Caldeiras

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Caldeiras Sumário 1 2 3 4 O vapor no século XX 5 • 7 Classificação das caldeiras Caldeiras flamotubulares 10 • Caldeiras de tubos verticais 10 • Caldeiras de tubos horizontais 11 • Vantagens e desvantagens das caldeiras flamotubulares 14 • Partes das caldeiras flamotubulares 15 Caldeiras aquatubulares 17 • Tipos de caldeiras aquatubulares 17 • Caldeiras compactas 21 • Caldeiras de circulação positiva 21 Caldeiras elétricas 23 • Características 23 • Tipos de caldeiras elétricas 24 Segurança na operação de unidades de processo 3 Caldeiras 4 Segurança na operação de unidades de processo Caldeiras O vapor no século XX No século XX, a máquina a vapor, como fornecedora de energia foi sendo substituída por: • turbinas a vapor, para a geração de energia elétrica; • motores de combustão interna para transporte; • geradores para fontes portáteis de energia; • por motores elétricos, para uso industrial e doméstico. Mesmo assim, o vapor ainda hoje tem extensa aplicação industrial, nas mais diversas formas, dependendo do tipo de indústria e da região onde está instalada O vapor produzido em um gerador de vapor pode ser usado de diversas formas: • em processos de fabricação e beneficiamento; • na geração de energia elétrica; • na geração de trabalho mecânico; • no aquecimento de linhas e reservatórios de óleo combustível; • na prestação de serviços. Nos processos de fabricação e de beneficiamento, o vapor é empregado em: ∗ Indústria de bebidas e conexos: nas lavadoras de garrafas, tanques de xarope, pasteurizadoras. ∗ Indústrias madeireiras: no cozimento de toras, secagem de tábuas ou lâminas em estufas, em prensas para compensados. ∗ Indústria de papel e celulose: no cozimento de madeira nos digestores, na secagem com cilindros rotativos, na secagem de cola, na fabricação de papelão corrugado. ∗ Curtumes: no aquecimento de tanques de água, secagem de couros, estufas, prensas, prensas a vácuo. Segurança na operação de unidades de processo 5 Caldeiras ∗ Indústrias de laticínios: na pasteurização, na esterilização de recipientes, na fabricação de creme de leite, no aquecimento de tanques de água, na produção de queijos, iogurtes e requeijões (fermentação). ∗ Frigoríficos: nas estufas para cozimento, nos digestores, nas prensas para extração de óleo. ∗ Indústria de doces em geral: no aquecimento do tanque de glicose, no cozimento de massa em panelas sob pressão, em mesas para o preparo de massa, em estufas. ∗ Indústria de vulcanização e recauchutagem: na vulcanização, nas prensas. ∗ Indústrias químicas: nas autoclaves, nos tanques de armazenamento, nos reatores, nos vasos de pressão, nos trocadores de calor. ∗ Indústria têxtil: utiliza vapor no aquecimento de grandes quantidades de água para alvejar e tingir tecidos, bem como para realizar a secagem em estufas. ∗ Indústria de petróleo e seus derivados: nos refervedores, nos trocadores de calor, nas torres de fracionamento e destilação, nos fornos, nos vasos de pressão, nos reatores e turbinas. ∗ Indústria metalúrgica: nos banhos químicos, na secagem e pintura. A geração de energia elétrica através de vapor é obtida nas usinas termoelétricas e outros pólos industriais. Para isso, os equipamentos são compostos basicamente de um gerador de vapor superaquecido, uma turbina, um gerador elétrico e um condensador. O vapor é também utilizado para a movimentação de equipamentos rotativos, na geração de trabalhos mecânicos. Nas indústrias onde é usado “óleo combustível pesado”, é necessário o aquecimento das tubulações e reservatórios de óleo, a fim de que ele possa fluir livremente e proporcionar uma boa combustão. Isso é feito por meio dos geradores de vapor. Além desses usos industriais, os hospitais, as indústrias de refeições, os hotéis e similares utilizam o vapor em suas lavanderias e cozinhas e no aquecimento de ambientes. 