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CENTRO UNIVERSITÁRIO ESTADUAL DA ZONA OESTE
UEZO
CALDEIRAS:
ASPECTOS GERAIS, PRINCIPAIS PARTES E CLASSIFICAÇÃO.
Alunas:
Gysele Martins – mat: 0723800117
Tailand Oliveira – mat: 0723800054
Professor: Bruno Sampaio
Disciplina: Equipamentos Navais
Rio de Janeiro, 2010.
Sumário
1.
INTRODUÇÃO..............................................................
.........................................2
2. ASPECTOS
GERAIS.................................................................
............................3
2.1.
GENERALIDADES..........................................................
......................................3
3. CLASSIFICAÇÃO DAS
CALDEIRAS..............................................................
..4
3.1. CALDEIRAS
FLAMOTUBULARES.........................................................
............4
3.2. CALDEIRAS
AQUOTUBULARES..........................................................
.............6
4. COMPARAÇÃO ENTRE CALDEIRAS FLAMOTUBULARES E
AQUOTUBULARES..........................................................
....................................7
5. CAUSAS DE DETERIORAÇÃO DE
CALDEIRAS.........................................10
5.1.
SUPERAQUECIMENTO.......................................................
...............................10
5.2.
CORROSÃO...............................................................
...........................................11
5.3. DETERIORAÇÃO
MECÂNICA...............................................................
...........11
6. PRINCIPAIS CONCEITOS DE TERMODINÂMICA RELACIONADOS A
CALDEIRAS..............................................................
...........................................12
7.
CONCLUSÕES..............................................................
.......................................13
1. INTRODUÇÃO
Vapor de água é usado como meio de geração, transporte e utilização de
energia desde os primórdios do desenvolvimento industrial. Inúmeras razões
colaboraram para a geração de energia através do vapor. A água é o composto
mais abundante da Terra e portanto de fácil obtenção e baixo custo. Na
forma de vapor tem alto conteúdo de energia por unidade de massa e volume.
As relações temperatura e pressão de saturação permitem utilização como
fonte de calor a temperaturas médias e de larga utilização industrial com
pressões de trabalho perfeitamente toleráveis pela tecnologia disponível,
já há muito tempo.
A finalidade de se gerar o vapor veio da revolução industrial e os meios
da época que se tinha era de pouca utilização, mas o vapor no inicio serviu
para a finalidade de mover máquinas e turbinas para geração de energia e
locomotivas. Com advento da demanda industrial se fez indispensável à
necessidade de cozimentos e higienização e fabricação de alimentos, se fez
necessário à evolução das caldeiras.
Grande parte da geração de energia elétrica do hemisfério norte utiliza
vapor de água como fluído de trabalho em ciclos termodinâmicos,
transformando a energia química de combustíveis fósseis ou nucleares em
energia mecânica, e em seguida, energia elétrica.
O presente trabalho tem como principal objetivo esclarecer o que vem a
ser as caldeiras, bem como, aspectos gerais, partes principais e
classificação.
2. ASPECTOS GERAIS
As caldeiras ou geradores de vapor são equipamentos destinados a
transformar água em vapor. A energia necessária à operação, isto é, o
fornecimento de calor sensível à água até alcançar a temperatura de
ebulição, mais o calor latente a fim de vaporizar a água e mais o calor de
superaquecimento para transformá-la em vapor superaquecido, é dada pela
queima de um combustível.
Segundo a norma regulamentadora de segurança no trabalho, NR-13,
Caldeiras a vapor são equipamentos destinados a produzir e acumular vapor
sob pressão superior à atmosférica, utilizando qualquer fonte de energia,
excetuando-se os refervedores e equipamentos similares utilizados em
unidades de processo.
