3ºaula - Caldeiras

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Curso de Graduação em Engenharia Mecânica Disciplina: Tecnologia do Calor II – MEC 4028-2 Período: 4º - 2º semestre de 2007 Professor:Otavio Henrique Paiva Martins Fontes Aula nº 3: Caldeiras CALDEIRAS  Definição  Aplicações  Tipos e componentes mecânicos  Ciclos Térmicos  Avarias, manutenção e reparo CALDEIRAS  Caldeiras ou geradores de vapor são equipamentos destinados a mudar o estado físico da água, do líquido para o vapor, a fim de ser utilizado em aquecimento, para o acionamento de máquinas motrizes (turbinas e máquinas alternativas), nos mais diversos ramos da indústria: geração de energia, propulsão naval, indústria de alimentos, etc. CALDEIRAS  Vapor de água é usado como meio de geração, transporte e utilização de energia desde os primórdios do desenvolvimento industrial. Inúmeras razões colaboraram para a geração de energia através do vapor.  A água é o composto mais abundante da Terra e portanto de fácil obtenção e baixo custo. Na forma de vapor tem alto conteúdo de energia por unidade de massa e volume.  As relações temperatura e pressão de saturação permitem utilização como fonte de calor a temperaturas médias e de larga utilização industrial com pressões de trabalho. CALDEIRAS    Grande parte da geração de energia elétrica do hemisfério norte utiliza vapor de água como fluído de trabalho em ciclos termodinâmicos, transformando a energia química de combustíveis fósseis ou nucleares em energia mecânica, e em seguida, energia elétrica. Grande parte da indústria de processo químico tem vapor como principal fonte de aquecimento: reatores químicos, trocadores de calor, evaporadores, secadores e inúmeros processos e equipamentos térmicos. Outros setores industriais, como metalúrgico, metalmecânico, eletrônica, etc., podem-se utilizar de vapor como fonte de aquecimentos de diversos processos. DESENVOLVIMENTO DAS CALDEIRAS  As primeiras aplicações de caráter industrial na geração de vapor ocorreram por volta do século 17. O inglês Thomas Savery patenteou em 1698 um sistema de bombeamento de água utilizando vapor como força motriz.  Em 1711, Newcomen desenvolveu outro equipamento com a mesma finalidade, aproveitando idéias de Denis Papin, um inventor francês.  A caldeira de Newcomen era apenas um reservatório esférico, com aquecimento direto no fundo, também conhecida como caldeira de Haycock (figura 1). DESENVOLVIMENTO DAS CALDEIRAS DESENVOLVIMENTO DAS CALDEIRAS  James Watt modificou um pouco o formato em 1769, desenhando a caldeira Vagão ( figura 2), a precursora das caldeiras utilizadas em locomotivas a vapor.  Apesar do grande desenvolvimento que Watt trouxe a utilização do vapor como força motriz, não acrescentou muito ao projeto de caldeiras.  Todos estes modelos provocaram desastrosas explosões, devido a utilização de fogo direto e ao grande acúmulo de vapor no recipiente. A ruptura do vaso causava grande liberação de energia na forma de expansão do vapor contido. DESENVOLVIMENTO DAS CALDEIRAS DESENVOLVIMENTO DAS CALDEIRAS  No início do século 19 houveram os primeiros desenvolvimentos de uma caldeira com tubos de água. O modelo de John Stevens (figura 3) movimentou um barco a vapor no Rio Hudson.  Stephen Wilcox, em 1856, projetou um gerador de vapor com tubos inclinados, e da associação com George Babcock tais caldeiras passaram a ser produzidas, com grande sucesso comercial (figura 4).  Em 1880, Alan Stirling desenvolveu uma caldeira de tubos curvados, cuja concepção básica é ainda hoje utilizada nas grandes caldeiras de tubos de água (figura 5). DESENVOLVIMENTO DAS CALDEIRAS DESENVOLVIMENTO DAS CALDEIRAS TIPOS DE CALDEIRAS E CLASSIFICAÇÃO  Conforme o agente que transfere calor: óleo combustível, óleo diesel, lenha, bagaço de cana, carvão, eletricidade, a gás (GLP e/ou gás natural).  Conforme o modo de transferência de calor: flamotubulares e aquatubulares.  