6 Segurança na operação de unidades de processo Caldeiras Classificação das caldeiras As caldeiras podem ser classificadas de acordo com: ⇒ classes de pressão; ⇒ grau de automação; ⇒ tipo de energia empregada; ⇒ tipo de troca térmica. De acordo com as classes de pressão, as caldeiras foram classificadas segundo a NR-13 em: • Categoria A: caldeira cuja pressão de operação é superior a 1960 kPa (19,98kgf/cm2); • Categoria C: caldeiras com pressão de operação igual ou inferior a 588 kPa (5,99kgf/cm2) e volume interno igual ou inferior a 100 litros; • Categoria B: caldeiras que não se enquadram nas categorias anteriores. De acordo com o grau de automação, as caldeiras podem se classificar em: manuais, semi-automática e automática. De acordo com o tipo de energia empregada, elas podem ser do tipo: combustível sólido, liquido, gasoso, caldeiras elétricas e caldeiras de recuperação. Existem outras maneiras particulares de classificação, a saber: quanto ao tipo de montagem, circulação de água, sistema de tiragem e tipo de sustentação. Tipos de caldeiras A classificação mais usual de caldeiras de combustão refere-se à localização de água/gases e divide-as em: flamotubulares, aquatubulares e mistas. As caldeiras flamotubulares ou fogotubulares são aquelas em que os gases provenientes da combustão (gases quentes) circulam no interior dos tubos, ficando por fora a água a ser aquecida ou vaporizada. Segurança na operação de unidades de processo 7 Caldeiras A ilustração a seguir é uma representação esquemática da caldeira flamotubular. Ao se acompanhar o processo evolutivo por que passaram os geradores de vapor, nota-se que nas caldeiras flamotubulares primitivas a superfície de aquecimento era muito pequena, tendo como conseqüência uma baixa vaporização específica (12 a 14kg de vapor gerado/m²). Embora essa capacidade tenha sido ampliada com o aumento do número de tubos, por mais tubos que se colocassem dentro da caldeira, essa superfície ainda continuava pequena, causando o baixo rendimento térmico e a demora na produção de vapor. Com a evolução dos processos industriais, aumentou muito a necessidade de caldeiras com maior rendimento, menos consumo, rápida geração e grandes quantidades de vapor. Baseados nos princípios da transferência de calor e na experiência com os tipos de caldeiras existentes, os fabricantes inverteram a forma de geração de calor: trocaram os tubos de fogo por tubos de água, o que aumentou muito a superfície de aquecimento, surgindo a caldeira aquatubular. Seu princípio de funcionamento baseia-se no princípio da Física que diz que quando um líquido é aquecido, as primeiras partículas aquecidas ficam mais leves e sobem, enquanto que as frias, que são mais pesadas, descem. Recebendo calor, elas tornam a subir, formando assim um movimento contínuo, até que a água entre em ebulição. 8 Segurança na operação de unidades de processo Caldeiras Na ilustração a seguir, podemos notar que a água é vaporizada nos tubos que constituem a parede mais interna, subindo ao tambor de vapor, dando lugar a nova quantidade de água fria que será vaporizada e assim sucessivamente. As caldeiras mistas são caldeiras flamotubulares que possuem uma ante-fornalha com parede d’água. Normalmente são projetadas para a queima de combustível sólido. A caldeira elétrica é um equipamento cujo papel principal é transformar energia elétrica em térmica, para transmiti-la a um fluido apropriado, geralmente água. A produção de vapor, em uma caldeira elétrica, baseia-se no fato de que a corrente elétrica, ao atravessar qualquer condutor, encontra resistência a sua livre circulação e desprende calor (Efeito Joule). As partes constituintes dessas caldeiras serão estudadas em outros módulos. Segurança na operação de unidades de processo 9 Caldeiras Caldeiras flamotubulares O rendimento térmico da caldeira flamotubular é normalmente mais baixo