OPERADOR DE CALDEIRAPARTE 1

Caldeira a vaporSo equipamentos destinados a produzir e acumular vapor sob preso superior atmosferica, utilizando qualquer fonte de energia, excetuando-se os refervedores e equipamentos similares utilizados em unidades de processo.

NR-13Sero considerados como caldeiras todos os equipamentos que simultaneamente geram e acumulam vapor de gua ou outro fluido. Unidades instaladas em veculos, tais como caminhes e navios devero respeitar essa norma regulamentadora nos itens que forem aplicveis e para os quais no exista normalizao ou regulamentao mais especfica.

Noes e conceitos bsicosSo apresentados de modo simples, tornando mais claro para os operadores de caldeira processos que acontecem durante o funcionamento do equipamento.

I - Estados da matria, suas caractersticas e seu processo de transformao.II - Noes sobre energia.III -TemperaturaIV - Calor.V - Presso.VI - Combusto.

Os estados da matria:Slido, lquido e gasoso.

Caractersticas dos estados:Na natureza nada est absolutamente esttico e as molculas que formam a matria movimentam constantemente.

A Estado lquido:No estado lquido, a fora de atrao entre as molculas menor e elas conseguem se movimentar mais do que no estado slido. por isso que embora mantenham o volume tomam forma do recipiente em que esto contidos; portanto a matria tem volume definido mas no tem forma definida.B Estado slido:No estado slido, as molculas se movimentam menos do que no estado liquido e gasoso, pois esto firmemente ligadas por uma grande fora de atrao, que funciona como pequenas molas. essa fora de atrao que impede que os slidos mudem de forma ou volume. No estado slido, a matria tem forma e volume definido.

c)- Estado gasoso: J no estado gasoso, as foras de atrao entre as molculas so bem mais fracas, o que da a elas grandes liberdades de movimento, fazendo com que possam se distanciar muito uma das outras. Isto permite aos gases alterarem o seus volumes e tomarem completamente o espao do recipiente em que esto contidos. Portanto neste estado no tem forma e nem volume definido.

GUAVAPORGELO

Quando se pensa em movimento, sempre se pensa em energia: o que no tem energia no consegue se movimentar.Como o movimento das molculas mais intenso no estado gasoso do que nos estados slidos e lquidos, pode-se concluir que a matria tem mais energia trmica quando est no estado gasoso.Isso muito importante na operao de caldeiras, um equipamento que produz vapor para ser usado como energia em processos industriais e em outras atividades.

Energia, Temperatura e Calor:a)- energia trmica: responsvel pelo movimento das molculas faz parte da prpria matria e depende do nvel de atividade ou de agitao molecular.Ela chamada de energia trmica (interna): quanto mais agitadas suas molculas mais energia trmica (interna) a matria contm.

b)- temperatura: O nvel de agitao das molculas de um corpo pode ser medido com a ajuda de um termmetro. A medida da agitao das molculas a temperatura de um corpo ou poro de matria, que pode ser medida em graus Celsius ou centgrados (smbolo oC) ou grau Fahernheit (smbolo oF). Essa medida um nmero que traduz a energia trmica de um determinado corpo.Quanto maior a temperatura de um corpo, mais agitadas esto suas molculas e maior sua energia interna.

c)- calor:Embora se relacione com temperatura, o calor um conceito diferente, do ponto de vista microscpico, ele pode ser definido como energia em movimento; isto : energia que se transfere de um corpo para outro quando h diferena de temperatura entre eles.Quando dois corpos tm a mesma temperatura, no ocorre transferncia de calor, porque eles esto em equilbrio trmico.

Calor , portanto, a energia que se transfere de uma fonte quente para outra fria, por meio de contato entre elas.Exemplo: Quando seguramos a maaneta de uma porta, nosso corpo (fonte quente) transmite energia para o metal (fonte fria), o que nos d uma sensao de frio na mo.Isso tambm acontece quando tocamos a madeira da porta, mas no o percebemos de modo to intenso porque a madeira no uma matria transmissor de calor to bom quanto o metal, no qual flui melhor e, portanto, absorvido mais rapidamente Um corpo isolado tem energia mas no tem calor

Transferncia de energia:A quantidade de energia trmica capaz de transferir-se de um corpo ou poro de matria para outro tambm pode ser medida e expressa em calorias (smbolo: cal).

