical Engineers ( ASME Boiler

and Pressure Vessel Code)

7.3 - Inspeo de Caldeiras.

IBP - Rio de Janeiro - 1974

7.4 - Geradores de Vapor

Raul Peragallo Torreira - 1a edio

Editora

ANEXO 1Relao de trabalhos sugeridos para utilizao das normas sobre inspeo de Caldeiras:

1 - Inspeo de uma Caldeira Flamotubular, segundo a NR13

2 - Inspeo de uma Caldeira Aquatubular, verificando se esto atendidas as Condies Gerais pargrafos 4.1 - Identificao e 4.2 - Pronturio, da NB55.

3 - Inspeo de uma Caldeira Aquatubular , verificando se est atendido o Pargrafo 5 da NR55.

4 - Inspeo de uma Caldeira eltrica, segundo a NR13

5 - Realizao de um Ensaio Hidrosttico, segundo a NB55

6 - Realizao de um Ensaio de Acumulao, segundo a NB55

7 - Calibrao da Vlvula de Segurana, segundo a NB55

8 Inspeo de Caldeira Aquatubular segundo a NR13

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_994734563.unknown

_994734559.unknown

_994734560.doc

_994734558.unknown

_994734557.unknown