e o espaço ocupado por ela é proporcionalmente maior, embora atualmente já existam modelos compactos desse tipo de caldeira. Apesar dessas restrições, seu emprego pode ser indicado de acordo com as necessidades particulares de cada processo industrial, sendo adequado para pequenas instalações industriais. Neste fascículo serão estudadas algumas características e as partes componentes das caldeiras flamotubulares. Tipos de caldeiras flamotubulares Caldeiras flamotubulares ou fogotubulares são aquelas em que os gases provenientes da combustão (gases quentes) circulam no interior dos tubos e a água a ser aquecida ou vaporizada circula pelo lado de fora. Este tipo de caldeira é o de construção mais simples, e pode ser classificado quanto à distribuição dos tubos, que podem ser tubos verticais ou horizontais. Caldeiras de tubos verticais Nas caldeiras de tubos verticais, os tubos são colocados verticalmente num corpo cilíndrico fechado nas extremidades por placas, chamadas espelhos. A fornalha interna fica no corpo cilíndrico logo abaixo do espelho inferior. Os gases de combustão sobem através dos tubos, aquecendo e vaporizando a água que está em volta deles. 10 Segurança na operação de unidades de processo Caldeiras As fornalhas externas são utilizadas principalmente no aproveitamento da queima de combustíveis de baixo poder calorífico, tais como: serragem, palha, casca de café e de amendoim e óleo combustível (1A, 2A ... etc.) Caldeiras de tubos horizontais As caldeiras de tubos horizontais abrangem vários modelos, desde as caldeiras Cornuália e Lancaster, de grande volume de água, até as modernas unidades compactas. As principais caldeiras horizontais apresentam tubulões internos nos quais ocorre a combustão e através dos quais passam os gases quentes. Podem ter de 1 a 4 tubulões por fornalha. Tipos de caldeiras de tubos horizontais A caldeira Cornuália, um dos primeiros modelos desenvolvidos, é constituída de um tubulão horizontal ligando a fornalha ao local de saída de gases. É de funcionamento simples, porém de rendimento muito baixo. Segurança na operação de unidades de processo 11 Caldeiras Suas principais características são: pressão máxima de operação de 10 kgf/cm², vaporização específica 12 a 14 kg de vapor/m² e máximo de 100m² de superfície. A caldeira Lancaster é de construção idêntica à anterior, porém tecnicamente mais evoluída. Pode ser constituída de dois a quatro tubulões internos e suas características são: área de troca térmica de 120 a 140m² e vaporização de 15 a 18 kg de vapor/m². Algumas delas apresentam tubos de fogo e de retorno, o que apresenta uma melhoria de rendimento térmico em relação às anteriores. Na caldeira multitubular, a queima de combustível é efetuada em uma fornalha externa, geralmente construída em alvenaria instalada abaixo do corpo cilíndrico. Os gases quentes passam pelos tubos de fogo, e podem ser de um ou dois passes. A 12 Segurança na operação de unidades de processo Caldeiras maior vantagem é poder queimar qualquer tipo de combustível. Na figura a seguir, temos um exemplo de caldeira multitubular. A caldeira locomóvel, também do tipo multitubular, tem como principal característica apresentar uma dupla parede em chapa na fornalha, pela qual a água circula. Sua maior vantagem está no fato de ser fácil a sua transferência de local e de poder produzir energia elétrica. É usada em serrarias junto à matéria-prima e em campos de petróleo. A caldeira escocesa, criada basicamente para uso marítimo, é o modelo de caldeira industrial mais difundido no mundo. É destinada à queima de óleo ou gás, tendo ainda pressão máxima de 18 kgf/cm², rendimento térmico em torno de 83% Segurança na operação de unidades de processo 13 Caldeiras e taxa de vaporização de 30 a 35 kg de vapor/m². A figura a seguir mostra esse tipo de caldeira. Vantagens e desvantagens das caldeiras flamotubulares As principais vantagens das caldeiras deste tipo são: ⇒ custo de aquisição mais baixo; ⇒ exigem pouca alvenaria; ⇒ atendem bem a aumentos instantâneos de demanda de vapor. Como desvantagens, apresentam: ⇒ baixo rendimento térmico; ⇒ partida lenta devido ao grande volume interno de água; ⇒ limitação de pressão de operação (máx. 15 kgf/cm²); ⇒ baixa taxa de vaporização (kg de vapor / m² . hora); ⇒ capacidade de produção limitada; ⇒ dificuldades para instalação de economizador, superaquecedor e pré-aquecedor. 