Na produção de energia, mediante aplicação do calor que desprendem os
combustíveis ao serem queimados nas caldeiras, desenvolve-se o seguinte
processo evolutivo: a água recebe calor através da superfície de
aquecimento; com o aumento da temperatura e atingida a temperatura de
ebulição, muda de estado transformando-se em vapor sob determinada pressão,
superior à atmosférica, para uso externo. A potência calorífica do
combustível converte-se assim em energia potencial no vapor, que na sua vez
transforma-se em mecânica por meio de máquinas térmicas adequadas para a
obtenção de energia elétrica, hidráulica ou pneumática.
1. GENERALIDADES
Essencialmente uma caldeira é um recipiente no qual a água é introduzida
e pela aplicação de calor continuamente evaporada. Qualquer que seja o tipo
de caldeira considerado sempre estará composta por três partes essenciais
que são: a fornalha ou câmara de combustão, a câmara de líquido e a câmara
de vapor.
A fornalha ou câmara de combustão é a parte da caldeira onde se queima o
combustível utilizado para a produção do vapor. As câmaras de água e vapor
constituem as superfícies internas de caldeira propriamente dita. Estão
constituídas de recipientes metálicos herméticos de resistência adequada
que adotam a forma de invólucros cilíndricos, coletores, tubos, etc.,
devidamente comunicados entre eles; na sua face interna contém a água a ser
vaporizada, estando a quase totalidade da superfície externa em contato com
as chamas ou gases da combustão.
3. CLASSIFICAÇÃO DAS CALDEIRAS
Partindo da idéia de direcionar os produtos quentes da combustão através
de tubos dispostos no interior da caldeira surgiu o projeto da caldeira
flamotubular que aumenta a superfície de aquecimento exposta à água e
produz uma distribuição mais uniforme do vapor em geração, através da massa
de água. Em contraste com a idéia precedente, o projeto de caldeiras
aquotubulares mostrou um ou mais coletores unidos por uma grande quantidade
de tubos através dos quais circulava a mistura de água e vapor.
Pode-se dizer que não existe uma classificação precisa das caldeiras
devido a grande variação existente nos tipos fundamentais. Utiliza-se a
seguinte classificação:
Caldeiras flamotubulares;
Caldeiras aquotubulares.
1. CALDEIRAS FLAMOTUBULARES
Podem ser chamadas simplesmente de tubulares, contém a água no interior
de um invólucro dentro do qual encontram-se também as fornalhas e câmaras
de combustão, e os tubos vaporizadores no interior dos quais circulam os
gases da combustão no seu percurso até a chaminé. Nestas caldeiras as
fornalhas, as câmaras de combustão e os tubos estão submersos na água
contida no interior do casco.
As caldeiras flamotubulares são empregadas apenas para pequenas
capacidades e quando se quer apenas vapor saturado de baixa pressão.
Conforme o sentido da direção dos gases no interior das caldeiras, estes
equipamentos poderão ser classificados em:
a) Caldeiras de chama de retorno (de simples ou dupla frente)
Nas caldeiras de chama de retorno (de simples ou dupla frente), os
gases da combustão circulam em um sentido através das fornalhas e câmaras
de combustão, e no sentido oposto pelo interior dos tubos no sentido dos
condutos de fumaça e chaminé.
Figura 3.1 – Caldeiras de chama de retorno ou escocesa
b) Caldeiras de chama direta
Nas caldeiras de chama direta, os gases percorrem um caminho direto
desde a fornalha até os condutos de fumaça para finalmente chegar até a
chaminé.
Ver figura 3.2, de uma caldeira flamotubular de um fabricante
(Kewanee), com legenda a seguir, de detalhamento dos principais
componentes.