A transferncia de energia um dos princpios bsicos do funcionamento das caldeiras. A transferncia de energia depende tanto do nvel de agitao (temperatura) das molculas dos materiais em contato como da maior ou menor capacidade de transmitir calor de cada um desses materiais. Isso porque na natureza alguns materiais transmitem melhor calor do que os outros.

calor sensvel:Chama-se de calor sensvel a quantidade de calor necessria para elevar em grau centgrado (1C), cada grama de uma substncia. o calor que produz o aquecimento da substncia a que, portanto, pode ser percebido por nossos sentidos.

calor latente:No produz aquecimento mas provoca uma transformao de estado na substncia. Quando a substncia muda de estado, mesmo que se aumente a quantidade de calor que lhe transferida, sua temperatura no aumenta.Ex: Quando se transfere calor para a gua em estado lquido ela vai se aquecendo at comear a ferver. Nesse processo de aquecimento a gua vai acumulando cada vez mais calor sensvel, algo que podemos perceber pelo tato. Quando entra em ebulio e se transforma em vapor, ela passa a acumular calor latente: mesmo que continue transferindo calor gua, esse acrscimo no pode ser percebido pelos nossos sentidos. isso que acontece quando a gua ferve.

TRANSFORMAO DE ESTADOAs mudanas de estado da matria so provocadas pelo calor e pela ao da presso.Uma mesma substncia (como a gua, por exemplo) pode se apresentar tanto no estado slido, como lquido ou gasoso. A diferena entre estes estados a intensidade da unio entre as molculas da substncia: no estado gasoso os milhares de pequenas molas que unem as molculas so mais fracas do que no slido ou no lquido. Portanto, a mudana do estado slido para o lquido e deste para o gasoso significa enfraquecer progressivamente a unio entre as molculas da substncia. J a transformao de um gs em lquido ou slido significa fortalecer cada vez mais a fora de coeso entre as molculas da substncia.

Processo de transformao de estado

a)- Troca trmica: Para quebrar as foras que mantm as molculas de um slido bem unidas pode se usar energia trmica.MUDANA DO ESTADO DA GUA

O calor da chama se transfere para o cubo de gelo (slido), transferindo energia trmica para as molculas da gua. Esse fenmeno chamado de troca trmica. Com esse acrscimo de energia trmica, as molculas da gua vo vibrar com, mais intensidade, forando as pequenas molas que as mantm ligadas at que estas comecem a se quebrar. Quando vrias se quebram, as molculas ganham maior liberdade de movimento e a gua muda de estado slido para lquido.Mantendo-se as transferncias de energia trmica, a agitao das molculas vai se intensificar ainda mais e a gua lquida vai se transformar em vapor, isto , passar para o estado gasoso.b- presso:Presso a intensidade de uma fora atuando em uma determinada rea.Alm da energia trmica, a presso tambm interfere na transformao de estado de uma substncia.

Relao entre uma fora e determinada rea1kgf/cm2 = 14,22 lbf/pol2

A presso pode ser medida com a ajuda de um manmetro. Normalmente essa medida expressa em quilogramas fora por centmetro quadrado ou libras fora p polegada quadrada.b.1 presso atmosfrica:A terra totalmente cercada por uma camada de ar de cerca de 500 km de altura. A fora dessa coluna de ar, que age sobre todas as coisas e seres existentes na superfcie do planeta, chamada de presso atmosfrica.

A presso atmosfrica varia de acordo com a altitude: ela maior em cidades ao nvel do mar, como Rio de Janeiro, Santos, do que em cidades situadas em lugares mais altos, como So Paulo, Presidente Prudente, isto acontece porque a coluna de ar que exerce a presso atmosfrica maior ao nvel do mar.

Nas caldeiras, porm, agem tambm outras foras de presso, oriundas da formao de vapores em seu interior. A presso no interior de um recipiente age em cada centmetro das paredes dos diversos, recipientes da caldeira.

Do ponto de vista microscpico, a presso exercida por estes fluidos resultado da soma de muitas foras, provocadas pelos contnuos choques entre as molculas do vapor em movimento contra as paredes do recipiente onde esse vapor formado.

b.1.1 - Presso e transformao de estado:Para mudar do estado slido ou lquido para o gasoso, as molculas de uma substncia precisam de energia trmica suficiente para romper as molinhas que as unem. Mas quando acumulam energia suficiente para isso, as molculas ainda necessitam mais energia para vencer a presso atmosfrica, uma fora externa que se mantm agindo sobre a substncia enquanto acontece o processo de transformao.Quanto maior a presso atmosfrica tanto mais energia ser necessria para que a substncia mude de estado e, portanto, mais calor tem de ser transferido para que ela se transforme em vapor. Inversamente, quanto menor for presso atmosfrica mais fcil ser a mudana para o estado gasoso (ou vaporizao) e menor a quantidade de calor ser exigida. Isso explica por que a temperatura de ebulio da gua varia em cidades de diferentes altitudes e, portanto, com presses atmosfricas distintas.