Constituem-se de três partes básicas: câmara de combustão (ou fornalha) onde o combustível é queimado, câmara de água onde a água é aquecida, e a câmara de vapor que recebe o vapor formado. CALDEIRAS FLAMOTUBULARES  Constituem-se da grande maioria das caldeiras, utilizada para pequenas capacidades de produção de vapor (da ordem de até 10 ton/h) e baixas pressões (até 10 bar), chegando algumas vezes a 15 Ou 20 bar.  Os gases quentes da combustão circulam no interior dos tubos circundados pela água a ser evaporada, a qual se situa no interior de um encamisamento de chapas de aço soldadas.  Os gases quentes podem passar apenas uma vez pelos tubos aquecedores ou até mesmo duas. CALDEIRAS FLAMOTUBULARES Figura 6 - Caldeira Flamotubular com fornalha interna e tubos de gases de retorno em duas passagens CALDEIRAS FLAMOTUBULARES Figura 7 - Caldeira Flamotubular com câmara de reversão e fornalha corrugada. CALDEIRAS FLAMOTUBULARES - VANTAGENS  As principais vantagens das caldeiras flamotubulares:  Construção simples;  Facilidade em poder variar a quantidade de vapor produzido, de acordo com a demanda, atuando apenas sobre os queimadores.  Fácil substituição de tubos.  Emprego de água sem o rigor do tratamento que seria necessário se a água passasse no interior dos tubos. As incrustações se processam no exterior dos tubos.  Fácil limpeza de fuligem no interior dos tubos.  Custo relativamente reduzido, pois dispensa o emprego de economizadores e superaquecedores. CALDEIRAS FLAMOTUBULARES - DESVANTAGENS  Podemos citar como algumas desvantagens:  Em função do grande volume de água nas camisas que envolvem os tubos por onde passam os gases quentes, necessita de um tempo longo para produzir vapor numa situação plena;  Como já foi dito, são utilizadas em aplicações de pressões não muito elevadas;  Necessitam de uma bomba para manter o suprimento de água com patível com o vapor. CALDEIRAS FLAMOTUBULARES - TIPOS  Caldeiras Horizontais: com fornalha interna e tubos de gases Figura 8 – Caldeira fogotubular simples, horizontal, de construção local e fornalha externa. CALDEIRAS FLAMOTUBULARES - TIPOS  Caldeiras Verticais: possibilitam a ocupação de um espaço menor. Em geral contém uma fornalha interna. Figura 9 – Caldeira flamotubular vertical. CALDEIRAS FLAMOTUBULARES - Componentes  Alguns componentes são acoplados as caldeiras quando de seu fornecimento pelos fabricantes:     Equipamentos para suprimento de Ar de Combustão: constitui-se basicamente de um ventilador centrífugo. Sistema de pré-aquecimento de óleo: o óleo combustível deve ser aquecido de modo a diminuir sua viscosidade, aumentando a eficiência dos atomizadores nos queimadores. O aquecimento em geral é feito por resistências elétricas no início da operação e com vapor gerado pela própria caldeira. A temperatura do óleo deve ser regulada por um termostato. Sistema de Queima de Óleo Combustível: ignição, bomba de circulação de óleo combustível, válvulas para controle de vazão e pressão, filtros de óleo, manômetros, termômetros, etc. Sistema de alimentação de água: bomba e injetores com pressões variáveis. CALDEIRAS AQUATUBULARES     Neste tipo de caldeira o aquecimento se faz externamente a um feixe de tubos contendo água, e em comunicação com um ou mais reservatórios. As caldeiras aquatubulares são fabricadas em geral para produção de vapor acima de 50.000 kgf de vapor por hora. Repetindo, a produção de vapor ocorre dentro de tubos que interligam 2 ou mais reservatórios cilíndricos horizontais, conforme figura 10:  - o tubulão superior, onde se dá a separação da fase líquida e do vapor, e  - o tubulão inferior, onde é feita a decantação e purga dos sólidos em suspensão. As primeiras caldeiras aquatubulares utilizavam tubos retos, solução hoje completamente abandonada, apesar de algumas vantagens, como a facilidade de limpeza interna dos tubos. CALDEIRAS AQUATUBULARES Caldeira Aquatubular CALDEIRAS AQUATUBULARES  Dada a maior complexidade construtiva em relação às caldeiras flamotubulares, as aquatubulares são preferidas somente para maiores capacidades de produção de vapor e pressão, exatamente onde o custo de fabricação do outro tipo começa a aumentar desproporcionalmente.  