Figura 3.2 - Caldeira flamotubular de 3 passes – fabricante Kewanee
Legenda:
1 - Base de aço pesada tipo Skid;
2 - Queimador pressurizado com base própria;
3 - Painel do queimador vedado para proteger o controlador de chama;
4 - Queimador Kewanee, com versões à oleo, gás ou dual;
5 - Portas dianteiras com isolação térmica e dobradiças que permitem um
acesso fácil para inspeção e limpeza dos tubos;
6 - Construção de acordo com o código ASME;
7 - Combinação de coluna d`água, controle da bomba e sensor de nível baixo
de água;
8 - Dois pressostatos, um de operação e outro de segurança;
9 - Tubos de 2½" para os modelos 300-1200, e 2" para os modelos 100-250;
10 - Ampla área de evaporação assegurando vapor seco de alta qualidade;
11 - Jaqueta de aço bitola 22 com isolação espessa de fibra mineral para
diminuir a perda de calor por radiação e proporcionando economia de
combustível;
12 - Duas válvulas de segurança no mínimo, de acordo com o código ASME e
com a norma ABNT.
13 – Olhais de içamento na parte superior da caldeira;
14 - Saída dos gases em forma circular, com flange, localizado na parte
superior traseira da caldeira;
15 – Sistema de 3 passes, com espaço e eficiência otimizados;
16. - Câmara traseira 100% submersa em água, com aumento da área de
transferência de calor.
2. CALDEIRAS AQUOTUBULARES
O emprego deste tipo de caldeira resulta inevitável quando necessária a
obtenção de grandes capacidades e elevadas pressões de vapor. Devido à
subdivisão interna destas caldeiras, em coletores e tubos de pequeno
diâmetro, podem ser construídos com chapas de baixa espessura, resultando
aptas para suportar altas pressões.
Estas caldeiras contêm pequena quantidade de água devido a sua forma;
permitem desenvolver em um reduzido volume uma grande superfície de
aquecimento. A vaporização específica deste tipo de caldeira é muito
superior ao que pode ser obtido nas flamotubulares, sendo, portanto, seu
peso para igual potência, consideravelmente menor.
Quanto a classificação das caldeiras aquotubulares consideramos o peso
por superfície de aquecimento, a inclinação dos tubos vaporizadores e a
circulação interna da água.
De acordo ao sistema de circulação interna da água caldeiras em
aquotubulares podem ser classificadas em:
Caldeiras de circulação natural limitada;
Caldeiras de circulação natural livre;
Caldeiras de circulação natural acelerada;
Caldeiras de circulação forçada.
3. COMPARAÇÃO ENTRE CALDEIRAS FLAMOTUBULARES E AQUOTUBULARES
a) Grau de combustão, vaporização específica e capacidade
As aquotubulares permitem desenvolver graus de combustão muito superiores
aos obtidos nas flamotubulares pelo fato da fornalha não formar parte
integral da caldeira. Desta forma podem ser construídas câmaras de
combustão amplas especialmente apropriadas para queima de petróleo. As
caldeiras aquotubulares possuem maior vaporização específica que as
flamotubulares o que significa que pode ser obtida uma elevada capacidade
(massa de vapor /hora) com caldeiras de pouco peso e volume.
b) Peso e volume
Para igual capacidade, as caldeiras aquotubulares ocupam um volume menor,
sendo também de peso menor que as flamotubulares. A diminuição de peso é
consequência direta da eliminação dos invólucros, casco ou corpo cilíndrico
de grande diâmetro e espessura, como também na redução na quantidade de
água, aproximadamente a décima parte da contida nas caldeiras cilíndricas.
c) Pressão e grau de superaquecimento do vapor
As maiores caldeiras flamotubulares construídas atingem valores de
pressão da ordem de 25 bar. Como a espessura com que deve ser construído o
casco aumenta proporcionalmente com a pressão e diâmetro, poderá se
observar que ultrapassando determinados limites, seria necessário construir
caldeiras com chapa de espessura tal que tornaria sua execução não somente
difícil como de custo excessivamente elevado e de peso consequentemente
exagerado. Por estas razões a pressão de 25 bar pode ser considerada como
limite máximo para este tipo de caldeira.