87C La Paz90C QUITO95C BRASILIA98C SO PAULO100C RECIFENIVEL DOIsso tambm explica por que os alimentos cozinham mais rapidamente em panelas de presso. Nesse tipo de panela, a gua e os alimentos ficam confinados em um ambiente e o vapor gerado faz com que tenhamos um aumento da presso interna, um conseqente aumento de temperatura e, portanto, um melhor cozimento.

Tambm isso que acontece nas caldeiras.

c- presso no interior de uma caldeiraAs molculas do vapor produzido dentro da caldeira movimentam-se com mais intensidade e se chocam seguidamente com as paredes do recipiente.A fora desses choques seguidos das molculas de vapor de gua cria uma presso interna na caldeira.Por isso que o recipiente que gera e armazena vapor chamado de vaso de presso.

TABELA DE VAPOR SATURADO Abundante na natureza e possuidora de excelentes propriedades termodinmicas, a gua desempenha importante papel na gerao e distribuio de energia trmica nas indstrias e em outros ramos de atividade.A gua tem capacidade de armazenar calor (entalpia) muito superior da maioria dos fludos. Por isso, o vapor de gua, que armazena grande quantidade de calor latente, muito usado em processos que exigem energia trmica.As caldeiras so usadas justamente para produzir dois tipos de vapor de gua:

vapor mido ou vapor saturado, muito usado para aquecimento ou resfriamento de matrias primas;

vapor superaquecido, conseguido quando se continua a transferir calor ao vapor saturado, superaquecendo-o, muito usado para mover as turbinas que geram energia eltrica em usinas termoeltricas. Esse tipo de vapor (seco) acumula maior quantidade de energia do que o saturado.

O vapor superaquecido resulta da transferncia de calor gua aps sua entrada em ebulio.

V- Combusto e Queima:Uma boa combusto um dos fatores fundamentais para uma operao de caldeiras eficiente e segura.Combusto uma reao qumica de queima (oxidao) de materiais em altas temperaturas, com liberao de luz calor (energia trmica).

Combustvel: Toda substncia natural ou artificial, slida, liquida ou gasosa, capaz de reagir com o oxignio do ar, liberando calor.

Comburente: Substncia que alimenta a combusto, isto , o oxignio do ar.

Composio do ar atmosfrico: 21% de Oxignio 79% de Nitrognio

Mas na combusto somente o oxignio do ar reage com o combustvel, sendo que o nitrognio um elemento inerte nessa reao qumica.Calor:Para a combusto, uma chama (piloto) fornece calor (na natureza a combusto tambm pode ser desencadeada por uma fagulha.Reao em cadeia: A reao em cadeia torna a queima auto-sustentvel. O calor irradiado das chamas atinge o combustvel e este decomposto em partculas menores, que combinam com o oxignio e queimam irradiando outra vez calor para o combustvel, formando o ciclo constante.

O calor age em um corpo, decompondo-o em partes cada vez menores.

Poder calorfico: Varias substncias (slidas, lquidas e gases) so utilizadas como combustveis nos processos industriais.A escolha do combustvel mais adequado depende de vrios fatores, entre os quais seu poder calorfico, isto , a quantidade de calor (energia trmica) que ele capaz de transmitir durante sua combusto. Essa quantidade medida em calorias (cal).O poder calorfico de uma substncia calculado com base na relao entre quantidade de calorias liberadas durante a combusto e unidade de peso do combustvel.Geralmente essa medida feita por quilocalorias (kcal) liberadas por quilograma (kg) de combustvel.

No caso de caldeiras e outros equipamentos industriais, trabalha-se com o chamado poder calorfico inferior (PCI), que considera que a gua, no estado vapor, que est contida nos fumos resultantes da combusto permanea nesta forma at sair pela chamin.

Poder calorficos inferior (PCI) de alguns combustveis usados na indstria (KCAL/UNIDADE)

Carbono (C)8.100Hidrognio (H)28.702GLP (gs liquefeito de petrleo)10.800Gs natural8.845lenha2.500 a 3.000Bagao de cana3.200Petrleo cru 9.700 a 11.700Carvo vegetal7.500 (vegetal)Alcatro8.800lcool etlico7.200Gs de alto forno710Carvo mineral5.000 a 7.000leo diesel8.620leo combustvel tipos A e B9.550

O calor causa raes de combusto em que as substncias usadas como combustvel se transformam, liberando certa quantidade de quilocalorias (KCAL) por unidade de volume de peso (Nm3).O Nm3 uma unidade de volume dos gases quando submetidos a condies normais de temperatura e presso.