Em relação ao modo de transferência de calor no interior de caldeira existem normalmente duas secções: a secção de radiação, onde a troca de calor se dá por radiação direta da chama aos tubos de água, os quais geralmente delimitam a câmara de combustão; a secção de convecção, onde a troca de calor se dá por convecção forçada, dos gases quentes que saíram da câmara de combustão atravessando um banco de tubos de água. CALDEIRAS AQUATUBULARES CALDEIRAS MISTAS    A necessidade de utilização de combustíveis sólidos para caldeiras de pequena capacidade fez surgir uma solução híbrida que são as caldeiras mistas. Basicamente são caldeiras flamotubulares com uma antecâmara de combustão com paredes revestidas de tubos de água. Na antecâmara se dá a combustão de sólidos através de grelhas de diversos tipos possibilitando assim o espaço necessário para os maiores volumes da câmara de combustão necessários a combustão de sólidos, principalmente em grandes tamanhos, tais como lenha em toras, cavacos, etc, além da possibilidade de retirada de cinzas por baixo das grelhas (o cinzeiro). CALDEIRAS MISTAS  As caldeiras mistas não reúnem todas as vantagens da aquatubular, como a segurança, maior eficiência térmica, etc., porém permite uma solução prática e eficiente quando se tem disponibilidade de combustível sólido a baixo custo.  Pode-se ainda queimar combustível líquido ou gasoso, com a instalação de queimadores apropriados.  O rendimento térmico destas caldeiras é menor que as flamotubulares, devido a perda de calor pela antecâmara. CALDEIRAS ELÉTRICAS   Em áreas onde existe um suprimento abundante de energia elétrica, pode-se considerar o uso de caldeiras elétricas, levando-se em consideração o custo do fornecimento de energia pela concessionária. Podem ser do tipo resistência e eletrodo submerso. Principais vantagens:  Ausência de poluição ambiental;  Fácil manutenção (apenas bombas);  Área reduzida de instalação;  Não necessita de área para armazenagem de combustível;  Redução considerável no consumo de vapor em relação ao produzido pelo óleo combustível. COMPONENTES PRINCIPAIS DE CALDEIRAS Os principais componentes são: (figura 11) a) cinzeiro: em caldeiras de combustíveis sólidos, é o local onde se depositam as cinzas ou pequenos pedaços de combustível não queimado. b) fornalha com grelha ou queimadores de óleo ou gás. c) seção de irradiação: são as paredes da câmara de combustão revestidas internamente por tubos de água. d) seção de convecção: feixe de tubos de água, recebendo calor por convecção forçada; pode ter um ou mais passagens de gases. e) superaquecedor: trocador de calor que aquecendo o vapor saturado transforma-o em vapor superaquecido. COMPONENTES PRINCIPAIS DE CALDEIRAS f) economizador: trocador de calor que através do calor sensível dos gases de combustão saindo da caldeira aquecem a água de alimentação. g) pré-aquecedor de ar: trocador de calor que aquece o ar de combustão também trocando calor com os gases de exaustão da caldeira. h) exaustor: faz a exaustão dos gases de combustão, fornecendo energia para vencer as perdas de carga devido a circulação dos gases. i) chaminé: lança os gases de combustão ao meio ambiente, geralmente a uma altura suficiente para dispersão dos mesmos. Componentes principais de caldeiras Figura 11 – Principais componentes. Componentes principais de caldeiras  Estruturada da seguinte forma: Câmara de combustão  Câmara de água  Câmara de vapor  AVARIAS E MANUTENÇÃO  O uso industrial de caldeiras implica na presença de alguns riscos: explosões, incêndio, Choques elétricos, intoxicações, etc. Talvez o risco de explosões seja o mais crítico.  Na maioria dos casos as causas de explosões decorrem de uma falha estrutural catastróficas, envolvendo vidas humanas.  A prevenção deve ser considerada em todas as fases do projeto, fabricação, manutenção, operação e inspeções periódicas.  