As caldeiras aquotubulares usando somente coletores e tubos de pequeno
diâmetro são construídas com placas de menor espessura, resultando,
portanto mais aptas para vaporizar sob maior pressão, pelo motivo de que,
para um maior valor deste parâmetro, ao diminuir o diâmetro do recipiente,
a espessura do metal capaz de suportá-la diminui proporcionalmente.
d) Qualidade da água de alimentação
Uma das vantagens das caldeiras flamotubulares se comparada com as
aquotubulares, consiste na possibilidade de alimentá-las com água natural,
no entanto nas aquotubulares é condição fundamental o emprego de água
tratada para evitar não somente a formação de incrustações sobre a
superfície de aquecimento, como também a produção de espuma e ebulição,
conjuntamente com o vapor. Em todos os casos é conveniente o uso de água
tratada.
e) Rendimento térmico
Atualmente o rendimento ou eficiência térmica total que pode ser obtido
nas caldeiras aquotubulares supera o correspondente às caldeiras
flamotubulares. Nas primeiras tem-se obtido rendimentos 80 a 90 % ou
maiores em caldeiras com superaquecedores, economizadores e aquecedores de
ar, sendo nas últimas impossível superar valores de 75 % a 90 % nas
melhores condições de limpeza. A maior eficiência das caldeiras
aquotubulares deve-se à disposição mais racional da superfície de
aquecimento, que favorece a transmissão do calor desenvolvido na fornalha e
especialmente à adoção de superaquecedores de vapor, aquecedores e
economizadores.
f) Condução e limpeza
Devido a limitada quantidade de água que contém as caldeiras
aquotubulares e a sua elevada evaporação específica, deverá ser mantida uma
vigilância constante e cuidadosa do nível de água, especialmente nos casos
onde sejam necessários elevados graus de combustão. As caldeiras
flamotubulares requerem menor atenção pelo fato de possuírem uma grande
massa de água e menor vaporização específica, podendo a renovação ser como
máximo de uma vez a cada hora, no entanto que nas aquotubulares do tipo
leve a totalidade da água da caldeira pode vaporizar de 8 a 10 vezes por
hora em condições de carga máxima. Pelo descrito observa-se que as
variações de nível são rapidíssimas, motivo que tem levado aos fabricantes
a adoção de mecanismos que regulam automaticamente o nível de água no
interior da caldeira para evitar falhas humanas que poderiam levar à perda
da caldeira.
g) Vida útil
Define-se como vida útil de uma caldeira à quantidade de horas de fogo
que pode suportar em condições normais de funcionamento, isto é,
vaporizando à pressão máxima de trabalho admissível para a qual tem sido
projetada. Deve-se considerar que, quando por motivos de segurança
decorrente de falta de conservação adequada ou por desgaste normal da
caldeira, tenha sido reduzida à pressão de descarga das válvulas de
segurança, considerar-se-á como vida útil o tempo anterior a esta operação
e não ao total resultante de computar também a nova utilização da caldeira
com a pressão reduzida.
A vida útil de uma caldeira depende fundamentalmente do método de
trabalho que tenha sido realizado, do sistema de vaporização (regime
constante ou variável), da qualidade da água de alimentação, da freqüência
das limpezas externas e internas etc., motivo pelo qual não é possível
determinar sem cometer erros consideráveis o tempo médio de vida para cada
caldeira. Dependerá além dos cuidados mencionados da experiência e
dedicação do pessoal acargo destas.
h) Continuidade do serviço e segurança
As caldeiras aquotubulares permitem uma maior continuidade de
funcionamento que as flamotubulares, já que se for necessário efetuar um
conserto de urgência, como a troca de um tubo, ou a queda do refratário de
uma fornalha, seu pequeno volume de água poderá ser rapidamente esvaziado,
procedendo-se imediatamente do reparo do tubo ou elemento afetado.
Os casos de reparos em caldeiras tubulares são de maior importância e
requerem na maior parte dos casos um tempo considerável para colocá-las em
condições satisfatórias de trabalho.
