Transcript
"CALDEIRAS "
" "
" "
ÍNDICE
1. CONSIDERAÇÕES GERAIS 5
1.1. TERMOS LIGADOS AOS GERADORES DE VAPOR 6
2. COMPONENTES CLÁSSICOS 7
3. TIPOS DE CALDEIRA 9
3.1 CALDEIRAS FLAMOTUBULARES 11
3.1.1 CALDEIRAS HORIZONTAIS 12
3.1.2 CALDEIRAS VERTICAIS 16
3.2 CALDEIRAS AQUOTUBULARES 18
3.2.1 CALDEIRAS AQUOTUBULARES DE TUBOS RETOS 19
3.2.2 CALDEIRAS AQUOTUBULARES DE TUBOS CURVOS 21
3.2.3 CIRCULAÇÃO DA ÁGUA EM CALDEIRAS AQUOTUBULARES. 24
3.2.4 CALDEIRAS DE CIRCULAÇÃO POSITIVA FORÇADA 25
3.3 CALDEIRAS ELÉTRICAS 27
3.3.1 TIPOS DE CALDEIRAS ELÉTRICAS 28
4. FORNALHAS 31
4.1 CLASSIFICAÇÃO DAS FORNALHAS 31
4.2 FORNALHAS SOB SUPORTE 32
4.2.1 FORNALHA DE SUPORTE ESTÁTICO 32
4.2.2 FORNALHA DE SUPORTE MOVIMENTADO 39
4.3 FORNALHA DE QUEIMA EM SUSPENSÃO 43
4.3.1 QUEIMADORES DE COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS 43
4.3.2 QUEIMADORES DE COMBUSTÍVEIS GASOSOS 46
4.3.3 QUEIMADORES DE COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS PULVERIZADOS 48
5. ACESSÓRIOS E DISPOSITIVOS DE CALDEIRAS 49
5.1 APARELHOS DE ALIMENTAÇÃO DE ÁGUA 49
5.1.1 INJETORES 50
5.1.2 BOMBAS ALTERNATIVA 50
5.1.3 BOMBAS CENTRÍFUGAS 51
5.1.4 CONTROLE AUTOMÁTICO DE ÁGUA DE ALIMENTAÇÃO 52
5.1.4.1 APARELHO DE CONTROLE DE ALIMENTAÇÃO DE ÁGUA LIGA- DESLIGA. 52
5.1.4.2 APARELHOS DE CONTROLE DE ALIMENTAÇÃO DE ÁGUA MODULANTE 54
5.2 ALIMENTAÇÃO DE COMBUSTÍVEL 58
5.2.1 CONTROLE AUTOMÁTICO DE COMBUSTÃO 59
5.3 ALIMENTAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA 59
5.4 VISOR DE NÍVEL 60
5.5 MANÔMETROS 61
5.6 DISPOSITIVOS DE SEGURANÇA 63
5.6.1 VÁLVULAS DE SEGURANÇA 63
5.6.2 PROTEÇÃO E CONTROLE DE CHAMA 66
5.7 DISPOSITIVOS DE CONTROLE 67
5.7.1 PRESSOSTATOS 67
5.7.2 CHAVE SEQÜÊNCIAL 68
5.7.3 VÁLVULAS E TUBULAÇÕES 68
5.7.4 OUTROS ACESSÓRIOS 73
5.7.4.1 PREAQUECEDOR DE AR 73
5.7.4.2 ECONOMIZADOR 76
5.7.4.3 SUPERAQUECEDORES 77
5.7.4.4 PURGADORES 79
6. TIRAGEM 80
6.1 TIRAGEM NATURAL 80
6.2 TIRAGEM FORÇADA 80
6.3 TIRAGEM MISTA OU BALANCEADA 81
6.4 CONTROLE DE TIRAGEM 82
6.5 CHAMINÉ 82
7. COMBUSTÃO E COMBUSTÍVEL 83
7.1 DEFINIÇÕES 83
7.2 CÁLCULO DO AR NECESSÁRIO À COMBUSTÃO - COMBUSTÍVEL LÍQUIDOS 85
7.3 ESTEQUIOMETRIA DA COMBUSTÃO 86
7.4 CONTROLE DE AR EM EXCESSO E EM FALTA 87
8. ÁGUA DE ALIMENTAÇÃO DAS CALDEIRAS 88
8.1 UNIDADES ADOTADAS 88
8.2 ANÁLISE DA ÁGUA 89
8.3 TRATAMENTOS E APARELHAGENS 91
8.3.1 TRATAMENTOS EXTERNOS 91
8.3.1.1 ABRANDAMENTO 94
8.3.1.2 DESMINERALIZAÇÃO 95
8.3.1.3 DESGASEIFICAÇÃO 96
8.3.1.4 REMOÇÃO DA SÍLICA 99
8.3.2 TRATAMENTO INTERNO 99
8.4 CONSIDERAÇÕES FINAIS 99
9. BIBLIOGRAFIA 101
1. Considerações Gerais
Atualmente, graças a todos os aperfeiçoamentos e a intensificação da
produção industrial, a caldeira ocupa um lugar muito importante pois
gera o vapor indispensável a muitas atividades, não só para
movimentar máquinas mas também para limpeza (esterilização),
aquecimento, e participação direta no processo produtivo, como
matéria-prima.
Além da indústria, outras empresas, utilizam, cada vez mais vapor
gerado pelas caldeiras, como por exemplo: restaurantes, hotéis,
hospitais, frigoríficos.
Caldeira é um trocador de calor que, trabalhando com pressão superior
à pressão atmosférica, produz vapor, a partir da energia térmica
fornecida por uma fonte qualquer. É constituída por diversos
equipamentos integrados, para permitir a obtenção do maior rendimento
térmico possível e maior segurança.
Esta definição abrange todos os tipos de caldeiras, sejam as que
vaporizam água, mercúrio ou outros fluídos e que utilizam qualquer
tipo de energia, inclusive a elétrica.
Quase sempre, a fonte produtiva de calor é um combustível
especificamente utilizado com esta finalidade mas podem ser
aproveitados, também, entre outros calores residuais de processos
industriais, escape de motores Diesel ou turbinas a gás. Neste caso,
o equipamento é chamado "Caldeira de Recuperação".
Algumas vezes, o fluído permanece no estado líquido, apenas com
temperatura elevada para ser aproveitado nos processos de aquecimento
(calefação), formando, deste modo, a linha de caldeiras de água
quente.
A produção de vapor pode ser conseguida, também, pela absorção da
energia térmica desprendida pela fissão do urânio.
O material contido neste trabalho, se refere, principalmente, às
caldeiras que produzem vapor d'água, a partir de combustíveis sólidos
ou líquidos.
Para produzir o vapor d'água, é necessário que haja a combustão na
caldeira.
Quanto mais alta a viscosidade do combustível, mais difícil será a
sua nebulização, ou seja, mais difícil será a sua divisão em
gotículas. O preaquecimento do óleo combustível é fundamental para
atingir os limites adequados de viscosidade necessários para uma boa
pulverização.
Tendo em vista a variação de viscosidade do óleo combustível, a
temperatura de aquecimento não é fixa, devendo ser ajustada quando
necessário. É importante salientar que esta temperatura não deve
aproximar-se muito do ponto de fulgor do óleo combustível.
1.1. TERMOS LIGADOS AOS GERADORES DE VAPOR
1. CAPACIDADE DO GERADOR DE VAPOR
É o quanto a caldeira produz de vapor, podendo ser representada por:
a) quilo de vapor ou tonelada de vapor por hora (kgv/h,.tv/h).
b) BHP - "boiler horse-power", onde 1BHP ( 15,65 kg/h.
c) Quilo de vapor por metro quadrado (kgv/m2 )de superfície de
aquecimento.
2. SUPERFÍCIE DE AQUECIMENTO
É a área de tubulação (placa metálica) que recebe o calor dos gases
quentes responsável por vaporizar a água (m2).
3. CALOR ÚTIL
É a parcela de calor produzida pelo combustível que se transferiu
para a água formando vapor.
4. EFICIÊNCIA TÉRMICA
É a relação entre o calor útil e o conteúdo térmico total do
combustível queimado.
(T
= vazão em massa de vapor fornecido, vazão em massa de
combustível (kg/h).
hvs, hve = entalpia do vapor de saída, entrada (kJ/kg)
PCI = poder calorífico inferior do combustível queimado (kJ/kg).
2. COMPONENTES CLÁSSICOS
Atualmente os geradores de vapor de grande porte são constituídos de
uma associação de componentes, de maneira a constituírem um aparelho
complexo, principalmente quando destinados a queima de combustível
sólidos que incluem superaquecedores, economizadores, préaquecedores
de ar, captadores de fuligem, extratores mecânicos de cinza, e
outros. As unidades menores destinadas a gerar vapor de calefação em
pequenas e médias indústrias dispensam a quase totalidade dos
componentes citados anteriormente. Assim sendo, os componentes
clássicos das caldeiras são listados a seguir, com a ressalva que nem
todos os componentes abaixo, necessariamente, fazem parte de todos os
geradores de vapor.
A. Cinzeiro
Lugar onde depositam as cinzas e ou eventualmente restos de
combustíveis que atravessam o suporte de queima sem completarem sua
combustão.
B. Fornalha
Local onde se instala a início do processo de queima, seja para a
queima de combustíveis sólidos, líquidos ou gasosos.
C. Câmara de combustão
Volume onde se deve extinguir toda a matéria combustível antes dos
produtos de combustão atingirem e penetrarem no feixe de absorção
do calor por convecção. Esta câmara por vezes se confunde com a
própria fornalha dela fazendo parte, Outras vezes separa-se
completamente. A câmara de combustão pode ser constituída pela
própria alvenaria refratária, ou revestida de tubos (parede de
água), ou integralmente irradiada.
D. Caldeira de vapor
Corresponde ao vaso fechado, à pressão, com tubos, contendo a água
no seu interior, que ao receber calor se transforma em vapor
E. Superaquecedor
Responsável pela elevação da temperatura do vapor saturado gerado
na caldeira. Todo o vapor ao passar por este aparelho se
superaquece.
F. Economizador
Onde a temperatura da água de alimentação sofre elevação,
aproveitando o calor sensível residual dos gases da combustão,
antes de serem eliminados pela chaminé.
G. Aquecedor de ar
Também conhecido como pré-aquecedor de ar, cuja função é aquecer o
ar de combustão para a seguir introduzi-lo na fornalha, graças ao
aproveitamento do calor sensível dos gases da combustão.
H. Canais de gases
São trechos intermediários ou finais de circulação dos gases de
combustão até a chaminé. Estes canais podem ser de alvenaria ou de
chapas de aço conforme a temperatura dos gases que neles circulam.
I. Chaminé
É a parte que garante a circulação dos gases quentes da combustão
através de todo o sistema pelo chamado efeito de tiragem. Quando a
tiragem, porém, é promovida por ventilador exaustor, sua função se
resume no dirigir os gases da combustão para a atmosfera. Neste
caso se diz que a tiragem é induzida. A circulação dos gases
também poderá ser assegurada por um ventilador soprador de ar de
combustão com pressão suficiente para vencer toda a perda de carga
do circuito. Neste exemplo, a tiragem se diz forçada.
Tomando por base a unidade mais complexa, a figura 2.1 permite
identificar os componentes clássicos e o princípio de funcionamento
da instalação.
Princípio de funcionamento de uma unidade complexa com fornalha para
queima de lenhas em toras
Fig.2.1
3. TIPOS DE CALDEIRAS
Existem diversas formas para se classificar as caldeiras. Por
exemplo, elas podem ser classificadas sob os seguintes aspectos:
5. Quanto à Localização Água-Gases:
A) Flamotubulares
Verticais
Horizontais
Fornalhas corrugadas
Traseira seca
Traseira molhada
Observação: Todos os tipos acima com 1,2 ou 3 passes.
B) Aquotubulares
Tubos retos
Tubos curvos
Perfil A
Perfil D
Perfil O
Lâmina, cortina ou parede de água
C) Mistas
6. Quanto à Energia Empregada para o Aquecimento:
A) Combustíveis
Sólidos
Líquidos
Gases
B) Elétricas
Jatos-de-água
Eletrodos submersos
Resistores
C) Caldeiras de Recuperação
Gases de outros processos
Produção de soda ou licor negro
D) Nuclear
7. Quanto à Montagem:
A) Caldeiras pré-montadas (compactas)
B) Caldeiras montadas em campo
8. Quanto à Sustentação:
A) Caldeiras auto-sustentadas
B) Caldeiras suspensas
C) Sustentação mista
9. Quanto à Circulação de Água:
A) Circulação natural
B) Circulação forçada
C) Combinada
10. Quanto ao Sistema de Tiragem:
A) Tiragem natural
B) Tiragem forçada
C) Tiragem balanceada ou induzida
Aguardaremos, neste trabalho, a classificação quanto à localização
relativa água-gases e, à parte, as Caldeiras Elétricas:
3.1 CALDEIRAS FLAMOTUBULARES
Este foi o primeiro tipo de caldeira construída. É também chamada de
tubo-de-fogo, tubo-de-fumaça ou pirotubular, por causa dos gases
quentes provenientes da combustão que circulam no interior dos tubos
em um ou mais passes, ficando a água por fora dos mesmos. É o tipo de
caldeira mais simples. Muito usada em locomotivas e navios, mesmo com
o aparecimento de caldeiras mais modernas, este tipo ainda continua
em uso.Posteriormente, com alguns aperfeiçoamentos, passou a chamar-
se caldeira escocesa.
Segundo o esquema, notamos que a caldeira tipo flamotubular não passa
de um cilindro externo que contém a água e um cilindro interno
destinado à fornalha. Sua tiragem ou saída de gases é normal. A
carcaça é construída de chapas que variam de espessura de acordo com
o porte da caldeira e a sua pressão pode variar entre 5 a 10
quilogramas-força por centímetro quadrado, sendo que as maiores
unidades atingem a produção de 6 tv/h, saturado e pressões não
superiores a 17 kgf/cm2. Maiores produções e pressões determinam a
utilização de caldeiras aquotubulares.
Sucessivos estudos visando ao aperfeiçoamento das caldeiras revelaram
que a temperatura oscilava entre 316 a 4270 (graus Celsius), que era
perdida na chaminé. Resolveram aproveitar esta perda, a fim de
reduzir o custo do combustível que, na época era o carvão mineral.
O problema foi resolvido, aumentando a superfície de aquecimento da
água colocando tubos em quantidade suficiente e forçando os gases
quentes a passarem pelos tubos em passes, depois, pela tiragem na
chaminé. Com isso, o rendimento foi aumentado, embora esse tipo de
caldeiras não tivesse eficiência superior a 60%.
Podemos, ainda classificar as caldeiras flamotubulares em:
HORIZONTAIS E VERTICAIS.