14 Segurança na operação de unidades de processo Caldeiras Partes das caldeiras flamotubulares As caldeiras flamotubulares apresentam as seguintes partes principais: corpo, espelhos, feixe tubular ou tubos de fogo e caixa de fumaça. O corpo da caldeira, também chamado de casco ou carcaça, é construído a partir de chapas de aço carbono calandradas e soldadas. Seu diâmetro e comprimento estão relacionados à capacidade de produção de vapor. As pressões de trabalho são limitadas (normalmente máximo de 20 kgf/cm²) pelo diâmetro do corpo destas caldeiras. Os espelhos são chapas planas cortadas em forma circular, de modo que encaixem nas duas extremidades do corpo da caldeira e são fixadas através de soldagem. Sofrem um processo de furação, por onde os tubos de fumaça deverão passar. Os tubos são fixados por meio de mandrilamento ou soldagem. O feixe tubular, ou tubos de fogo, é composto de tubos que são responsáveis pela absorção do calor contido nos gases de exaustão usados para o aquecimento da água. Ligam o espelho frontal com o posterior, podendo ser de um, dois ou três passes. A caixa de fumaça é o local por onde os gases da combustão fazem a reversão do seu trajeto, passando novamente pelo interior da caldeira (pelos tubos de fogo). Segurança na operação de unidades de processo 15 Caldeiras O desenho a seguir mostra os componentes de uma caldeira flamotubular típica. 16 Segurança na operação de unidades de processo Caldeiras Caldeiras aquatubulares As caldeiras flamotubulares têm o inconveniente de apresentar uma superfície de aquecimento muito pequena, mesmo se o número de tubos for aumentado. A necessidade de caldeiras de maior rendimento, rapidez de geração de grandes quantidades de vapor com níveis de pressão mais elevados, levou ao surgimento da caldeira aquatubular 1. Nesse tipo de caldeira, os tubos que, nas caldeiras flamotubulares, conduziam gases aquecidos, passaram a conduzir a água, o que aumentou muito a superfície de aquecimento, aumentando bastante a capacidade de produção de vapor. Neste módulo, serão estudados os vários tipos de caldeiras aquatubulares e suas principais partes constituintes. Tipos de caldeiras aquatubulares Para fins didáticos, dividimos as caldeiras aquatubulares em quatro grandes grupos: • caldeiras aquatubulares de tubos retos, com tubulão transversal ou longitudinal; • caldeiras aquatubulares de tubos curvos, com diversos tubulões transversais ou longitudinais utilizados na geração (máximo 5); • caldeiras aquatubulares de circulação positiva; • caldeiras aquatubulares compactas. 1 Embora as normas brasileiras (NR-13, NBR 12177 e NBR 11096) denominem esse tipo de caldeira de “aquotubular”, por contaminação do nome da caldeira flamotubular, a palavra correta que identifica esse tipo de caldeira é aquatubular. Segurança na operação de unidades de processo 17 Caldeiras Caldeiras aquatubulares de tubos retos As caldeiras aquatubulares de tubos retos consistem de um feixe tubular de transmissão de calor, com uma série de tubos retos e paralelos, interligados a uma câmara coletora. Essas câmaras comunicam-se com os tubulões de vapor (superiores), formando um circuito fechado por onde circula a água.As ilustrações a seguir mostram o sentido de circulação da água e a circulação dos gases quentes mediante três passes. 