No caso da quebra de um tubo ou de explosão, as caldeiras
aquotubulares resultam menos perigosas que as flamotubulares, devido à
grande subdivisão da sua limitada câmara de água e a pequena quantidade que
estas contêm o que faz que a energia potencial acumulada seja muito menor.
Os efeitos que produz a explosão de uma caldeira manifestam-se por urna
força proporcional à pressão e massa de água que contém devido à produção
instantânea de uma enorme quantidade de vapor que se desprende da água ao
descer sua temperatura subitamente a 100°C que corresponde à de vaporização
sob pressão atmosférica.
4. CAUSAS DE DETERIORAÇÃO DE CALDEIRAS
Veremos a seguir três tipos de males que ocorrem em caldeiras, os quais
podem ser agravados pela ocorrência de mais de um simultaneamente.
1. SUPERAQUECIMENTO
O superaquecimento consiste na elevação da temperatura de componentes ou
de partes de componentes, acima da temperatura máxima a que o material pode
resistir sem sofrer danos.
Esta elevação de temperatura localizada pode ser devida:
a) Deposições nas paredes dos tubos:
Externas —> devido ao óleo combustível;
Internas —> devido à incrustação de material existente na água.
b) Incidência de chama, provocada por:
Funcionamento anormal;
Deficiência de montagem;
Defeito do queimador.
c) Circulação deficiente de água devido a:
Obstruções internas;
Falha de alimentação.
d) Deterioração do refratário
2. CORROSÃO
Internamente aos tubos, tubulão, coletores etc., devido a deficiência
de tratamento da água e, no caso da presença de oxigênio( O2 )e
dióxido de carbono (CO2) dissolvidos, devido a má desaeração;
Externamente aos tubos, devido à formação de sais de vanádio, no caso
de o mesmo estar presente no óleo combustível, que agem como
catalisadores na formação de ácido sulfúrico a partir de S02 (formado
pela combustão de produtos de enxofre, que se encontram no óleo
combustível);
Na parte externa da caldeira, devido às condições atmosféricas.
3. DETERIORAÇÃO MECÂNICA
Aparecimento de trincas e ruptura de materiais devido a:
Fadiga térmica;
Fluência ou "creep";
Choques térmicos;
Explosão na câmara de combustão;
Uso impróprio das ferramentas de limpeza;
Recalque das fundações.
5. PRINCIPAIS CONCEITOS DE TERMODINÂMICA RELACIONADOS A CALDEIRAS
De modo geral, as substâncias existem em diferentes fases, que são as
fases sólida, líquida e gasosa. Assim podemos definir como fase uma porção
homogênea de matéria.
Em relação à fase gasosa da substância, utiliza-se o nome vapor para essa
fase quando a substância está próxima de um estado em que parte da mesma
pode condensar-se. O comportamento pressão, volume e temperatura, que para
os Gases Perfeitos é expresso pela equação p.v = R.T, para o vapor, que é
considerado um gás real, essa equação não representa muito bem o
comportamento mencionado. As equações de estado utilizadas para expressar o
comportamento dos gases reais são geralmente muito complexas,
inviabilizando de forma rápida os seus usos. Utiliza- se na maioria das
vezes os diagramas e as tabelas termodinâmicas para diferentes fases das
substâncias. Nesses recursos, são apresentados os diversos valores das
propriedades termodinâmicas, além das três citadas anteriormente, título,
entalpia e entropia.
6. CONCLUSÕES
Através das informações obtidas a respeito das caldeiras, tanto
flamotubular como aquotubular, podemos entender a importância das duas,
sendo que a segunda trás mais vantagens em relação à primeira.
Em relação à funcionalidade em geral, pode-se dizer que existe uma série
de cuidados que devem ser considerados para o melhor funcionamento de tal
equipamento e para aumentar sua vida útil.
Essas caldeiras têm uma variedade de classificações, são muitas, por isso
não nos detivemos em cada tipo e sim de um modo mais abrangente falamos do
que achamos necessário saber para a disciplina de equipamentos navais.