Fig.3.1
3.1.1 CALDEIRAS HORIZONTAIS
A) Caldeira Cornuália:
Consta de um cilindro colocado inteiramente no sentido horizontal,
ligando a fornalha até o local de saída dos gases. Seu
funcionamento é simples, apresenta baixo rendimento e sua pressão
não ultrapassa 10 Kg/cm2 (figura 3.1).
B) Caldeira Lancaster:
Sua construção é idêntica à Conuália, podendo apresentar de dois a
quatro tubos
internos.(figura 3.2)
Caldeira Cornuália e tipos de caldeiras lancaster, corte
transversal
Figura 3.2
Estes tipos de caldeiras são chamados de tubo-de-fogo-direto;
porque os gases percorrem os tubos da caldeira uma única
vez.
Dentro ainda das caldeiras flamotubulares horizontais de fogo
direto existem as multitubulares, que contam com vários tubos
internos conforme pode ser visto na figura 3.3.
Há caldeiras que apresentam Tubos-de-fogo e de retorno; os gases
desprendidos durante a combustão na fornalha, circulam por tubos
que os fazem retornar ao lado da fornalha e em seguida para a
chaminé.
Caldeira flamotubular horizontal - multitubular
Fig.3.3
C) Caldeiras Multitubulares de Fornalha Externa:
O aquecimento é feito diretamente na base do cilindro e os gases
retornam pelos tubos-de-fogo. A fornalha pode ser construída em
alvenaria e ocupa quase a extensão do cilindro (figura 3.4).
Fig.3.4
D) Caldeiras Locomotivas ou Locomóveis:
Também é do tipo multitubular. Sua característica principal é a
fornalha que apresenta uma dupla parede em chapa, por onde circula
a água. Quando o combustível é lenha ou carvão, possui, na parte
inferior um conjunto de grelhas que servem para manter a lenha em
posição de queima e dar escoamento às cinzas. Estas são captadas em
uma caixa colocada logo abaixo das grelhas, chamadas de cinzeiro.
Quando se trata de locomotivas, o cinzeiro, além de ser um
dispositivo de segurança, é também, um regulador de tiragem, tanto
na locomotiva parada como em marcha. (Fig.3.5)
O largo emprego deste tipo de caldeira se deve à facilidade de
transferência de um local para outro, podendo ser acionada
mecanicamente onde não houver energia elétrica.
Fig.3.5
E) Caldeiras Escocesas ou Compactas:
Este tipo de caldeira teve largo emprego na Marinha, por ser
construída de forma que todos os equipamentos colocados formam uma
única peça. Seu diâmetro é bastante reduzido, sendo de fácil
transporte e pode ser operada de imediato. Os gases produzidos na
fornalha circulam várias vezes pela tubulação, sendo impulsionados
por ventiladores. O combustível usado é unicamente óleo ou gás,
podendo seu rendimento atingir a 83%. A figura 3.6 da um exemplo
de caldeira escocesas com 3 voltas de chama.
As caldeiras escocesas apresentam diversas disposições construtivas
(figura 3.7) contando com traseira molhada, traseira seca, dois e
três passes, fornalha corrugada, para aumentar a superfície de
troca térmica, podendo ter queima de óleo, gás ou combustível
sólido.
Fig.3.6
Fluxo de gás em caldeiras tipo escocesa
Fig. 3.7
3.1.2 CALDEIRAS VERTICAIS
Este tipo de caldeira tem as mesmas características da caldeira
horizontal multitubular.
Os tubos são colocados verticalmente dentro do cilindro e a fornalha
interna fica no corpo do cilindro. Existem tipos cuja fornalha é
externa.
Esta caldeira é usada em locais onde o espaço é reduzido e não requer
grande quantidade de vapor, mas alta pressão.
Os gases resultantes da queima na fornalha sobem pelos tubos e
aquecem a água que se encontra por fora dos mesmos.
Fig. 3.8
Podem ser de fornalha interna (figura 3.8) ou de fornalha externa.
Geralmente as fornalhas internas são envolvidas por uma câmara de
água formada pelo prolongamento do corpo cilíndrico, já as caldeiras
verticais de fornalha externa são aplicadas principalmente quando é
usado combustível de baixo pci (bagaço de cana, casca de laranja,
madeira, carvão, etc.)
Atualmente a grande maioria das caldeiras flamotubulares em operação
são automáticas ou semi-automáticas embora se encontre ainda pequenas
caldeiras pirotubulares operando normalmente. Os dispositivos
automáticos mais comumente encontrados são os alimentadores de água e
de óleo..
3.2 Caldeiras Aquotubulares
Somente foi possível a obtenção de maiores produções de vapor, a
pressões elevadas e altas temperaturas com o aparecimento das
caldeiras aquotubulares (tubos de água). O fato dos tubulões estarem
situados fora dos corpos das caldeiras, a eles se unindo para
constituírem um feixe tubular de água que compõe a parte principal de
absorção de calor, permite a obtenção de grandes superfícies de
aquecimento. A figura 3.9 representa uma seção transversal de feixe
aquotubular unindo dois tambores, no interior dos tubos circula a
água e por fora os gases quentes através do caminho formado pela
alvenaria e chicanas internas.
Circulação de água em uma caldeira aquotubular
Fig.3.9
A água é vaporizada nos tubos que constituem a parede mais interna.
Recebendo calor primeiro, vaporiza e sobe até o tambor superior,
dando lugar à nova quantidade de água fria que será vaporizada e
assim sucessivamente. Esse tipo de circulação de água, provocada
apenas pela diferença de peso específico entre a água ascendente e
descendente, é característica das chamadas caldeiras com circulação
natural.
A medida que a caldeira aquotubular aumenta sua capacidade, aumenta
também seu tamanho, quantidade de tubos e por conseqüência as perdas
de cargas no circuito hidráulico tornando a circulação por meio de
bombas necessária, são as chamadas caldeiras de circulação forçada.
A produção de vapor nestes tipos de caldeiras pode atingir
capacidades de 600 até 750 tv/h com pressões de 150 a 200 kgt/cm2,
temperaturas de 450 - 500 oC existindo unidades com pressões críticas
(226 atm) e supercríticas (350 kgf/cm2).
A flexibilidade permitida pelo arranjo dos tubos que constituem os
feixes ou parede d'água possibilitam um vasta variedade de tipos
construtivos conforme veremos na classificação a seguir:
- caldeiras aquotubulares de tubos retos, podendo, os tambores
estarem colocados no sentido longitudinal ou transversal.
- caldeiras aquotubulares de tubos curvos, que podem apresentar de um
a mais de quatro tambores, no sentido longitudinal ou transversal.
- Caldeiras aquotubulares de circulação positiva.
3.2.1 CALDEIRAS AQUOTUBULARES DE TUBOS RETOS
Essas foram as primeiras caldeiras tubo-de-água que surgiram e tinham
uma capacidade de produção de 3 a 30 toneladas-vapor/hora com
pressões de até 45 Kg/cm2. Os projetos foram apresentados pelas
firmas Babcok & Wilcox e a Steam Muller Corp.
Consiste em um feixe de tubos retos e paralelos que se interligam com
o tambor de vapor, através de câmaras, sendo que através dos espaços
existentes entre os tubos circulam os gases quentes. As figuras 3.10
e 3.11 são dois exemplos deste tipo de gerador de vapor com tambor
longitudinal e transversal respectivamente
Caldeira de tubos retos e tambor longitudional
Fig.3.10
Caldeira aquotubular de tubos retos e tambor transversal
Fig.3.11
A figura 3.12 apresenta uma das formas de fixação dos tubos mais
usadas na fabricação de caldeiras.
Feixe de tubos expandidos nas câmaras onduladas (coletores ondulados)
Fig.3.12
3.2.2 CALDEIRAS AQUOTUBULARES DE TUBOS CURVOS
A principal característica deste tipo, são os tubos curvos que se
unem aos tambores por solda ou madrilamento, o que representa grande
economia na fabricação e facilidade na manutenção. Além de serem
bastantes práticas para limpar, possibilitam a produção de grande
quantidade de vapor.
As primeiras caldeiras deste tipo foram idealizadas por Stirling.
Apresentavam um número de tambores variados, e um grande volume de
água. Na figura 3.13 apresentamos um esquema desse tipo de caldeira,
com três tambores superiores e um inferior, existindo modelos com
dois tambores inferiores.
Partindo deste modelo, foram projetadas novas caldeiras. Com o
objetivo de se aproveitar melhor o calor irradiado na fornalha,
reduziu-se o número e o diâmetro dos tubos, e acresceu-se uma parede
de água em volta da fornalha o que serviu como meio de proteção ao
refratário da mesma, diminuição da caldeira, eliminação total dos
refratários de alta qualidade e vaporização mais rápida.
Fig.3.13
A figura 3.14 representa uma caldeira com dois tambores transversais
e parede de água, enquanto a figura 3.15 mostra uma caldeira com três
tambores transversais.
Fig.3.14
Fig.3.15
Dentro da categoria de tubos curvos cabe analizar em separado, uma
versão que mantém grande projeção no mercado consumidor: a caldeira
aquotubular compacta de operação totalmente automatizada, conforme
esquema da figura 3.16.
Corte de uma caldeira aquotubular compacta
Fig.3.16
Com produções até 100 toneladas de vapor por hora e obtenção de
eficiência térmica elevada (até 80%), estas unidades são oferecidas
para pronto funcionamento, dispensado a montagem no campo, fazendo
apenas as interligações e instalações elétricas-eletrônicas e
hidráulicas.
Unidades não transportáveis num único pacote são fornecidas ou em
blocos semi-compactos ou em componentes unitários desmontados, de tal
maneira que no local de instalação estes componentes são unidos para
completar a unidade.
3.2.3 CIRCULAÇÃO DA ÁGUA EM CALDEIRAS AQUOTUBULARES.
Os aços aplicados na construção das caldeiras expostas aos gases
quentes precisam ser continuamente resfriados por água ou mistura
água-vapor para conservarem suas qualidades de resistência, pois até
a temperatura limite de 450ºC para os aços carbonos comuns, 590ºC
para os aços martensíticos e 650ºC para outras ligas martensíticas,
estes materiais conservam suas propriedades mecânicas. Ultrapassando
estes limites as propriedades destes materiais utilizados na
construção de caldeiras começam a diminuir sua resistência mecânica.
Assim sendo o resfriamento da superfície metálica que é submetida a
tais temperaturas é vital para a segurança do equipamento. Cabe,
portanto, a água este papel, seja no estado líquido, seja vapor,
mediante uma circulação permanente, controlada e orientada.
Numa unidade convencional a circulação da água se processa
livremente, graças a tendência natural provocada pela diferença de
pesos específicos existentes entre a água situada nas partes mais
frias da caldeira e aquela contida nas zonas de alta temperatura dos
gases. A figura 3.17 apresenta quatro diferentes esquemas, cada um
esclarecendo como se processa a circulação natural da água no
interior dos tubos.
Sabe-se que a circulação natural da água fica mais comprometida a
medida que a pressão se eleva. Constata-se que o vapor a pressão de
35 kgf/cm2 pesa por unidade de volume 45 vezes menos que a água; à
140 kgf/cm2 7,5 vezes menos e a 210 kgf/cm2 apenas 2,5 vezes. Dai
concluí-se que a circulação controlada por meios forçados é
fundamental nas caldeiras e altíssimas pressões, normalmente acima de
160 kgf/cm2.
Circulação Natural de água no interior dos tubos, diferentes
concepções.
Fig.3.17
3.2.4 CALDEIRAS DE CIRCULAÇÃO POSITIVA FORÇADA
Há dois tipos de concepções que se destinguem pelo sistema de
circulação, todas utilizando como meio de circulação uma bomba
centrífuga de construção especial, para resistir às altas pressões de
operação das unidades.
No 1º tipo, toda água introduzida na caldeira circula uma só vez,
através do economizador, caldeira e superaquecedor, transformando-se
diretamente em vapor. A bomba de alimentação injeta na caldeira
exatamente a quantidade de vapor a produzir.
No 2º tipo, além da bomba de alimentação existe outra destinada a
recirculação da água na caldeira.
As caldeiras de circulação positiva apresentam inúmeras vantagens
como a ausência de limite de pressão, e de capacidade, conhecendo-se
exemplos com pressões supercríticas. Além disso apresentam dimensões
menores, aplicam tubos de pequeno diâmetro (da ordem de 25 a 28mm),
ausência de formação de depósitos internos, geram vapor
instantaneamente, exibem rendimentos altos e dispensam grandes
tambores. Em contrapartida exigem apurado controle da água de
alimentação e manutenção cuidadosa na bomba de circulação associado a
aperfeiçoados e sensíveis instrumentos de controle.
A primeira concepção de caldeira de circulação forçada foi dada por
Benson, a qual se caracteriza pela construção monotubular, através da
qual circula a água unidirecionalmente, desde a entrada até a saída,
já no estado de vapor, conforme esquema da figura 3.18
Fig.3.18
Existe também a caldeira Belser ou Sulzer, que é a mesma caldeira
Benson acrescida de um tambor separador intermediário entre a seção
geradora de vapor e o super aquecedor conforme figura 3.19. Este
coleta cerca de 4% da água evaporada para aquecimento da água de
alimentação.
A caldeira "Le Mont" aproveitou a idéia do tambor separador com bomba
de recirculação (figura 3.20). A bomba de circulação opera com
pressão superior a da caldeira consumindo de 0,5 a 0,6% da energia
produzida pela própria caldeira.
Principio Sulzer Princípio Le Mont
Fig.3.19 Fig.3.20
3.3 CALDEIRAS ELÉTRICAS
São basicamente constituídas pelo casco ou tambor, contendo uma cuba
interna e os eletrodos, um por fase. O casco é um vaso de pressão,
cilíndrico-vertical, isolado termicamente e convenientemente
aterrado. A cuba é isolada elétricamente por meio de porcelanas
adequadas.
A alimentação de energia elétrica é feita através de três eletrodos-
suportes, sendo um por fase, dispostos a 1200 e fixados com
isoladores na parte superior do tambor. Na extremidade inferior das
eletrodos suporte estão montados os eletrodos de contato, os quais
ficam dentro da cuba imersos em água.
A corrente elétrica, passando através da água, no interior da cuba,
provoca seu aquecimento e vaporização.
A água pura é considerada um mau condutor de CORRENTE ELÉTRICA,
portanto devem-se adicionar determinados sais à mesma para que se
possa obter uma determinada CONDUTIVIDADE.
Alguns fabricantes recomendam a adição cáustica ou fosfato trisódico
na água de alimentação (observe que esta deve ser calculada e
colocada após o tratamento químico da água de alimentação).