18 Segurança na operação de unidades de processo Caldeiras Esse tipo de caldeira, incluindo as de tubulão transversal, conforme figuras abaixo são as primeiras concepções industriais, que supriram uma gama de capacidade de produção de 3 até 30 toneladas-vapor/hora, com pressões de até 45 kgf/cm². 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 são: • facilidade de substituição dos tubos; • facilidade de inspeção e limpeza; • não necessitam de chaminés elevadas ou tiragem forçada. Como desvantagens apresentam: • necessidade de dupla tampa para cada tubo, (espelhos); • baixa taxa de vaporização específica; • rigoroso processo de aquecimento e de elevação de carga (grande quantidade de material refratário). Caldeiras aquatubulares de tubos curvos As caldeiras aquatubulares de tubos curvos não apresentam limites de capacidade de produção de vapor. A forma construtiva foi idealizada por Stirling, interligando os tubos curvos aos tubulões por meio de solda ou mandrilagem. A figura a seguir apresenta um esquema de caldeira com quatro tubulões, embora possa ter de três a cinco, o que confere a este tipo de gerador de vapor maior capacidade de produção. Segurança na operação de unidades de processo 19 Caldeiras Partindo deste modelo, foram projetadas novas caldeiras. Com o objetivo de aproveitar melhor o calor irradiado na fornalha, reduziu-se o número e o diâmetro dos tubos, e acrescentou-se uma parede de água em volta da fornalha. Isso serviu como meio de proteção do material refratário com o qual a parede da fornalha é construída, além de aumentar a capacidade de produção de vapor. Vantagens das caldeiras aquatubulares de tubos curvos: • redução do tamanho da caldeira; • queda da temperatura de combustão; 20 Segurança na operação de unidades de processo Caldeiras • vaporização específica maior, variando na faixa de 30 kg de vapor/m² a 50 kg de vapor/m2 para as caldeiras com tiragem forçada; • fácil manutenção e limpeza; • rápida entrada em regime; • fácil inspeção nos componentes. Caldeiras compactas Dentro da categoria das caldeiras de tubos curvos surgiram as caldeiras compactas. Com capacidade média de produção de vapor em torno de 30 ton/h, elas são equipamentos apropriados para instalação em locais com espaço físico limitado Por se tratar de equipamento compacto, apresenta limitações quanto ao aumento de sua capacidade de produção. Caldeira de circulação positiva A circulação da água nas caldeiras ocorre por diferenças de densidade, provocada pelo aquecimento da água e vaporização, ou seja circulação natural. Se a circulação for deficiente, poderá ocorrer um superaquecimento localizado, com conseqüente ruptura dos tubos. Segurança na operação de unidades de processo 21 Caldeiras As figuras a seguir apresentam alguns tipos de circulação de água. Algumas caldeiras com circulação positiva podem apresentar bombas externas, dependendo da vazão exigida, ou seja, da demanda de vapor para forçar a circulação de água ou vapor, independentemente da circulação natural, isto é, por diferença de densidade. Vantagens e desvantagens As vantagens das caldeiras de circulação positiva são: • tamanho reduzido; • não necessitam de grandes tubulões; • rápida geração de vapor; • quase não há formação de incrustações, devido à circulação forçada. As desvantagens são: • paradas constantes, com alto custo de manutenção; • problemas constantes com a bomba de circulação, quando operando em altas pressões. 