Por que existe o risco de explosão? Todo fluido compressível como a água, tem seu volume violentamente reduzido quando submetido a pressões e temperaturas elevadas. O fluido comprimido ocupará todo o volume reinante, gerando tensões tranversais e longitudinais, no caso específico das redes e tubulações empregadas. Se tivermos, trincas, defeitos e redução da espessura, estaremos aumento o risco de falha. AVARIAS, MANUTENÇÃO E REPARO  Além da pressão de trabalho, devemos considerar a quantidade de calor gerado.  O superaquecimento também pode ser uma causa de eventuais avarias. Algumas causas de superaquecimento:  Seleção inadequada do aço no projeto;  Uso de aços com defeitos, em função do processo de fabricação;  Prolongamento excessivo dos tubos;  Queimadores mal posicionados;  Incrustações. AVARIAS E MANUTENÇÃO  As incrustações são um problema clássico em tubulações industriais nos mais diversos equipamentos.  Depósitos sólidos que se formam ao longos das redes em função das partículas sólidas existentes na água. AVARIAS E MANUTENÇÃO  O efeito das incrustações em uma tubulação é parecido com o de um isolamento térmico, acarretando em perda da eficiência, reduzindo a transferência de calor para a água.  Existe uma grande resistência para a transferência do calor gerado na câmara de combustão da caldeira para a água, o que acarreta numa diminuição da superfície de troca térmica, minimizando assim a eficiência térmica..  Abaixo mostra-se uma relação dos principais compostos formadores de incrustações em sistemas de Geração de Vapor, caso inexista um efetivo controle e conhecimento técnico de seus mecanismos de formação: AVARIAS E MANUTENÇÃO  Outro tipo de avaria muito comum em caldeiras é a corrosão.  A corrosão pode ser interna (conseqüência direta do contato entre a água e o aço); e corrosão externa (acontece nas superfícies expostas aos gases de combustão em função dos combustíveis utilizados e da alta temperatura).  O tratamento da água de alimentação das caldeiras é de fundamental importância. As principais grandezas da água a serem observadas são: dureza da água (concentração de cálcio e magnésio); pH (acidez ou basicidade (pH varia de 1 a 14. De 1 a 6 a água é ácida e de 8 a 14 é básica. Quanto mais ácida mais corrosiva é a água.); AVARIAS E MANUTENÇÃO   A presença de incrustações também acarreta em prejuízos no que tange a operação da(s) caldeira(s). A presença de carbonato de cálcio em 1 mm de espessura aderida a superfície interna da tubulação, acarreta um aumento no consumo de combustível na ordem de 4%, como pode ser visto abaixo: Relação entre espessura de incrustação e consumo de combustível. AVARIAS E MANUTENÇÃO  A corrosão age como fator de redução de espessura das superfícies.  A detecção da corrosão só pode ser feita em caldeiras através de rotinas de inspeção periódicas, obrigatórias por normas e procedimentos dos órgãos técnicos responsáveis.  Outro fator que também age na redução da espessura das caldeiras é a erosão. AVARIAS E MANUTENÇÃO  Em caldeiras flamotubulares, o processo de erosão pode ser decorrente da presença de partículas pesadas na água de alimentação (areia, partes metálicas, etc.).  Nas caldeiras aquatubulares, o processo de erosão frequentemente pode ser associado ao desalinhamento dos sopradores de fuligem que direcionam o jato de vapor diretamente sobre os tubos, ao invés de fazê-lo entre estes. AVARIAS E MANUTENÇÃO  A manutenção das caldeiras consiste no acompanhamento dos parâmetros físicos e químicos além do acompanhamento dos procedimentos de operação das mesmas. Assim sendo, baseiase em:  Controle químico: pH, alcalinidade, dureza, fosfatos, cloretos e demais sólidos;  Limpeza química das caldeiras: uma limpeza química regular aumenta a vida útil;  Proteção contra a corrosão: evitar a entrada de ar, manter a caldeira cheia com a sua própria água de alimentação AVARIAS E MANUTENÇÃO  NR-13: Norma Regulamentadora sobre Caldeiras e recipientes de pressão.  Estabelece as medida de segurança para estes equipamentos.