A quantidade se vapor gerada (Kg/h) depende diretamente dos seguintes
parâmetros:
- condutividade da água;
- nível da água;
- distância entre os eletrodos.
3.3.1 TIPOS DE CALDEIRAS ELÉTRICAS
a) Tipo Eletrodo Submerso: geralmente destinado a trabalhar com
pressões de vapor não muito elevadas (aproximadamente 15
Kgf/cm2.). A figura 3.21 mostra um dos possíveis esquemas,
utilizando o sistema de eletrodos submersos a baixa tensão (220
a 440 V), existe também nessa modalidade a alta tensão (3800 a
13800 V).
b) Tipo Jato de Água (cascata): destinada a pressões de vapor
elevadas e grandes quantidades de vapor. Observe um dos
possíveis esquemas na figura 3.22, disponíveis apenas para alta
tensão (3,8 a 13,8 kV).
c) Tipo Resistência: destinada, geralmente, a pequenas produções
de vapor. Na maioria das vezes são do tipo horizontal,
utilizando resistências de imersão.
11. PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DAS CALDEIRAS ELÉTRICAS
- 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 98,0%);
- 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.
Caldeira elétrica tipo eletrodo submerso (baixa tensão)
Fig.3.21
1 - Corpo da Caldeira
2 - Eletrodo
3 - Câmara de Vapor
4 - Bomba de Circulação
5 - Bomba de Alimentação de Água
6 - Eliminador de Água
7 - Válvula de Segurança
Caldeira Elétrica tipo eletrodo jateado
Fig.3.22
Legenda:
1- Válvula de Descarga de Fundo 8 - Eletrodo
2 - Bomba de Circulação 9 - Cilindro com Injetores
3 - Válvula Controle de Vazão 10- Injetores
4 - Válvula de Segurança 11- Contra eletrodos
5 - Haste do Condutor 12- Aquecedor de
Partida
6 - Isoladores 13- Entrada
de Água de Alimentação
7 - Válvula de Saída de vapor
4. FORNALHAS
Fornalha é a denominação genérica que se dá para o local onde se
queima o combustível e donde partem os produtos desta combustão. É
formada por duas partes distintas:
1- O aparelho de combustão
2- A câmara de combustão
O aparelho de combustão compreende um conjunto de componentes que
oferecem as condições necessárias para a queima de combustível.
Exemplos de aparelhos de combustão são as grelhas rotativas, as
grelhas basculante, o queimador a óleo, a gás, etc.
A câmara de combustão é representada por um volume adequadamente
dimensionado onde se desenvolve a chama e se completa a combustão,
além de propiciar a proteção e os suportes necessários para o
aparelho de combustão.
A fornalha deve evaporar toda a umidade do combustível e destilar
suas substâncias voláteis, elevar a temperatura do combustível até a
combustão espontânea proporcionando uma combustão completa, criar
turbulência para misturar o ar e o combustível e finalmente impedir a
troca de calor entre os gases quentes produzidos e o ambiente.
No interior da fornalha as paredes devem ser revestidas com uma
camada de tijolos refratários responsáveis por reter o calor no
interior da fornalha, por isso devem ter refratariedade e alto ponto
de fusão, resistência ao choque térmico e dilatação quase nula.
A fixação desses tijolos é feita com argamassa refratária. Os
principais componentes dos materiais refratários são o óxido de
sílica, óxido de magnésio, grafite e silício. Recomenda-se, quando da
utilização de tijolos refratários novos, que se aplique pouco calor
nos primeiros momentos e se vá aumentando gradativamente, até
atingirem suas características de operação.
4.1 CLASSIFICAÇÃO DAS FORNALHAS
Várias são as maneiras de se classificar este componente importante
dos geradores de vapor, sendo assim optou-se pela classificação que
engloba todas as fornalhas em apenas duas categorias:
1- Fornalhas que queimam sobre suporte
2- Fornalhas de queima em suspensão
A primeira categoria engloba todas as fornalhas que queimam
combustíveis sólidos à granel, grosseiramente divididos, picados e
britados.
A segunda se preocupa com a queima de combustíveis líquidos, gasosos
ou sólidos finamente pulverizados que podem ser queimados em
suspensão.
4.2 Fornalhas sob Suporte
As fornalhas sob suporte congregam uma série de concepções
construtivas especificamente projetadas para a obtenção das melhores
condições necessárias aos variados combustíveis disponíveis para a
queima.
Segundo a quantidade de combustível manipulado, seu grau de divisão e
mecanização da alimentação, as fornalhas sobre suporte são subdividas
em dois grupos:
12. fornalhas de suporte estático
13. fornalhas de suporte movimentado
4.2.1 Fornalha de Suporte Estático
Neste grupo incluímos todas as fornalhas onde o combustível
introduzido, permanece praticamente em repouso sob o suporte até sua
completa extinção. Se enquadram nesse grupo, as seguintes fornalhas:
14. Fornalha de Grelhas Planas
São adequadas para a queima de lenha em toras de um metro. A figura
4.1 mostra a instalação de uma grelha plana em caldeira flamotubular.
O suporte todo costuma possuir ligeira inclinação para a parte
posterior de 10 a 15 graus para facilitar o manuseio do combustível
durante os períodos de movimentação das toras a que são submetidos.
A aplicação deste tipo de grelha é limitado à caldeiras com
capacidade de gerar até 15 tv/h. A partir desta capacidade o
suprimento manual do combustível se complica o ponto de inviabilizá-
lo. Projetos maiores, jamais deveriam adotar este sistema de queima
sob pena de contribuir para o desperdício de reversas florestais
comprometidas com outros programas mais coerentes com a economia da
Nação.
Grelha Plana : a- caixa de fogo; b- suporte da grelha; c- barras de
grelha; d- ponte de fornalha
Figura 4.1
Fornalha de Grelha em Escada
Como o nome sugere, esta grelha é construída por placas de FOFO,
formando degraus, apoiados em travessões inclinados. O combustível é
arrastado ou projetado no início do plano inclinado, desce até formar
um monte equilibrado, preenchendo todo o suporte. A figura 4.2
apresenta quatro exemplos de grelha tipo escada. Em seguida na figura
4.3, apresenta-se algumas disposições construtivas dos travessões
inclinados que servem de apoio às placas que compõem os degraus.
Estas grelhas, quando alimentadas mecanicamente se prestam para
caldeiras de até 20 tv/h. Acima deste valor, há outros processos mais
adequados e de mais fácil manutenção.
Quatro exemplos de grelhas em escada
Fig. 4.2
Componentes da grelha de escada
Fig. 4.3
15. Grelha Resfriada Inclinada
É uma variante da grelha anterior e consta de um plano inclinado
constituído pelos próprios tubos de circulação de água da caldeira.
Esses tubos, afastados um do outro, cerca de 60 a 120 mm são soldados
em dois coletores, um alimenta o feixe inclinado e o outro que recebe
a água em circulação conectado com o resto da caldeira (figura 4.4).
Aplicam-se em unidades geradoras de até 100 tv/h para a queima de
qualquer biomassa, mesmo aquelas contendo teores de umidade
superiores a 50%. Se prestam pois, para queimar cavacos de lenhas,
resíduos florestais, resíduos industriais, cascas de cereais e outras
bio-massas.
Gerador de Vapor com Grelhas Inclinadas
Fig. 4.4
16. Fornalhas Celulares
Extremamente simples, versáteis e satisfatória quanto a performance,
são verdadeiras câmaras de alvenaria refratária, sobre cujo piso, o
combustível é despejado, formando um monte que recebe ar insuflado em
todos os planos, proporcionando a secagem parcial e queima. São
utilizados para queima de diferentes bio-combustíveis, como: cavacos,
casca de madeira, serragem, cascas de cereais e de lenha, porém a
aplicação mais generalizada tem sido na queima de bagaço de cana. A
figura 4.5 mostra como opera uma fornalha deste tipo, identificando
os tubeiros sopradores de ar, geralmente introduzidos com uma
velocidade entre 8 a 15 m/s.
Fornalha celular
Fig. 4.5
17. Fornalhas com Grelhas Basculantes
A figura 4.6 apresenta um projeto de caldeira com grelhas basculantes
para queima de casca de arroz. As fornalhas desta categoria se
aplicam para caldeiras de até 150 tv/h
Como se observa no desenho, a grelha é formada por piso plano
constituído por placas perfuradas, observe que o ar ingressa por
baixo do piso basculante. As placas se apoiam em travessões lisos que
giram em torno de mancais laterais mediante a ação de um pistão
pneumático, que também pode ser visto pela figura 4.7. A cada ação do
pistão corresponde um basculante, durante o qual as cinzas caem no
cinzeiro. Esta concepção construtiva possui alimentação de
combustível sempre por projeção. Há dois tipos de distribuidores, um
denominado aspegidor pneumático e outro mecânico (figura 4.7).
Caldeira Aquotubular com Grelha Basculante
Fig.4.6
Aspegidor de Combustível Sólido Tipo Mecânico
Fig. 4.7
4.2.2 Fornalha de Suporte Movimentado
Grande número de concepções construtivas se enquadram nesta segunda
sub-divisão de fornalhas de suporte. As principais características
que se distinguem das anteriores, reside no seguinte:
- alimentação contínua e mecanizada do combustível
- suportes constituídos por componentes que percorrem toda extensão
do plano inferior da fornalha com movimento contínuo assegurado por
acionamento mecânico.
De acordo com o mecanismo aplicado para provocar o deslocamento do
combustível, distingui-se os seguintes tipos:
- grelha caminhante por arraste;
- grelha com alimentação por baixo;
- grelha oscilante;
- grelha com esteira contínua.
18. Grelha Caminhante por Arraste
Trata-se de uma grelha inclinada constituída de elementos articulados
que promovem um movimento alternativo das placas de suporte. Há
placas móveis e fixas, todas apoiadas por estruturas de ferro
fundido. As placas móveis, mediante ação de um mecanismo correm
guiadas sobre as fibras, deslocando o leito do combustível no sentido
do plano inclinado no movimento de vai e vem. O movimento é lento, de
forma a provocar um deslocamento com velocidade de queima necessária
à caldeira, esta grelha também é conhecida pelo nome de grelha vai e
vem.
A figura 4.8 ilustra este tipo de grelha com inclinação aproximada
de 20o em que a rosca sem fim (a) força o carvão sobre as barras de
suporte (b) apoiadas nas vigas de acionamento (c) movimentadas por
uma engrenagem regulável (d) que lhe confere o movimento de vai e
vem. O cilindro (e) é responsável por projetar a escória mais leve ao
reservatório de escória (i) que recebe também detritos da grelha pela
saída (k). O ventilador (f) introduz o ar de combustão que penetra na
grelha pelas câmaras de corrente de ar inferior (g); regulado por
"dampers" através do controle da corrente de ar inferior (h). Bocais
de ar (l), localizados acima da grelha, auxiliam na queima do pó de
carvão em suspensão e do coque volátil.
Fig. 4.8
19. Grelha de Alimentação por Baixo
O combustível é admitido por meio de uma rosca (a), acionada por
motor elétrico (h) com transmissão por engrenagens (g), que
continuamente projeta o combustível na parte inferior da grelha. A
grelha (c) propriamente dita é inclinada e transversalmente apresenta
dupla inclinação de ambos os lados do, canal central (b), de forma
que o combustível caminhe do centro para os lados, onde é totalmente
queimado sobre a grelha de combustão (d), conforme representação na
figura 4.9 (seção A-B).
O carvão, a medida que é forçado a subir para as partes superiores do
leito, vai se aquecendo eliminando os voláteis e incandescendo-se.
Atingindo o topo do leito, o carvão rola sobre si mesmo lateralmente
até sua extinção total na grelha de combustão. As laterais recebem as
cinzas que são basculadas por meio de alavancas (e), caindo em
seguida nos cinzeiros. A escória é direcionada para a saída f da
figura 4.9.
Fig. 4.9
20. Grelha Oscilante
São grelhas que provocam o caminhamento do combustível sob o suporte,
graças a impulsos produzidos por mecanismo oscilante (figura 4.10).
Grelha com Movimento Oscilatório
Fig. 4.10
O suporte é constituído por placas perfuradas, uma ao lado da outra,
formando um piso ligeiramente inclinado para o fundo. Estas placas
são fixadas em barras, as quais, por sua vez, se reúnem a lâminas
flexíveis.
Estas lâminas flexíveis, no lado oposto às barras, são rigidamente
fixadas a uma estrutura solidamente chumbada no concreto da fundação.
A grelha é adaptável para a queima de qualquer combustível de
biomassa e do carvão com médio e baixo teor de cinzas. Carvão com
alto poder calorífico, fundem as placas e inutilizam a fornalha, fato
este que tem limitado sua aplicação.
Modelo mais avançado é a grelha oscilante resfriada que queima carvão
com alto poder calorífico pois contém, junto ao piso da grelha tubos
resfriados pela própria água da caldeira além de apresentar na sua
parte inferior compartimentos por onde passa o ar de combustão.
21. Grelha com Esteira Contínua
Também conhecidas como grelha rotativa, lembra um transportador, onde
os óleos das correntes recebem as placas perfuradas que formam o piso
do leito. Foram concebidos com a finalidade de desempenhar
automaticamente boas condições de carregamento, distribuição do
combustível e extração de cinzas (figura 4.11).
Fig. 4.11
Entre todas é a de montagem mais complexa porque envolve uma
mecanização mais elaborada, são utilizadas para aplicação em
caldeiras de produção superiores a 39 t/h até 150 t/h.
4.3 Fornalha de Queima em Suspensão
São as fornalhas usadas quando se queima óleos , gases ou
combustíveis sólidos pulverizados, utilizando para tal, equipamento
especial chamado maçarico ou combustor, responsável pela dispersão do
combustível na fornalha de forma homogênea. Cada classe de fornalha
emprega queimadores especiais para proporcionar as condições de
queima adequada. Conforme o tipo de combustível empregado, podemos
ter:
- queimadores de combustíveis líquidos;
- queimadores de combustíveis gasosos;
- queimadores de combustíveis sólidos pulverizados.
4.3.1 Queimadores de Combustíveis Líquidos
Os combustíveis líquidos são queimados nas câmaras de combustão,
sempre em suspensão, na forma pulverizada por meio de vários
processos.
a) Pulverização a ar - O óleo escoa por gravidade ou por impulsão de
uma bomba de baixa pressão, o ar é insuflado por ventilador, sendo
o veículo responsável pela pulverização do óleo em gotículas
(figura 4.12)
Maçarico a Óleo Com Pulverização a Ar
Fig. 4.12
Conforme a pressão do ar, os queimadores são denominados de baixa
pressão (até 500 mmca) ou de média pressão (da ordem de 100 mmca).