22 Segurança na operação de unidades de processo Caldeiras Caldeiras elétricas A caldeira elétrica é um equipamento que transforma energia elétrica em energia térmica, transmitindo-a para um fluido apropriado (geralmente água) e transformando-o em vapor. Neste fascículo serão estudados o princípio de funcionamento e os tipos de caldeiras elétricas. Princípio de funcionamento da caldeira elétrica A produção do vapor em uma caldeira elétrica baseia-se em um princípio pelo qual a corrente elétrica, ao atravessar qualquer condutor, encontra resistência à sua livre circulação e desprende calor (efeito Joule). A água pura é considerada um mau condutor de corrente elétrica. Portanto, para que se possa obter a condutividade desejada devem ser adicionados a ela determinados sais. Alguns fabricantes recomendam a adição de produtos para o ajuste da condutividade (soda cáustica, fosfato trissódico, etc.) na água de alimentação. Essa adição deve ser calculada e colocada após o tratamento químico da água de alimentação, com acompanhamento por técnicos especializados de empresas químicas especialistas em tratamento de água para caldeiras. Características A caldeira elétrica é diferente das outras caldeiras porque não queima combustível para a produção do vapor. Por isso, ela não possui fornalha, ventiladores, queimadores e chaminé. Segurança na operação de unidades de processo 23 Caldeiras As principais características das caldeiras elétricas são: • não necessita de área para estocagem de combustível; • ausência total de poluição (não há emissão de gases); • baixo nível de ruído; • modulação da produção de vapor de forma rápida e precisa; • alto rendimento térmico (aproximadamente 98%); • melhora do Fator de Potência e Fator de Carga; • área reduzida para instalação da caldeira; • necessidade de aterramento da caldeira de forma rigorosa; • tratamento de água rigoroso. A quantidade de vapor gerada (kgf/h) depende diretamente dos seguintes parâmetros: • condutividade da água; • nível de água; • distância entre os eletrodos. Tipos de caldeiras elétricas Os tipos fundamentais de caldeiras elétricas são: com resistência, com eletrodo submerso e de jato de água. Caldeira elétrica com resistência A caldeira elétrica com resistência é destinada, geralmente, à produção de vapor em pequenas quantidades. Na maioria das vezes é do tipo horizontal, utilizando resistências de imersão. Ela é composta por um vaso horizontal cujas extremidades são formadas por tampos abaulados. Internamente, possui um conjunto de resistências submersas controla- das por pressostatos. Caldeira elétrica com eletrodos submersos A caldeira elétrica com eletrodos submersos é geralmente destinada a trabalhar com pressões de vapor não muito elevadas (aproximadamente 15kgf/cm²). Internamente, possui um elemento denominado câmara de vapor no qual ficam instalados os eletrodos. 24 Segurança na operação de unidades de processo Caldeiras O controle de pressão é feito com avariação de nível de água na câmara de vapor, controlada por uma válvula controladora de pressão (PCV). Existe também um conjunto de bombas de circulação que coleta água na parte inferior da caldeira e alimenta esta câmara. O casco da caldeira com eletrodo submerso é construído na posição vertical. Segurança na operação de unidades de processo 25 Caldeiras Caldeira elétrica tipo jato de água A caldeira elétrica tipo jato de água (cascata) é usada para aplicações de maior produção de vapor. Esse tipo de caldeira tem o casco construído na posição vertical. Internamente, possui um elemento denominado corpo da cascata, que tem como função criar jatos de água que incidem sobre os eletrodos e destes aos contra-eletrodos. A caldeira elétrica tipo jato de água possui uma bomba de circulação que coleta água no fundo da caldeira e alimenta o corpo da cascata. O controle de pressão é feito pelo volume de água introduzido no corpo da cascata. A representação esquemática desse tipo de caldeira é mostrada na figura a seguir. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 26 corpo da caldeira eletrodo contra-eletrodo corpo da cascata bomba de circulação bomba de alimentação válvula de controle de produção 8. válvula de controle de alimentação 9. saída de vapor 10. válvula respiro (vent) 11. válvula de segurança 12. controle de nível de água 13. descarga de fundo Segurança na operação de unidades de processo