Algumas reaes de combusto

C + O2 CO2 + 7.935 Kcal/Nm3H2 + 1/2 O2H2O + 2.575 Kcal/Nm3CO + 1/2 O2CO2 + 3020 Kcal/Nm3H2S + 3/2 O2H2O + SO2 + 5.448 Kcal/Nm3

No primeiro exemplo acima, observa-se que o carbono reagindo com o oxignio na combusto, produz gs carbnico (CO2) e 7.935 Kcal/Nm3 .

Mecanismo da combustoNuma caldeira o mecanismo da combusto funciona basicamente da seguinte maneira:o combustvel entra na zona de queima e comea a receber calor;ao receber calor, o combustvel se vaporiza;vaporizado, mistura-se com o oxignio do ar;na presena do calor de uma chama, essa mistura se inflama e queima, liberando mais calor (energia trmica).

Esse calor produzido pelo combustvel liberado sob forma de luz e de fumos quentes (fumaa).Dentro da caldeira, o calor da fumaa transmite energia trmica para a gua, que se vaporiza, gerando vapor.A partir do momento em que a mistura de combustvel e oxignio se inflama, inicia-se um processo de transferncia de calor.Esse processo envolve transferncia de calor ligado luz (brilho) da chama e ao contato da fumaa quente com as tubulaes da caldeira.Em seguida, a energia trmica transmitida s paredes da tubulao (serpentina) da caldeira transmitida gua, para que esta se transforme em vapor.Isso explica por que h uma diminuio da temperatura dos fumos quentes medida que estes se afastam do queimador em direo a chamin.

Para ser convenientemente queimado, o combustvel utilizado deve passar por uma preparao, que geralmente feita desde o sistema de armazenagem at o de queima da caldeira incluindo a fornalha ou cmara de combusto e os queimadores, os ltimos elementos por onde o combustvel passa antes da reao de queima.Quanto mais finamente dividido o combustvel estiver no momento da queima, mais facilmente ele se mistura com o ar e atinge temperatura de ignioO uso de combustveis slidos, de granulometria e umidade variveis (lenha, bagao), exigem que a caldeira os seque completamente antes de serem efetivamente queimados.

Isso significa que preciso aquecer grandes pedaos de combustveis antes de queim-los, o que torna o processo mais difcil e de rendimento pior, quando comparados aos gases e lquidos.Para manter a combusto necessrio que:os gases formados na cmara de combusto da caldeira sejam retirados dali para evitar que tomem o espao do oxignio, o que comprometeria a queima;Para operar uma caldeira com eficincia, aproveitando ao mximo o calor gerado pela combusto, preciso tanto produzir um bom fogo como garantir que o equipamento esteja em perfeitas condies de funcionamento, para evitar que esse calor se perca para o meio ambiente.sejam sempre mantidas as mesmas condies iniciais na alimentao de combustveis e comburentes na cmara de combusto

Para operar uma caldeira com eficincia, aproveitando ao mximo o calor gerado pela combusto, preciso tanto produzir um bom fogo como garantir que o equipamento esteja em perfeitas condies de funcionamento, para evitar que esse calor se perca para o meio ambiente.

Dependendo de sua composio, cada combustvel precisa ser misturado a uma determinada quantidade de ar para que se queime completa e perfeitamente.Essa quantidade exata de ar chamada de quantidade estequiomtrica.Quando todo o combustvel se queima, ocorre a chamada combusto completa;Quando no h queima total do combustvel, trata-se da combusto incompleta.Em resumo a combusto pode ser:Completa: Com quantidade estequiometrica de ar (C + O2 = CO)Incompleta: Com insuficiencia de ar (C + O2 = CO2Com excesso: Com quantidade de ar superior estequimetrica C + 2O = CO2 + O2

Na prtica, possvel perceber se a combusto est se realizando com falta ou excesso de ar avaliando-se os fumos que ela gera.

Se o resultado da queima uma fumaa branca, significa que h excesso de ar.

Se a fumaa negra, indica quantidade insuficiente de ar.Embora a combusto ideal seja a estequiomtrica, nos processos industriais geralmente a combusto ocorre com excesso de ar.Portanto, deve-se procurar operar com as menores quantidade de ar possveis