São indicados para unidades de pequeno porte, queimando uma
quantidade máxima de 50 kg óleo/h. O ar de pulverização, denominado
ar primário, representa 20% do ar total necessário à combustão. Opera
com 30 a 40% de excesso de ar e apresentam uma pulverização não
uniforme, dificultando a regulagem da queima. Uma concepção mais
moderna deste tipo, procura dar uma rotação aos dois fluxos, o que
tem permitido uma melhora na sua performance (figura 4.13).
Queimador de Ar Comprimido com Rotação do Fluido Auxiliar Primário
Fig. 4.13
b) Pulverização a vapor - Substituem o ar pelo vapor produzido na
própria caldeira, promovendo uma pulverização mais fina e fortemente
acentuada pelo aquecimento. Tem o inconveniente de parte do calor
produzido na combustão ser consumido pelo vapor, quando este for
saturado (figura 4.14).
Maçarico a Óleo com Atomização a Vapor
Fig. 4.14
Queimador de Copo Rotativo
Fig. 4.15
Uma versão melhorada do princípio acima exposto é o queimador de
"copo rotativo", largamente aplicado nos geradores de vapor limitados
à capacidade de queima de 500 kg óleo/h, embora alguns tipos
especiais com alta rotação (10000 rpm) chegam a capacidade de 3000 kg
óleo/h. O funcionamento baseia-se na formação de um filme de óleo no
interior de um copo tronco cônico girando a alta rotação (3600 rpm),
que projeta o combustível na forma de um anel cônico de encontro a um
fluxo de ar rotativo de alta pressão. A colisão de ambos fluidos
provocam simultaneamente a pulverização e a mistura do combustível
com o comburente (figura 4.15).
c) Pulverização mecânica: Caracterizados pela ausência completa de
peças rotativas, garantindo a pulverização do óleo por escoamento
estrangulado em alta velocidade através de orifícios de pequenas
dimensões (figura 4.16). A energia necessária para o líquido
atravessar o orifício em alta velocidade é mantida por uma bomba de
engrenagens.
Fig.4.16
4.3.2 QUEIMADORES DE COMBUSTÍVEIS GASOSOS
Graças ao estado gasosos, o gás é o combustível mais simples de ser
queimado pois a mistura com o comburente se processa de forma muito
mais fácil do que com qualquer outro combustível, podendo ter sua
velocidade de ignição consideravelmente aumentada mediante pré
aquecimento do suprimento do comburente. Basicamente distinguem-se
dois tipos:
22. queimadores de mistura
23. queimadores de difusão.
Os primeiros promovem a mistura do ar com o gás antes de injetá-los
na câmara de combustão (figura 4.17), já os queimadores de difusão
tem por princípio injetar ambos os fluidos separadamente,
proporcionando a mistura de ambos no interior da câmara de combustão,
tendo concepções que insuflam cada fluido em correntes paralelas
(figura 4.18.a), cruzadas (figura 4.18.b) ou ainda turbulentas
(figura 4.18.c).
Queimador de Mistura, Esquemático
Fig.4.17
(a) (b)
(c)
Esquema dos tres tipos de Queimadores de difusão: a) em correntes
paralelas, b) cruzadas e c) turbulentas.
Fig.4.18
Existem também queimadores de difusão para queimar a combinação de
gás e óleo é até carvão pulverizado, encontrados nas grandes unidades
geradoras de vapor.
4.3.3 QUEIMADORES DE COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS PULVERIZADOS
A utilização dos combustíveis sólidos apresentam como exemplo mais
importante o carvão mineral utilizado nas grandes unidades geradoras
de vapor das centrais Termo Elétricas. Há contudo, outras matérias
orgânicas pulverizadas e resíduos de processos industriais que servem
a queima, como é o caso do bagaço de cana, o bagacilho, a borra de
café, a serragem e resíduos florestais macerados, que são reduzidos a
tamanhos de alguns milímetros e queimados em suspensão, quando
insuflados na câmara de combustão.
A figura 4.19 mostra, de forma esquemática um queimador a carvão
pulverizado tipo ciclone que associa a injeção pneumática com a
formação de forte movimento vorticoso no interior da câmara de
combustão, existindo concepções mais modernas que distribui os
queimadores (geralmente em número de quatro) tangencialmente à câmara
de combustão.
O processo possibilita a queima de combustíveis sólidos finos de
carvão com alto teor de cinzas, aproveita os finos resultantes da
preparação do próprio carvão e admite a queima de grandes
quantidades, assegurando sua aplicação nas grandes caldeiras,
possibilitando uma larga faixa de controle de combustão.
Fig.4.19
Em contrapartida apresenta algumas desvantagens, a principal
representada pela maior facilidade das partículas escaparem para o
meio ambiente, acompanhada da complexidade da aparelhagem de
preparação do combustível, do consumo de energia para acionamento das
máquinas e do calor dispendido na secagem do carvão.
A redução parcial do tamanho das pedras de carvão para 10 a 20mm de
diâmetro se processa com britadores de martelo. Após a britagem
segue-se a secagem do carvão pelos mais variados aparelhos
cilindrícos rotativos. Para a pulverização definitiva usam-se
moinhos de rolos, de bolas ou cônicos e o transporte do pó de carvão
efetua-se normalmente por via pneumática geralmente a alta pressão.
5. ACESSÓRIOS E DISPOSITIVOS DE CALDEIRAS
5.1 APARELHOS DE ALIMENTAÇÃO DE ÁGUA
A cada quilograma de vapor extraído da caldeira, deve corresponder
equivalente quantidade de água injetada. Não se verificando a
reposição, o nível de água, no interior da caldeira, começa a baixar.
Enquanto, as superfícies metálicas, expostas ao contato dos gases
quentes, estiverem banhados pela água, nenhum dano ocorre ao
equipamento.
No momento porém, que o nível ultrapassar o limite mínimo ao
estabelecido, compromete-se a segurança da unidade. Criam-se
condições de ruptura das paredes metálicas ou mesmo de explosões
devido o superaquecimento da placa metálica.Por essa razão, cabe ao
operador, embora auxiliado pela automação do processo de alimentação,
vigiar permanentemente o nível exibido pelo visor transparente
existente na caldeira.
A introdução da água, nos Geradores de Vapor, se faz com os aparelhos
de Alimentação.
Sob o ponto de vista termodinâmico, o aparelho de alimentação,
realiza um trabalho representado pelo deslocamento de uma massa de
água associada a uma pressão capaz de vencer as resistências
oferecidas pelo circuito.A figura 5.1, apresenta um esquema típico de
instalação de alimentação de água, com bomba centrífuga, controlada
automaticamente por uma válvula.
Esquema de uma Linha de Alimentação de Água de Caldeira
Fig 5.1
5.1.1 INJETORES
São equipamentos para alimentação de água usados em pequenas
caldeiras de comando manual e também foram muito empregados em
locomotivas a vapor. Seu princípio, simples, baseia-se no uso do
próprio vapor de caldeira ou de ar comprimido que é injetado dentro
do aparelho, onde existem os cônicos divergentes e as válvulas de
retenção, de controle, e de sobrecarga, conforme figura 5.2.
Quando o ar ou vapor passa pelos cônicos divergentes, forma vácuo,
faz com que a válvula de admissão seja aberta e arrasta por sucção a
água do reservatório para dentro da caldeira. Se a água entra em
excesso, sai através de uma válvula de sobrecarga.
Injetor de Água
Fig.5.2
5.1.2 BOMBAS ALTERNATIVA
Também conhecidas como bombas de pistões, de ação direta ou de
deslocamento positivo, podem ser acionadas por motores elétricos ou a
vapor.
A bomba acionada eletricamente tem sido aplicada em pequenas
caldeiras que operam em pressões elevadas, pois as bombas centrífugas
para altas pressões dificilmente atingem pequenas capacidades.
Sua constituição esquemática, representada na figura 5.3, conta com
uma câmara, duas válvulas de retenção e um êmbolo.
Bomba Alternativa ou de Êmbolo
Fig.5.3
As bombas acionadas a vapor mais difundidas são as denominadas Bombas
duplex a vapor ou também conhecidas por Burrinhos, disponíveis no
mercado para atender geradores com produções de vapor até 50 t/hora e
pressões até 21 kgf/cn2. Nestas o vapor aciona o par de pistões de
maior diâmetro movimentando assim os pistões menores de injeção de
água.
Estes tipos de bombas, devido a presença de lubrificação contínua dos
cilindros, apresentam o inconveniente de arrastarem óleo para o
interior da caldeira, por isso, geralmente, cumprem o papel de bomba
de reserva.
5.1.3 BOMBAS CENTRÍFUGAS
São bombas que têm dado os melhores resultados, pela simplicidade de
seus componentes, facilidade de manutenção, pela grande vazão que nos
oferece, atingindo até 500.000 litros de água por hora, e por operar
em regime contínuo, ao contrário das bombas alternativas onde a
alimentação se processa em golpes contínuos.
Seu funcionamento consiste em um disco com um jogo de palhetas que
giram em alta velocidade e fazem a sucção da água. Cada disco forma
um estágio, cuja quantidade pode variar de acordo com a capacidade da
bomba. Nas caldeiras de baixa pressão empregam-se bombas com apenas
um estágio e nas de alta pressão são usados multiestágios.
As bombas centrífugas são passíveis de serem acionadas por motores
elétricos ou por turbinas a vapor, estas últimas aplicáveis apenas em
geradores de maiores capacidades e pressões. Podem, ainda, ter
carcaça cilíndrica e bipartida.
5.1.4 CONTROLE AUTOMÁTICO DE ÁGUA DE ALIMENTAÇÃO
Os aparelhos de controle automático de alimentação dividem-se em dois
grupos, identificados pelo critério de funcionamento (liga-desliga)
ou modulante.
5.1.4.1 APARELHO DE CONTROLE DE ALIMENTAÇÃO DE ÁGUA LIGA- DESLIGA.
Há dois aparelhos básicos que respondem por esta característica; um
denominado Regulador de Nível com Eletrodo e o outro Regulador de
Nível com Bóia.
24. Regulador De Nível Com Eletrodos
Este sistema consiste em aproveitar a condutividade elétrica da água,
através de três eletrodos que podem ser de aço inoxidável e tamanhos
diferentes, correspondendo, cada tamanho, a um nível de água: o
central, o máximo e o mínimo. Este dispositivo é montado na parte
superior do tambor de vapor, e os eletrodos estão ligados a um relé de
nível de água que, através de seus contatos, comandará a bomba de
alimentação de água.
A bomba entrará em funcionamento quando a água atingir a ponta de
eletrodo central e deverá parar quando a água atingir o eletrodo de
nível máximo ( o menor eletrodo). Se o nível da água atingir a ponta
do eletrodo maior o relé desligará o queimador ou em alguns sistemas
poderá fazer funcionar um alarme que dará ao operador a indicação do
defeito (figura 5.4).
25. Regulador De Nível Com Bóia
Poderão ser construídos de várias formas mas os principais constam de
uma garrafa que é ligada ao tambor de vapor e uma bóia que flutua no
seu interior. Qualquer flutuação do nível interno é transmitidos a
esta bóia, presa na parte superior por uma haste (3), conforme fig.
5.5.
A haste movimenta-se dentro do recipiente (5), e ao passar pelo campo
magnético (2) produzido pelo imã permanente (1) faz movimentar a
célula de mercúrio (4) pelo pino pivotado (A). A bomba assim fica
dependendo do sistema liga-desliga, das chaves de mercúrio,
alimentando ou não a caldeira.
Indicador De Nível Com Eletrodo, onde: E = Eletrodo; VVN -1 e 2 =
Válvula do visor de nível superior e inferior; VDN = Válvula do dreno
de nível; VDRN = Válvula de dreno reguladora de nível; CN = Coluna de
nível e TP-1 e 2 = Torneiras de prova 1 e 2.
Fig.5.4
Demonstração Esquemática de um Regulador de Nível com Bóia usando
Chaves de Mercúrio
Fig.5.5
5.1.4.2 APARELHOS DE CONTROLE DE ALIMENTAÇÃO DE ÁGUA MODULANTE
26. Elemento Termostático Para Controle De Nível
Tem a finalidade de controlar o fluxo da água na caldeira. Seu
funcionamento baseia-se no principio da dilatação dos corpos pelo
calor (figura 5.6).
Sua construção é bastante simples. É formado por dois tubos
concêntricos, sendo que o tubo externo é o tubo de expansão e o
interno serve para fazer a ligação com o tambor de vapor pela sua
parte superior, onde recebe uma quantidade de vapor. Faz também a
ligação com o tambor de vapor em um ponto correspondente ao nível
mínimo, recebendo, portanto, pela parte de baixo, água do tambor de
vapor.
O tubo termostático abrange quase toda a extensão da fornalha, sendo
que em uma das extremidades é rigidamente ligado a serpentina de
aquecimento e a outra extremidade permanece livre, a fim de poder
dilatar-se e mover a válvula de admissão da água.
Quando a caldeira está com uma queima total, a extremidade livre do
tubo termostático mantém a válvula de admissão em posição que passe,
apenas, a água para repor a quantidade que está sendo evaporada.
Se houver uma baixa no nível de água, aumentará a temperatura do
elemento termostático, devido ao aumento da quantidade do vapor
dentro do tubo. Com isso, o tubo se dilata movimentando o conjunto
de comando da válvula de admissão da água, fazendo com que a mesma se
abra dando passagem à água de alimentação.
À medida que a água vai entrando no tambor, a quantidade de vapor
dentro do tubo termostático também vai diminuindo, dando lugar à água
que é bem mais fria que o vapor, fazendo, desta forma, com que o
tubo, que se havia expandido pelo calor, agora se contraia em virtude
da mudança de temperatura: à medida que a temperatura diminui no
interior do tubo, este se contrai, fazendo com que o conjunto de
comando faça a redução da entrada de água até que o nível seja
equilibrado.
O nível normal de água na caldeira poderá ser elevado ou baixado à
vontade, dentro de limites razoáveis. Uma porca de regulagem,
localizada na extremidade do tubo, pode ser girada para proporcionar
o nível desejado mesmo com a caldeira em funcionamento.
Um amortecedor protege o regulador contra esforços bruscos quando a
válvula está fechada e o tubo de expansão está contraído
Controle De Nível Proporcional A Um Elemento De Ação Mecânica Por
Efeito Termostático
Fig.5.6
27. Elemento Termohidráulico Para Controle De Nível
Uma outra concepção, conforme figura 5.7, denomina-se controle de
nível termohidráulico, que opera agora graças à dilatação e contração
da água contida numa câmara cilíndrica anelar fechada.
Controle de Nível Proporcional a um Elemento com Princípio de Atuador
Termo-Hidráulico
Fig.5.7
O sistema compreende um duplo cilindro concêntrico, instalado com uma
inclinação pré definida em relação ao nível interno da caldeira. O
primeiro, aletado em toda extensão, forma uma camisa fechada,
enquanto o interno une-se ao tambor de forma a receber as oscilações
do nível de água.
O tubo externo, por sua vez, liga-se pela parte inferior ao diafragma
de uma válvula de controle. Pela conexão superior desta camisa
introduz-se água limpa até o fluido transbordar.
A caldeira entrando em operação, apenas uma parcela desta câmara
entra em contato com o vapor o qual promove o aquecimento e
conseqüente dilatação da parte correspondente de água. O aumento de
volume reflete sobre o diafragma da válvula de controle, portanto
sobre o orifício de passagem de água de alimentação.
À medida que o nível oscila, a água contida na câmara recebe contato
com maior ou menor superfície de aquecimento, respondendo com
variações nas dilatações e contrações do fluido de maneira a
transmitir à válvula de controle, posições diferentes de ingresso ou
interrupção da passagem da água.
28. Controle de Nível Pneumático
A figura 5.8 exibe uma versão mais moderna de controle de nível em
caldeiras, introduzindo o ar comprimido como fluido auxiliar.
Fig.5.8
5.2 ALIMENTAÇÃO DE COMBUSTÍVEL
No caso de combustível líquido o fornecimento não deve ser feito
diretamente do tanque principal para o consumo e sim passar por um
reservatório intermediário, evitando-se problemas de flutuação de
carga e baixa temperatura do combustível no bombeamento. Esse
reservatório deve ser instalado no circuito mais próximo da bomba de
óleo tendo antes um filtro da bomba, uma válvula de gaveta e a linha
de retorno do excedente ao depósito, sendo sua principal finalidade o
aquecimento de óleo (figura 5.9).
Devido à quantidade do "Fuel oil" fornecido com alto teor de parafina
o sistema de aquecimento deve ser misto (eletricidade e vapor), a fim
de elevar e manter a temperatura do óleo acima do ponto de fluidez
(ponto de baixa viscosidade).
Caso o óleo combustível seja muito viscoso, ele deve ser recirculado
no sistema de preaquecimento até atingir a temperatura ideal, antes
de ser admitido na caldeira para não entupir o pulverizador, em razão
da viscosidade imprópria.
No início de funcionamento, quando o óleo não está ainda a uma
temperatura ótima de pulverização, deve-se usar querosene.
Bomba de óleo combustível
Fig.5.9
No caso dos combustível sólidos a alimentação pode ser manual ou
mecanizada No caso de alimentação manual de combustível sólido deve
ser armazenada na casa da caldeira uma quantidade suficiente para até
duas horas, evitando-se o acúmulo de combustível que retira a
liberdade de ampla circulação que o operador deve ter..
5.2.1 CONTROLE AUTOMÁTICO DE COMBUSTÃO
Três são as grandezas relacionadas com o problema de malha aberta que
responde pela regulagem automática da combustão:
29. o consumo de combustível
30. o consumo de ar para a combustão
31. a extração dos gases formados
O controle destas três grandezas visam:
32. manter o suprimento de calor da fonte supridora, de acordo com a
demanda do processo.
33. assegurar um mínimo de consumo de combustível para atingir as
condições propostas, ou seja, alcançar a máxima eficiência;
34. manter as condições de operação da fornalha dentro de parâmetros
satisfatórios.
No fundo os objetivo são os mesmos. A quantidade de combustível se
ajusta com a pressão da caldeira, de modo que uma queda na pressão
significa falta de combustível, e excesso, significa combustível a
mais. Portanto a regulagem da pressão de forma a mantê-la dentro dos
limites fixados na operação, implica necessariamente na modificação
do suprimente de combustível.
A intervenção nesta fonte de calor determina a modificação do volume
de ar necessário à sua queima, dentro dos parâmetros compatíveis com
uma combustão perfeita. Esta variação provocada na formação de
volumes de gases de combustão, deve ser vigiada por uma ação
paralela, que garanta a sua (gases) extração completa de forma a
assegurar uma pressão definida na câmara de combustão da caldeira.
5.3 ALIMENTAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
É feita através do quadro de comando que é o componente da caldeira
onde estão os dispositivos elétricos que permitem a operação da
caldeira. Para o caso das caldeiras com alimentação a combustível
líquido eles são mais complexos pois comandam o acendimento
automático e o controle da chama, além de outros comandos como o de
nível de água que controla as bombas de alimentação e os relés de
alta pressão.
No caso de caldeiras de alimentação por combustível sólido (lenha) os
quadros de comando são mais simples pois basicamente possuem apenas o
comando de nível automático que controla o funcionamento das bombas
de alimentação de água e o aumento de pressão.
Os comandos são colocados em um armário que os abrigam da poeira e
umidade, tais comandos são basicamente:
35. seleção do comando manual ou automático;
36. chave de ligar e desligar a bomba d'água;
37. chave de liga e desliga o ventilador de exaustão;
38. alarme sonoro de advertência;
39. lâmpada piloto;
40. chaves magnéticas de ligação do nível automático.
5.4 VISOR DE NÍVEL
Consiste em um tubo de vidro colocado no tambor de vapor (figura
5.10) e que tem a finalidade de dar ao operador a noção exata da
altura onde se encontra a água da caldeira. Na maioria das caldeiras
o nível de água é exatamente no centro do tubo de vidro, o que
corresponde ao centro do tambor de vapor. Existem, porém, caldeiras
que não seguem esta regra cabendo ao operador certificar-se do quanto
corresponde a marca de nível dos indicadores.
Visor de nível
Fig.5.10
Manter o nível de água da caldeira é um importante papel do operador
que terá que dispensar-lhe uma especial atenção.
Antes de se iniciar a operação da caldeira, deve ser feita uma
drenagem no nível, a fim de que se eliminem algumas impurezas que
por ventura tenha-se localizado no nível ou nas conexões do mesmo.
Nas caldeiras manuais, o nível é importantíssimo porque dará ao
operador uma noção exata de quanto a água deverá ser introduzida na
caldeira.
5.5 MANÔMETROS
Aparelho com o qual se mede a pressão de gases, de vapores e de
outros fluídos. É muito utilizado na indústria, entre outros fins,
para verificar a pressão de caldeiras e de vasos sob pressão.
O conhecimento desta pressão é obrigatório, não só sob o ponto de
vista de segurança, como também, para a operação econômica e segura
da caldeira.
A figura 5.11 mostra as partes Internas, de forma esquemática, de um
manômetro de Bourdon padrão cujo funcionamento baseia-se na tendência
de flexão, que experimenta um tubo de bronze curvado, de seção
elíptica, quando é aplicada, em seu interior, uma pressão superior à
atmosfera. Geralmente o tubo se curva em arco de circunferência. Ao
atuar a pressão no interior do tubo, sua extremidade livre descreve
um pequeno movimento, que é ampliado mediante um sistema de alavancas
que atuam sobre o setor dentado, fazendo girar a agulha indicadora.
Existem vários tipos de manômetros: manômetro tubular, manômetro com
líquido amortecedor (glicerina ou silicone), manômetro diferencial, e
outros tipos que são abordados em instrumentação e controle não
constituíndo objetivo principal do presente curso.
A escala de uma manômetro pode ser graduada em quilograma, força por
centímetro quadrado (Kgf/cm2), em atmosferas (atm), em libras-força
por polegada quadrada (lbf/pol2 ou psi), ou em qualquer outra
unidade de pressão. A tabela abaixo dá a correspondência entre estas
unidades.
"atm "Kgf/cm2 "psi "
"1 "1,033 "14,22 "
"0,96 "1 "14,7 "
"0,065 "0,068 "1 "
Partes internas de um manômetro de Bourdon
Fig.5.11
A indicação em psi é usual no sistema inglês e no Brasil utiliza-se
mais correntemente indicações em kgf/cm2.
Os manômetros, de um modo geral, indicam a pressão relativa (também
denominada pressão manométrica) e não a "pressão absoluta". Isso
quer dizer que, para se obter a pressão dita "absoluta", tem-se que
somar à pressão indicada no manômetro, a pressão atmosférica local
(pressão absoluta = pressão manométrica + pressão atmosférica).
Cada caldeira tem uma capacidade de pressão determinada. Sendo
assim, os manômetros utilizados em cada caldeira devem ter a escala
apropriada. A pressão máxima de funcionamento da caldeira deverá
estar sempre marcada sobre a escala do manômetro, com um traço feito
a tinta vermelha, para servir de alerta ao operador no controle da
pressão.
5.6 DISPOSITIVOS DE SEGURANÇA
5.6.1 VÁLVULAS DE SEGURANÇA
Sua função é de promover o escape de excesso do vapor, caso a pressão
máxima do trabalho permitida da caldeira venha a ser ultrapassada, e
os outros dispositivos de segurança venha a falhar.
Quando uma caldeira possui duas válvulas de segurança, uma delas
deverá abrir com 5% acima da pressão máxima de trabalho permitida e a
outra com 10% acima da pressão máxima permitida.
Para garantir um perfeito funcionamento da válvula de segurança, deve-
se observar o seguinte:
41. Todas as válvulas de segurança deverão ser experimentadas uma vez
ao dia, acionando-se a alavanca de teste manual.
42. Promover a inspeção das sedes das válvulas pelo menos uma vez por
ano.
43. Fazer periodicamente um teste de funcionamento da válvula. Isto se
faz colocando uma manômetro aferido na caldeira e, em seguida,
fechando todas as saídas de vapor até que a válvula comece a
funcionar. Para a aferição da válvula devem ser observadas as
porcentagens acima indicadas, e também deve-se observar que durante
o teste a pressão máxima da caldeira não deve ultrapassar 10% da
pressão máxima permitida.
As válvulas de contrapeso são as mais simples, porém não atendem os
requisitos atrás anunciados. Sua vedação nem sempre impede
vazamentos contínuos.
As válvulas de mola predominam nos dias de hoje. Há dois tipos de
válvulas de mola:
44. de baixo curso;
45. de alto curso.
No primeiro tipo, a pressão do vapor atuando sobre a área do disco de
vedação, abre totalmente a válvula.
No segundo tipo, a ação de pressão abre parcialmente a válvula. O
vapor escapando, projeta-se sobre um disco provido de anel de
regulagem que provoca a mudança de direção do fluido. A força de
reação completa a abertura da válvula.
Estas válvulas são muito mais perfeitas, abrindo e fechando
instantaneamente.
Os fabricantes fornecem estas válvulas nas dimensões adequadas, desde
que se forneçam a vazão e pressão do vapor.
As válvulas de segurança exigem cuidados especiais desde a sua
instalação.
Na instalação deve-se:
46. evitar choques;
47. acertar o prumo (velocidade da válvula)
48. evitar alterar a regulagem original do fabricante.
Na operação:
49. não permitir acréscimo de peso na válvula;
50. testar diariamente seu funcionamento;
51. eliminar vazamentos contínuos.
As válvulas de segurança evitam, portanto, a contínua elevação da
pressão no gerador de vapor. Válvulas de segurança corretamente
dimensionadas devem:
1. Abrir totalmente a um pressão definida, evitando o desprendimento
de vapor antecipadamente.
1. Permanecer aberta enquanto não houver queda de pressão ou seja,
retorno da pressão para as condições de trabalho do gerador.
1. Fechar instantaneamente e com perfeita vedação logo após a queda de
pressão.
1. Permanecer perfeitamente vedada para pressões inferiores à sua
regulagem.
Para assegurar esta performance, as válvulas de segurança devem ser
fabricadas, sob controle de qualidade, instaladas corretamente e ser
submetidas a sistemáticas inspeções e mantidas em condições de
funcionamento perfeito.
Podemos encontrar, basicamente, dois tipos de válvulas de segurança:
a) de contrapeso (figura 5.12)
b) de mola (figura 5.13)
Fig.5.12
Fig.5.13
5.6.2 PROTEÇÃO E CONTROLE DE CHAMA
Caldeiras que usam queimadores de sólidos pulverizados (carvão),
líquidos (BPF, diesel,...) ou gasosos (gás de gasogênio, GLP,...)
necessitam de um sistema de proteção e controle de chama para
supervisionar principalmente:
52. procedimento incorreto de ligação;
53. falta de chama por qualquer motivo.
Ocorrendo uma destas falhas, a fornalha da caldeira ficaria sujeita a
uma explosão, caso não houvesse a interrupção imediata do
fornecimento do combustível.
Conforme a concentração da mistura (ar/combustível), a magnitude de
explosão poderá se tornar perigosa, causando danos ao equipamento e
provocando risco de vida ao seu operador.
A maior parte dos casos de explosão, ocorrem durante o acendimento da
chama.
Os dispositivos usualmente empregados nestes sistemas de proteção são
dos seguintes tipos:
POR TERMOELÉTRICOS
São formados por lâminas bimetálicas (lâminas de metais diferentes) e
de uma chave elétrica. As lâminas bimetálicas ficam instaladas no
caminho dos gases e também estão ligadas ao circuito, de tal modo,
que não é possível acender o queimador com a chave aberta. Acendendo
a caldeira, o calor dos gases desprendidos dilata as lâminas,
queimando-se a caldeira as lâminas e se contraem abrindo e
interrompendo o circuito elétrico do queimador.
POR CÉLULAS FOTOELÉTRICAS
Trata-se de um sistema bem aperfeiçoado que trabalha com uma célula
fotoelétrica, um amplificador e um relé. O seu funcionamento é
baseado na coloração das chamas. Se estas se apagarem a luminosidade
no interior da fornalha será diminuída, a célula fotoelétrica
comandará o amplificador e o relé que abrirá seus contatos,
interrompendo o circuito dos queimadores.
Os sistemas fotocondutivos para segurança de chama tem quase o mesmo
funcionamento dos fotoelétricos, sendo modificado o tipo de célula.
Utiliza-se das irradiações infravemelhas das chamas e faz uso de
amplificadores especial.
Os amplificadores conseguem estabelecer diferenças entre o calor das
chamas e o calor dos refratários da fornalha.
Estes controladores funcionam como equipamentos de segurança, fazendo
com que a caldeira seja parada e religada automaticamente,
controlando perfeitamente a água de alimentação e os limites de
pressão.
Também efetua a parada de emergência comandada pelo circuito de
segurança.
5.7 DISPOSITIVOS DE CONTROLE
Estes dispositivos são projetados para garantir que a caldeira
funcione em perfeita segurança.
5.7.1 PRESSOSTATOS
PRESSOSTATO DE CONTROLE DE MÁXIMA PRESSÃO DA CALDEIRA
Tem a finalidade de controlar a pressão interna da caldeira por meio
de um comando para os queimadores (figura 5.14).
É constituído de um fole metálico (ou de um diafragma) que comanda
uma chave elétrica por meio de um dispositivo de regulagem da
pressão. À medida que diminui a pressão dentro da caldeira o fole
(ou diafragma) se contrai, fechando o circuito elétrico, dando
partida ao queimador. Quando a pressão for restabelecida o fole (ou
diafragma) se dilata e fará a abertura dos contatos, interrompendo o
funcionamento dos queimadores. Nas caldeiras semi-automática e chave
interrompe o circuito do queimador, quando atingida a pressão de
corte e mantém o circuito travado, impedindo que seja reacendido
manualmente, até que seja atingida a pressão de operação.
Fig.5.14
54. Pressostato Modular
De construção quase idêntica ao pressostato de máxima pressão, faz a
regulagem do óleo e do ar para os queimadores. A sua diferença para
o pressostato acima, é que este não faz a simples partida ou parada
de motor da bomba de combustível e regulador de ar nos pontos
preestabelecido de pressão.
Ele regula a velocidade do motor nas pressões intermediárias às
prefixadas, dando um perfeito equilíbrio ao regulador de ar-
combustível.
Todo este trabalho é conseguido através do motor modulador que
consiste (além dos enrolamentos do motor) de um relé de equilíbrio e
de um reostato de balanceamento. Portanto o motor trabalha junto com
o reostato da chave moduladora.
5.7.2 CHAVE SEQÜÊNCIAL
Tem a finalidade de promover na caldeira um ciclo completo de
operações ou seja:
a) modulação automática
b) ignição elétrica
c) apagar a caldeira por motivo de segurança
d) limitar a pressão
e) promover a ignição automaticamente.
Seu funcionamento é parecido com o do pressostato modulador, só que
ao invés de apresentar o reostato para regulagem de velocidade do
motor, apresenta um conjunto de contatos, sendo destinados um para
cada operação a ser feita. Portanto quando termina um ciclo de
operação, imediatamente, começa outro.
5.7.3 VÁLVULAS E TUBULAÇÕES
55. Válvula Solenóide
São comandados eletricamente, abrindo e fechando, dando passagem ao
óleo, e vapor.
Um bom lubrificante para a haste móvel da válvula solenóide é o
grafite em pó.
Nas cadeiras flamotubulares com queima a óleo ou a gás, o óleo
diesel, ou gás, para a chama piloto é controlada por uma válvula
solenóide, dotada de uma bobina, que, quando energizada, atrai o
obturador pelo campo eletromagnético formado, abrindo a passagem do
combustível.
56. Válvula Principal De Saída De Vapor
Permite a vazão de todo o vapor produzido pela caldeira. Na maior
parte das aplicações são válvulas do tipo globo, por assegurarem
controle mais perfeito da vazão.
A válvula conhecida como gaveta, aplica-se em grandes unidades, sem
responsabilidade sobre o controle da vazão.
57. Válvula De Alimentação
Destinam-se a permitir ou interromper o suprimento de água no gerador
de vapor. São do tipo globo com passagem reta (figura 5.15).
Fig.5.15
58. Válvulas de Escape de Ar
Outra válvula do tipo globo que controla a saída ou entrada de ar na
caldeira, nos inícios e fins de operação. Apresenta dimensões de ¾
"a 1".
59. Válvula de Retenção
Geralmente, á válvula de alimentação permanece totalmente aberta. As
válvulas de retenção, colocadas logo após a anterior, impedem o
retorno da água sob pressão do interior da caldeira (figura 5.16).
figura 5.16
60. Válvulas de Descarga
Também conhecidas como válvulas de dreno, permitem a purga da
caldeira.
Estão sempre ligadas às partes mais inferiores das caldeiras. O lodo
do material sólido em suspensão, geralmente acumulado no fundo dos
coletores ou também inferiores das caldeiras é projetado
violentamente para fora da unidade, quando se abrem estas válvulas.
Há dois tipos de válvulas de descarga que se instalam em série:
1. Válvula de descarga lenta, cuja função principal é assegurar a
perfeita vedação do sistema. É uma válvula de passagem reta do tipo
globo.
2. Válvula de descarga rápida, que abre a secção plena instantaneamente,
assegurando a vazão da água com violência capaz de arrastar os
depósitos internos.
Além da descarga de fundo, caldeira de certo porte, recebem outro
sistema de descarga para assegurar uma dessalinização contínua da
água, feita por meio de válvula globo agulha.
61. Válvula de Vapor de Serviço
É uma válvula do tipo globo , cuja secção corresponde a 10% da
válvula principal. Sua função é assegurar o suprimento de vapor para
acionamento de órgãos da própria caldeira, como:
1. bombas de alimentação
2. aquecimento de óleo
3. injetores
62. Válvulas de Introdução de Produtos Químicos e de Descarga Contínua
São ambas do tipo globo agulha de fina regulagem.
A primeira emprega-se quando se procede o tratamento interno de água
da caldeira, permitindo a vazão regulada de produtos químicos.
A segunda assegura a descarga contínuo da caldeira, a fim de manter a
concentração de sólidos totais em solução na água, aquém dos limites
máximos permitidos para evitar incrustações.
63. Válvulas de Alívio
É uma válvula instalada na parte superior do préaquecedor de óleo,
para evitar que o óleo combustível atinja pressões superiores aos
níveis adequados no mesmo.
64. Tubulações
Rede geral de alimentação de água.
Esta rede se inicia no fornecedor de água para a caldeira.
A rede de água não deve ter vazamentos.
É recomendável que a água sofra um tratamento químico antes de ser
bombeada para dentro da caldeira.
Considerando que foi feito o tratamento, a água é bombeada para o
interior da caldeira, passando antes pelo preaquecedor (se a caldeira
assim estiver equipada).
Nesse trecho, dependendo da caldeira, há todo um jogo de dispositivos
automáticos que controlam o momento em que deve ser a água adicionada
e o momento que ela já é suficiente, ativando e desativando a bomba.
Se a água for lançada na parte onde tem vapor, estando ela bem mais
fria, provocará um choque térmico, que poderá causar sérias
conseqüências. Portanto, a admissão é feita abaixo do nível de água
e o mais distante possível da fornalha.
Não se deve injetar água fria em caldeira quente quando o nível
d'água estiver baixo. Deve-se diminuir o fogo a até apagá-lo,
esfriando a caldeira. Caso isto não seja observado, corre-se o risco
do choque térmico e da provável implosão da caldeira.
Rede Geral de Óleo Combustível
Esta rede começa no reservatório principal de combustível, conduzindo
o mesmo até a bomba e daí ao combustor. Os esquemas de distribuição
do combustível variam, pois dependem do projeto do fabricante.
De maneira geral, dispositivos elétricos controlam a bomba e dosam o
fluxo de combustível para a mistura correta com o ar.
Se a rede de água não deve ter vazamentos, esta menos ainda. Os
combustíveis são inflamáveis, portanto podem provocar acidentes.
Além disso, criam ainda outra condição insegura no trabalho, pois
eliminam o atrito e o operador pode acidentar-se por quedas, etc.
Rede de Drenagem
Esta é a rede que sai da parte mais baixa da caldeira e vai terminar
fora da caldeira. Próximo da caldeira ela tem uma válvula comum. A
rede conduz uma mistura de água e vapor para um local protegido, onde
não possa atingir algumas pessoas. O objetivo é drenar a caldeira,
isto é, eliminar os detritos, sujeiras e composto de corrosão que se
acumulam dentro dela.
Esta rede, normalmente, é acionada manualmente e convém estar
protegida.
Rede de Vapor
O vapor é um fluido pouco corrosivo, para o qual os diversos
materiais podem ser empregados, até a sua temperatura limite de
resistência mecânica aceitável.
Os limites de temperatura estão fixados, principalmente em função da
resistência à fluência dos diversos materiais. Os tubos do aço (de
qualquer tipo), são ligados com solda de encaixe para diâmetro até 1
½ - 2", e com solda de topo para diâmetro maiores.
Em quaisquer tubulações para vapor, é muito importante a perfeita e
completa drenagem do condensado formado, por meio de purgadores.
Para auxiliar a drenagem, é feita, algumas vezes, a instalação dos
tubos com um pequeno caimento constante na direção do fluxo,
principalmente em linhas de vapor saturado, onde é maior a formação
de condensado. Alguns projetista têm por norma colocar, também ,
eliminadores de ar nos pontos altos das tubulações.
Todas as tubulações de vapor devem ter isolamento térmico.
- Registro de saída de vapor - estabelece demanda de vapor para os
utilizadores.
- Rede de vapor para preaquecimento óleo combustível no preaquecedor
- Estabelece demanda de vapor preaquecimento de óleo combustível no
preaquecedor.
- Rede de vapor para preaquecimento do óleo combustível no tanque de
armazenamento
- Estabelece demanda de vapor para preaquecimento do óleo combustível
no tanque de armazenamento.
5.7.4 OUTROS ACESSÓRIOS
5.7.4.1 PREAQUECEDOR DE AR
O preaquecedor de ar é um equipamento que tem a finalidade de
aproveitar o calor dos gases no aquecimento do ar necessário à
combustão (figura 5.17). O preaquecedor transfere o calor dos gases
quentes para o ar que está entrando para a combustão.
Fig.5.17
Classificação
Os preaquecedores podem ser classificados de acordo com o princípio
de operação, em:
a) Preaquecedor regenerativo
Nos preaquecedores regenerativos, o calor dos gases de combustão é
transferido indiretamente para o ar, através de um elemento de
"armazenagem", por onde passa o ar e o gás de combustão,
alternadamente, conforme desenho esquemático da figura 5.18.
Preaquecedor de ar regenerativo
Fig.5.18
b) Preaquecedor com colmeia metálica
Esse preaquecedor é constituído de placas de aço finas e corrugadas
que são aquecidas quando da passagem dos gases de combustão e
resfriadas quando da passagem do ar. Seu formato assemelha-se a uma
roda gigante, girando lenta e uniformemente (figura 5.19).
Fig.5.19
c) Preaquecedor com colmeia refratária
Os gases quentes, ao passarem pela colmeia refratária trocam o calor
com o frio para a combustão (figura 5.20).
Fig.5.20
5.7.4.2 ECONOMIZADOR
Sua finalidade é aquecer a água de alimentação da caldeira (ver
esquema da figura 5.21). Está localizado na parte alta da caldeira
entre o tambor de vapor e os tubos geradores de vapor sendo que os
gases são obrigados a circular através dele, antes de saírem pela
chaminé.
Fig.5.21
Existem vários tipos de economizadores e na sua construção podem ser
empregados tubos de aço maleável ou tubo de aço fundido com aletas.
Os economizadores podem ser:
SEPARADO
Usados nas caldeiras de baixa pressão (25 kg/cm2) e construído
geralmente de tubos de aço ou ferro fundido com aletas; no seu
interior circula a água e por fora os gases de combustão.
INTEGRAL
Empregado na maioria dos geradores de vapor, apesar de requerer mais
cuidados que o economizador em separado. Deverá ser retirado da água
de alimentação todo o gás carbônico e o oxigênio, isto porque, quando
estes elementos são aquecidos aumentam a corrosão dos tubos. Este
economizador tem grande capacidade de vaporização e é constituído por
uma serpentina e tubos de aço maleável.
A corrosão nos tubos dos economizadores pode ser tanto de dentro para
fora como de fora para dentro. Os furos de fora para dentro são
causados pelos gases que aquecem e arrastam enxofre contido no óleo.
Ao se juntarem com o oxigênio e com outros elementos contidos nos
gases, formam um poderoso agente corrosivo (Ácido sulfúrico, por
exemplo). Os furos de dentro para fora são causados pela circulação
da água não tratada que contém oxigênio e gás carbônico, principais
agentes da corrosão interna dos tubos.
5.7.4.3 SUPERAQUECEDORES
a) Considerações sobre o vapor saturado superaquecido.
Se aquecermos água em um recipiente fechado, quando a água atingir
uma certa temperatura esta se transforma em vapor (temperatura de
100ºC aproximadamente, ao nível do mar). Enquanto existir água
dentro do recipiente, o vapor será saturado e a temperatura não
aumentará.
Mantendo-se o aquecimento até que toda a água se evapore teremos o
vapor superaquecido, com o conseqüente aumento de temperatura.
Este processo de superaquecimento do vapor seria impraticável nas
caldeiras, pois quando a água evaporasse, os tubos se queimariam e
também não haveria uma demanda suficiente na rede de vapor. Assim
sendo, empregamos aparelhos destinados a elevar a temperatura do
vapor sem prejuízo para a caldeira.
O vapor saturado é mais indicado para uso em aquecimento, pois devido
à mudança de fase permite a troca de calor a temperatura constante,
apresentando como inconveniente a grande formação de condensado.
O vapor superaquecido é utilizado em turbinas a vapor, devido a
ausência de umidade exigida para operar nessas turbomáquinas por
questões de deteriorização das pás, vibração e queda de rendimento.
Contudo existem situações de utilização do vapor superaquecido para
aquecimento e processo, é o caso em que se tem extensas tubulações de
vapor, isto é, a parcela de calor de superaquecimento serve para
vencer as perdas térmicas da linha, chegando ao processo como vapor
saturado com um mínimo de umidade (~2%), necessário a determinados
processos industriais.
b) Processo de superaquecimento de vapor
Para superaquecer o vapor empregam-se aparelhos denominados
superaquecedores. Estes aparelhos normalmente aproveitam os gases da
combustão para dar o devido aquecimento ao vapor saturado,
transformando-o em vapor superaquecido.
Os superaquecedores são construídos de tubos de aço em forma de
serpentina cujo diâmetro varia de acordo com a capacidade da
caldeira. Estes tubos podem ser lisos ou aletados.
Quando instalados dentro das caldeiras estão localizados atrás do
último feixe de tubos, entre dois feixes de tubos, sobre os feixes de
tubo ou ainda sobre a fornalha (figura 5.22). A caldeira pode,
apresentar o superaquecedor em separado (figura 5.23). Neste caso,
ele dependerá de uma fonte de calor para o aquecimento; normalmente,
é instalada uma outra fornalha.
Figura 5.22
Fig.5.23
5.7.4.4 PURGADORES
São dispositivos automáticos que servem para eliminar o condensado
formado nas linhas de vapor e nos aparelhos de aquecimento, sem
deixar escapar vapor.
Os bons purgadores, além de remover o condensado, eliminam, também, o
ar e outros gases incondensáveis, (CO2, por exemplo), que possam
estar presentes.
6. TIRAGEM
É o processo de retirada da caldeira para a atmosfera, dos gases
provenientes da combustão. A tiragem pode ser efetuada de várias
maneiras: natural, forçada e mista.
6.1 TIRAGEM NATURAL
Quando normalmente sem a ajuda de equipamentos especiais o ar entra
na fornalha, alimenta a chama e sai pela chaminé, graças a diferença
de temperaturas existentes na sua base e no seu topo.
6.2 TIRAGEM FORÇADA E INDUZIDA
No caso em que os gases são eliminados com a ajuda de ventiladores
sopradores, a tiragem chama-se forçada (figura 6.1), podendo
apresentar várias disposições construtivas. Suas dimensões porém,
dependem da capacidade da caldeira para um suficiente suprimento de
ar de combustão e para que os gases sejam totalmente eliminados).
Nas caldeiras em que os gases são eliminados através de exaustores,
aspirando os gases e projetando-os para a atmosfera, a tiragem é
chamada induzida (figura 6.2).
Tiragem Forçada
Fig.6.1
As caldeiras que possuem este tipo de tiragem são chamadas de
caldeiras despressurizadas e precisam ter muito boa vedação para
evitar a entrada de ar falso, através de suas paredes ou duplos
invólucros.
Tiragem Induzida
Fig.6.2
6.3 TIRAGEM MISTA OU BALANCEADA
Neste sistema, são empregados dois ventiladores sendo que um deles tem a
finalidade de introduzir o ar dentro da caldeira (ventilador soprador) e o
outro tem a finalidade de retirar o ar da caldeira (ventilador exaustor),
conforme esquema da figura 6.3.
Tiragem mista
Fig.6.3
6.4 CONTROLE DE TIRAGEM
Para que uma caldeira possa ter um bom funcionamento, a tiragem tem
que ser muito bem controlada. Este controle é feito por registros
colocados no circuito dos gases. Estes registros constam de uma ou
mais palhetas que podem ser comandada manual ou automaticamente,
chamados de "dampers".
6.5 CHAMINÉ
Ajudam a tiragem devido à diferença entra a sua base e o seu topo,
provocada pela diferença de temperatura dos gases da combustão.
As chaminés podem ser construídas de chapas de aço ou de alvenaria,
empregando-se tijolos comuns. Em qualquer dos casos, sua construção
deve ser muito rigorosa, levando-se em conta a quantidade e a
velocidade dos gases da base, do tipo de material empregado e a
pressão atmosférica no local. Em nenhuma hipótese poderão existir
fendas que possibilitem a entrada falsa de ar.
Pela chaminé deverão sair o gás carbônico (CO2), vapor d'água (H2O) e
outros compostos. Isso, porém, na maioria das vezes não ocorre e
junto com o gás carbônico há um grande desprendimento de fuligem que
contribui para a poluíção da atmosfera.
A fumaça que sai pela chaminé, quando apresentar uma coloração clara,
pode indicar um pequeno excesso de ar e quando sua coloração for
escura, indica a presença de combustível não queimado pela
deficiência na alimentação de ar, de forma a atingir uma relação ar-
combustível adequado.
A maneira mais segura de determinar as quantidades de gás carbônico
que se desprendam pela chaminé é fazer uma análise com aparelhos
indicadores.
7. COMBUSTÃO E COMBUSTÍVEL
7.1 DEFINIÇÕES
COMBUSTÃO
A combustão é produzida pela reação química de duas substâncias:
combustível e comburente.
COMBUSTÍVEL
É a substância que queima e contém em sua composição, principalmente,
carbono e hidrogênio, além de outros que o compõe.
CLASSIFICAÇÃO DOS COMBUSTÍVEIS
Os combustíveis podem ser classificados em:
a) SÓLIDOS
madeira, turfa, linhito, lulha, carvão vegetal, coque de carvão,
coque de petróleo, etc.
b) LÍQUIDOS
petróleo, óleo de xisto, alcatrão, álcool e óleos vegetais.
c) GASOSO
metano, hidrogênio, GLP (butano e propanol), gás de coqueira
(siderurgica), gasogênio, biogás, etc.
COMBURENTE
É o elemento que entra na reação de combustão como fonte de oxigênio.
REAÇÕES DA COMBUSTÃO
Na combustão, a reação que ocorre é denominada, basicamente, de
oxidação. A fonte usual é o oxigênio do ar atmosférico. O oxigênio
está contido no ar atmosférico na proporção de 23% em percentagem por
peso atômico ou 21% em percentagem volumétrica.
C + O2 (CO2 + 8.100 Kcal/kg C
C + ½ O2 (CO + 2.400 Kcal/kg C
2H2 + O2 (2H2O (L) + 34100 Kcal/kg H2
S + O2 (SO2 + 2.200 Kcal/kgS
Observa-se pelas reações anteriores, que se deve, sempre, orientar a
queima no sentido de se obter o CO2 pois assim se tem uma maior
liberação de calor.
Na prática, queima-se combustíveis que não se compõem, apenas, de
carbono (C), mas também de hidrogênio (H2) e enxofre (S), conforme
visto nas reações acima.
A combustão é completa quando todos elementos combustíveis contidos
no combustível em questão (C, H2 S, etc.), se combinam com o
oxigênio do ar, fornecendo os produtos finais correspondentes. A
seguir é exposto as principais exigências de um eficiênte processo de
combustão:
a) o comburente deve formar com o combustível uma mistura homogênea. O
uso de queimadores apropriados, bem como a temperatura correta do
óleo são fatores essenciais para uma queima ideal. Estes fatores
propiciam a gaseificação do combustível.
b) o comburente deve estar em quantidade suficiente em relação ao
combustível para que a reação química da combustão seja completa.
Deve-se trabalhar com o mínimo de excesso de ar.
c) quanto maior a viscosidade do combustível, mais difícil será a sua
pulverização, ou seja, mais difícil será a sua divisão em gotículas.
O preaquecimento do óleo combustível é fundamental para se atingirem
os limites adequados de viscosidade necessários para uma boa
pulverização.
Tendo em vista a variação de viscosidade do óleo combustível, a
temperatura de aquecimento não é fixa, devendo ser ajustada, quando
necessário. É importante salientar que esta temperatura não deve
aproximar-se muito do ponto de fulgor do óleo combustível.
7.2 CÁLCULO DO AR NECESSÁRIO À COMBUSTÃO - COMBUSTÍVEL LÍQUIDOS
A combustão é completa quando a quantidade de ar é a necessária e
suficiente para oxidar os elementos constituintes do combustível
utilizado.
Havendo combustão incompleta teremos fuligem, aldeído e monóxido de
carbono, além de não ocorrer a liberação total do calor do
combustível.
A quantidade teórica de ar necessária à combustão pode ser calculada
pela seguinte fórmula:
mtar = 11,5 C + 34,8 (H-O/8) + 4,35. S
Onde
mtar = massa teórica de ar necessária a combustão (kg ar/kg comb).
Os percentuais de água, cinzas e enxofre são obtidos em laboratório,
ou especificados pelo fornecedor do combustível.
Exemplificando, podemos considerar a queima de um óleo combustível
tipo A (BPF), com a seguinte composição média:
C = 84%, H2 = 11%, S = 4% e O2 = 1%
mtar = (11,5 - 0,84) + 34,8 (0,11 - )+ (4,35 x 0,04)
mtar = 9,66 + 3,7845 + 0,174
mtar = 13,62 kg ar/kg óleo
Dessa forma, teremos: 13,6 kg ar/kg BPF
Considerando que o ar possuí 23% em percentagem por peso atômico do
oxigênio, então teremos:
O2 = 0,23 x 13,6 = 3,1 kg O2 / kg de BPF.
Exercicio:
1) Calcular a relação ar/combustível teórico para um combustível com
a seguinte composição: C= 81%, H2= 10%, S = 8%, O2 = 0,5%, cinzas =
0,5%.
2) Determine o volume de ar real necessário à queima do combustível
do exercicio 1 nas seguintes condições de pressão e temperatura: 27ºC
e 700 mmHg:
Solução:
PV = mRT
P = 700 mmHg = 93,325 (Kpa) , 1 bar = 102 Kpa = 750,064 mmHg.
T = 273 = 27 = 300 (K)
RAR =
mtar , calculado no exercicio 1.
7.3 ESTEQUIOMETRIA DA COMBUSTÃO
Proporção correta do volume de ar x combustível queimado:
Sabemos que a combustão é perfeita quando a quantidade de ar
utilizada é a necessária e suficiente para a completa combustão.
Cada unidade de peso de determinado combustível requer uma quantidade
determinada de ar. Dependendo da temperatura ambiente, esta
quantidade de ar corresponderá a um dado volume.
Este volume de ar necessita entrar na câmara de combustão na
proporção correta em relação ao combustível queimado.
Se a proporção de ar e combustível não for mantida haverá
insuficiência ou excesso de ar e, consequentemente, perda de
eficiência no processo.
Determinados combustíveis exigem maior ou menor excesso de ar, já que
a combustão perfeita é quase impraticável. Partindo-se de uma
análise elementar de um óleo combustível, chegou-se à conclusão que
um quilo de óleo ao queimar, necessita de, aproximadamente, 13,6 kg
de ar. Como na prática não se consegue uma atomização perfeita nem
se garante que todo o ar admitido possa misturar-se intimamente com o
óleo durante o processo de combustão, é normal admitir-se um excesso
de ar, além do teóricamente necessário, a fim de se garantir a queima
perfeita do combustível. Logicamente é necessário controlar esse
excesso de ar, de forma tal que ele atinja níveis mínimos, pois o ar
que não participa de combustão tende a retirar calor da chama, sem
contribuir para a reação, além do que, estaremos aquecendo um volume
de ar desnecessariamente, o que implicará num aumento de velocidade
de circulação dos gases quentes, com conseqüente perda de calor pela
chaminé.
7.4 CONTROLE DE AR EM EXCESSO E EM FALTA
A forma mais prática e rápida de se calcular o calor perdido através
dos gases de combustão é pela medição de sua temperatura na base da
chaminé, associando-se ao teor de CO2 medido no mesmo ponto.
Como foi visto, sabemos que o excesso de ar reduz a percentagem de
CO2 presente nos gases de combustão, pois para o mesmo volume de CO2
teremos aumentado o volume total dos gases.
As medições do teor de CO2 nos gases de combustão são efetuadas por
meio de um medidor de CO2 tipo "Firyte" ou "Orsat". Esse tipo de
medidor de CO2 funcionam pela absorção deste gás por uma solução de
hidróxido de potássio concentrada contida numa coluna graduada, que
fornece o teor de CO2 por leitura direta. Com a determinação dos
valores de CO2 e temperatura, obteremos informações tais como: a
perda percentual de calor pela chaminé e a percentagem de excesso de
ar.
8. ÁGUA DE ALIMENTAÇÃO DAS CALDEIRAS
As águas de alimentação de caldeiras provêm de fontes naturais como
poços, lagos, córregos, rios, e de outros mananciais contendo
reservas deste fluido.
Conforme a sua procedência, tais águas podem conter diferentes
produtos dissolvidos ou em suspensão, em concentrações bem diversas.
O emprego direto das águas "in natura", como água de alimentação de
caldeiras, implica num processo de evaporação da fase líquida, com
conseqüentes concentrações dos produtos minerais dissolvidos.
Outros produtos, entretanto, também se liberam, tais como gases
dissolvidos existentes na fonte fornecedora ou mesmo resultante da
decomposição de matérias orgânicas igualmente presentes.
Os resíduos, após a evaporação da fase líquida, formam depósitos
sobre as superfícies metálicas das caldeiras, com aderências de
diferentes tipos, de conformidade com a natureza do material
acumulado. Certos produtos depositados, permanecem na forma de um
lodo de fácil remoção; outros se incorporam a própria parte metálica
na forma de resíduos resistentes, de remoção mais difícil,
constituindo um depósito denominado pêlos caldeireiros de
incrustações.
Como esses depósitos incrustantes, são fracos condutores de calor,
seu acúmulo sobre as superfícies metálicas tendem a criar maiores
resistências ao escoamento do calor, contribuindo para uma sensível
diminuição do Coeficiente de Condutividade entre os gases quentes e a
água situada no interior da tubulação. Evidentemente, diante de uma
condição de trabalho que prejudica a troca de calor entre os fluidos
do processo, a caldeira, passa a produzir menor quantidade de vapor e
a apresentar uma diminuição no seu rendimento térmico.
8.1 UNIDADES ADOTADAS
A unidade mais universal para exprimir a concentração das substâncias
em solução nas águas naturais é o ppm, ou seja, partes por milhão.
Conhecem-se outras unidades mais comuns nas análises inglesas:
gpg= grãos americanos por galão
pts/100.000= partes por 100.000 partes de água
gpg imp= grãos por galão inglês
Entre as diferentes unidades há as seguintes equivalências:
1 gpg = 17,1 ppm
1 ppm= 1 mg/l = 1 g/m3
1 ppm = 0,0583 gpg = 0,07 gpg imp = 10lb/1.000.000 galões ingleses
As análises são sempre feitas com referência ao volume de água e não
ao pêso, assumindo o pêso de 1 kg por cada litro de água sem levar em
conta a correção pela temperatura.
8.2 ANÁLISE DA ÁGUA
Toda água de alimentação deve ser conhecida e controlada. Baseado no
fato de se conhecer quais as impurezas normais das águas naturais,
foram formulados métodos simplificados suficientemente satisfatórios
para assegurar um controle rotineiro.
O método consiste na determinação dos seguintes valores:
65. dureza
66. alcalinidade
67. cloretos
68. fosfatos
69. pH
Certas águas obrigam a determinação de outros dados como sejam:
70. sólidos totais
71. resíduos calcinado
72. matéria orgânica
73. concentração de O2 livre.
74. sílica.
4. Dureza - O grau de dureza exprime a concentração dos sais de cálcio
seja na forma de carbonato, sulfato silicato ou cloreto. Pode ser
expressa em grau alemão, francês ou inglês, entre os quais há uma
relação:
Grau F = 0,5 grau A Grau A = 0,7 grau I
O grau F eqüivale a 10 mg CaCO3/litro
O grau I eqüivale a 14,3 mg CaCO3/litro
O grau A eqüivale a 10mg CaCO3/litro
5. Alcalinidade - Exprime a presença de ions dos sais de bicarbonato,
carbonatos, hidróxidos, fosfatos, silicatos, etc., ou seja, todos os
que contribuem para a alcalinidade da água. Destes os mais
expressivos são os carbonatos e hidróxidos.
6. Cloretos - São geralmente muito solúveis, sejam de cálcio, magnésio,
sódio, ferro e outros. Sua determinação se faz com solução de
Nitrato de Prata N10 padrão empregando como indicador o Cromato de
Potássio. Estes sais, por serem altamente solúveis permitem, em
primeira aproximação, estabelecer a porcentagem de descarga da
caldeira.
7. Fosfatos - Os sais de fosfatos são auxiliares valiosos no
tratamento de água. Geralmente não comparecem nas águas naturais.
Sua determinação se processa com reagente de molibdato de amônio.
A concentração é feita por teste colorimetrico comparativo com escala
padrão. A intensidade da côr é proporcional à concentração do
fosfato. A escala comparativa já indica a concentração dos
fosfatos.
8. pH - Indica a acidez ou alcalinidade das águas. As águas naturais
são geralmente ligeiramente ácidas: 6,3 - 6,5 pH.
O pH é determinado por escala comparativa de indicadores padrões.
9. Matéria orgânica - Podem comparecer nas águas na forma coloidal ou de
algas microscópicas, respondendo por sérios problemas de corrosões
nos superaquecedores e também nas caldeiras. Sua determinação se faz
pelo processo do permanganato.
10. Gases dissolvidos - As águas naturais contém sempre gases
dissolvidos. O CO2 se apresenta com concentração até 50 ppm, porém,
facilmente eliminável por aquecimento. A solubilidade do oxigênio
chega a ser até 5,7 ml/l à 25ºC. O oxigênio é extremamente
agressivo, atacando o metal da caldeira. O aumento da temperatura da
água acentua a agressividade deste gás. Sua determinação, para
caldeiras de pressões mais elevadas, acima de 21 kg/cm2 é
obrigatória.
O método para determinação do oxigênio exige cuidados especiais e
deve-se a Winkler baseado na rápida ação oxidante do elemento em
soluções de hidróxido manganoso Mn (OH)2.
11. Sílica - É responsável pelas incrustações mais difíceis de serem
removidas das superfícies metálicas. Sua determinação se faz por
processo quantitativo.
12. Sólidos totais - É a soma dos sólidos em suspensão e dos sólidos
dissolvidos. Os sólidos totais são uma medida da possibilidade de
formação de espuma, arraste de sílica volátil e formação de
depósitos. Supondo que o tratamento d'água está obtendo o máximo de
eficiência possível, é necessário purgar a caldeira para reduzir sua
concentração. Esta purga é realizada pela extração de superfície,
que é uma purga contínua e, quando necessário, pela extração de
fundo, que é uma purga intermitente, limitando assim a concentração
de sólidos totais admissíveis na água de caldeira, cujo teor
tolerável é inversamente proporcional à pressão de operação, como se
segue:
8.3 TRATAMENTOS E APARELHAGENS
Basicamente apresenta-se em dois métodos sempre associados, o
primeiro método denominado de TRATAMENTO EXTERNO, proporciona o
melhoramento da qualidade da água antes de sua introdução no gerador
de vapor. O outro método é chamado de TRATAMENTO interno realizando
as reações químicas de tratamento no interior da própria caldeira.
8.3.1 TRATAMENTOS EXTERNOS
O primeiro passo no tratamento da água é sua clarificação a fim de
remover todas as partículas sólidas existentes em suspensão
responsáveis pela sua turbidez.
O método tradicional de simples filtração só obtém resultado quando a
água procede de poços artesianos profundos, os quais as vezes já
dispõe de uma água límpida, embora fortemente carregada de sais
dissolvidos.
Nessa hipótese, a aplicação de um filtro de areia aberto com remoção
das impurezas por gravidade ou uma variante de filtro auto lavável,
também aberto, atendem as necessidades do processo. Na ausência de
espaço para se instalar um filtro deste tipo, se recorre a um filtro
de camadas de areia e antracito, fechado, compacto que promove a
circulação da água sob pressão até no máximo de 10 m c.a. (vide
fig.8.1). Quando a pressão interna do vaso do filtro acusa valores
superiores a pressão atrás indicada promove-se uma inversão do fluxo
da água que passa a circular no sentido ascendente, arrastando para o
esgoto todo o material acumulado sobre a camada superior de areia.
Esta operação se prolonga até o visor existente no circuito, acusar
passagem de água límpida, com duração aproximada de 5 a 10 minutos.
Fig.8.1
Naturalmente durante esta limpeza o suprimento de água fica
interrompido, razão pela qual, ser de boa norma, instalar dois
aparelhos em paralelo. Enquanto um deles atende a operação de
limpeza, o segundo continua suprindo água ao processo.
A periodicidade da operação limpeza depende da qualidade da água,
porém, na maioria dos casos não ultrapassa 24 horas com um mínimo de
12 horas.
Todavia, a turbidez da água igualmente se deve a presença de matérias
coloidais dificilmente retidas nos filtros anteriores. Esta
ocorrência é comum nos mananciais de superfícies que agregam águas
correntes com todos os tipos de rejeitos por onde passam, humanos,
vegetais e minerais.
Dificilmente hoje se encontra um córrego, rio ou lago que disponha de
água límpida sendo forçoso o acréscimo de um pré tratamento, antes da
filtração, denominado clarificação.
Os aparelhos clarificadores recebem a água bruta tal qual procedem
das fontes de suprimento juntamente com agentes coaguladores que
promovem a formação de flocos gelatinosos dotados de grande
capacidade de absorção das impurezas existentes no fluido.
Os agentes coagulantes minerais mais divulgados são compostos de
ferro e de alumínio estes últimos de maior aplicação.
O hidróxido de alumínio formado no aparelho com o aspecto de flocos
gelatinosos vão paulatinamente decantando, arrastando para o fundo do
aparelho toda a turbidez da água.
Os aparelhos destinados a formar os flocos são denominados
floculadores, os destinados a decantar são os decantadores. As duas
funções podem ser verificar num único aparelho denominado
Clarificador. A figura 8.2 mostra um esquema de um decantador
estático tipo cilíndrico cônico.
Decantador Cilindrico Cônico
Fig.8.2
A água límpida a seguir deve ser submetida a outros tratamentos para
eliminar as impurezas dissolvidas. Serão parâmetros determinantes na
decisão do processo de tratamento a ser adotado, a qualidade da água,
a pressão da caldeira e a pureza do vapor.
Determinadas águas uma vez isentas de turbidez, podem ser
introduzidas diretamente no interior das unidades geradoras de vapor
de baixa pressão, e ali serem submetidas ao chamado tratamento
interno descrito páginas adiante.
Caldeiras de maior responsabilidades, principalmente aquelas que se
destinam a suprir vapor para centrais térmicas exigem águas
absolutamente isentas de impurezas.
A segunda etapa dos tratamentos externos praticados pela tecnologia,
encontram-se aqueles que promovem apenas o abrandamento da água, ou
seja, que eliminam a sua dureza, e outros projetados para fornecer
uma água totalmente desmineralizada. Em ambos, em seguida, se
acrescenta a desgaseificação.
8.3.1.1 ABRANDAMENTO
Existem na literatura diversos métodos para se obter o abrandamento
da água, dentre eles o mais difundido atualmente é o abrandamento por
troca de íons. Este método se baseia na propriedade de certas areias
naturais que imersas em água provocam um intercâmbio de íons.
O abrandamento da água consiste em passar a água dura através de uma
coluna de resina aniônica a base de sódio. O sódio presente na
resina substituí o cálcio e o magnésio da água num processo contínuo
até o seu exaurimento, momento a partir do qual se torna forçoso a
regeneração. Neste estágio se interrompe a passagem da água a ser
tratada substituíndo-a por uma solução de cloreto de sódio a qual
recompõe o cátion consumido e remove o cálcio e o magnésio do
aparelho diretamente para o esgoto. Feita a regeneração, volta a
operação.do ciclo de tratamento. A figura 8.3 -a exibe um aparelho
abrandador de um estágio, com tanque de salmoura para regeneração e
todas as tubulações de operação, já a figura 8.3-b representa o corte
em perspectiva de um abrandador de leito misto.
(a)
(b)
a) Instalação de abrandador de um Estágio, b) Corte em Perspectiva de
um Permutador Abrandador de Leito Mixto.
Fig.8.3
8.3.1.2 DESMINERALIZAÇÃO
Efetuada sobre uma série de trocadores de ;íons, é o tratamento
escolhido para a alimentação das caldeiras com pressões acima de
40kgf/cm2, especialmente quando estas caldeiras comportam
superaquecedores ou alimentam turbinas, caso nas usinas térmicas para
geração de potência.
Uma unidade para suprimento de água desmineralizada contém os
aparelhos de troca aniônicos e catiônicos, conforme a exigência da
qualidade da água e se complementa com outros aparelhos como
preparadores das soluções regenerativas, bombas dosadoras e aparelhos
registradores.
8.3.1.3 DESGASEIFICAÇÃO
Tem a finalidade de eliminar todos os gases ainda dissolvidos na fase
líquida, para a atmosfera, como por exemplo o oxigênio, gás
carbônico, sulfídrico e outros.
A eliminação dos gases Normalmente é executada por aparelhagem
específica, denominada DEGASEADOR.
Todavia, unidades que operam com baixas pressões, podem dispensar o
acréscimo da aparelhagem, adotando métodos químicos para atenuar o
efeito corrosivo, sobretudo o oxigênio.
Os produtos mais difundidos neste tipo de tratamento são o Sulfito de
Sódio e a Hidrazina.
A Hidrazina simples ou catalizada vem sendo mais utilizada para
neutralizar a corrosão do oxigênio, porquanto ela seqüestra este gás
dissolvido na água.
75. Aparelhos Desgaseificadores
O degaseador a pulverização (Vide figura 8.4) dispersa a água em
finas gotas através de pulverizadores na câmara de vapor do aparelho
proporcionando um aumento da superfície de contato das fases.
O degaseador de cascata, também conhecido como tipo de bandejas,
operam em contra corrente, despejando a água a partir de um
distribuidor superior na forma de múltiplas cascatas através do qual
o vapor flui em sentido contrário. A fase líquida se aquece ao longo
do percurso até se acumular no vaso de reserva. O vapor, parte
condensa parte escoa pelo escape na atmosfera arrastando consigo os
gases incondensáveis.
Uma variação mais moderna deste tipo, aplica bandejas perfuradas de
forma a criar uma série de jatos cilíndricos de água em queda
vertical aumentando a superfície de contato das fases, conforme
esquema da fig.8.5.
Esquema de um degaseador a pulverização
Fig.8.4
Degaseador de bandejas perfuradas
Fig.8.5
Os gases incondensáveis são arrastados pelas bolhas de vapor em
excesso para a coluna do aparelho que dispõe de uma distribuição da
água de ingresso na forma de cascatas.
O aparelho deste tipo precisa ser rigidamente fixado a base, e todos
os acessórios firmemente atados, dado que a injeção do vapor
diretamente no fundo do vaso cheio de água fria, no início do
processo de aquecimento provoca fortes golpes de aríete pela
instântanea condensação do vapor.
As melhores construções destes aparelhos contém em cada orifício de
distribuição do vapor um misturador para atenuar os efeitos da forte
trepidação resultante do golpe de aríete.
Deve-se acrescentar na instalação destes aparelhos, uma série de
acessórios de controle de nível, da pressão interna de operação, da
pressão do vapor de injeção, manômetros e termômetros, indicadores de
nível, bem como, a providência de adequado isolamento.
Na maioria das instalações de degaseamento, o aparelho opera com uma
pressão interna ligeiramente superior a pressão atmosférica, de
conformidade com a temperatura desejada na água degaseada.
8.3.1.4 REMOÇÃO DA SÍLICA
Como já foi observado anteriormente, a sílica está presente na água
como ácido salicílico e silicatos solúveis. Forma incrustações de
difícil remoção que podem ser retirados pelo tratamento com óxidos
por troca iônica.
8.3.2 TRATAMENTO INTERNO
Aplica-se em água de baixa dureza, não turvas, adicionando-se
produtos químicos que reagem no interior da caldeira.
Há varias composições no mercado, cujas doses são prescritas pêlos
fabricantes em função das impurezas encontradas pela análise da água.
O produto básico destas composições, porém, é o trifosfato de sódio.
É o método mais econômico que consiste em adicionar uma solução dos
sais de tratamento no próprio tanque de alimentação de água ou no
tubo de injeção desta, no interior da caldeira, mediante um dosador
contínuo.
As reações do fosfato no interior da caldeira precipitam os sais de
cálcio, numa forma não aderente a superfície metálica e tornam
altamente solúveis os sais que davam dureza a água.
O precipitado formado pelas reações, sob forma de um lodo, depositam-
se nas partes inferiores da caldeira, de onde são eliminados por meio
de descargas intermitentes.
8.4 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Apesar do tratamento mais rigoroso que se possa adotar, é impossível
eliminar da água todos os sais em solução. Excetua-se o método da
distilação.
A caldeira com a água que produz vapor, portanto, vai acumulando e
concentrando os sais que ingressam com a água. A concentração deve
ser mantida até o limite de solubilidade a partir do qual há
precipitações que concorrem para incrustração, arraste de partículas
sólidas pelo vapor e formação de espuma.
É a descarga da caldeira que mantém a concentração destes sais dentro
dos limites convenientes, além de arrastar o lodo que se acumula nas
partes inferiores da caldeira.
76. FORMAÇÃO DE ESPUMA E ARRASTE.
O arraste consiste de diminutas gotículas de água que são carregadas
pelo vapor no momento que este se desprende da superfície da água.
Em condições normais de operação, o arraste de água é uma
possibilidade remota pois os internos do tubulão superior são
projetados para evitar que isto ocorra. Entretanto, pode ocorrer
este tipo de arraste se houver:
77. danos nos aparelhos separadores de vapor
78. nível alto no tubulão
79. variação brusca de carga
80. presença de espuma no tubulão superior
A formação de espuma é devida a concentração de produtos químicos
provocando redução de tensão superfícial da película de água que
envolvem as bolhas de vapor em geração. As causas da formação espuma
são:
81. excessiva concentração de sólidos na água
82. excessiva alcalinidade cáustica
83. matéria orgânica em suspensão na água como óleo, graxas, etc.
Assim, os produtos químicos são lançados no espaço de vapor e
carregados por ele. A intensidade desta espuma depende da natureza
dos compostos químicos na água da caldeira. O problema de arraste
provoca a formação de depósitos no superaquecedor, nas pás das
turbinas e no sistema de condensado, além de problemas de corrosão e
erosão, nas caldeiras aquotubulares.
Outro contaminante indesejável é o óleo ou graxa presentes na água de
caldeiras os quais são grandes formadores de espuma. Formam também
uma película isolante sobre a superfície interna dos tubos da
caldeira provocando superaquecimento. Dependendo da temperatura,
podem ser carbonizados resultando uma deposição de carbono na
caldeira.
10. BIBLIOGRAFIA
1. Pera, Hildo, Geradores de Vapor de Água .Ed. Fama: São Paulo ,1990
1. Pereira, C.A.A., et all, Geração e Distribuição de Vapor Apostíla
Petrobrás S/A, 1993.
1. DUBBEL, Manual de Construção de Máquinas. Ed. Hemus: São Paulo,
1974.
1. Santos, A.H.M; et all, Instrumentação e Controle Aplicado a Caldeiras
Itajubá: FUPAI, 1993.
1. Canuto, R. , Operadores de Circuitos Fluidos.
1. Apostila Michelin, 1987.
-----------------------