Instalações em Sistemas
Industriais
Engenharia de Alimentos
Profa. Roberta S. Leone
CALDEIRAS E GERAÇÃO
DE VAPOR
Gerador de vapor é um trocador de calor
complexo que produz vapor a partir de energia térmica (combustível), ar e fluido vaporizante,
constituído por diversos equipamentos associados, perfeitamente integrados, para
permitir a obtenção do maior rendimento térmico possível
DEFINIÇÃO – GERADORES DE VAPOR
Gerador de vapor d’água
Mecanismo: uma caldeira é constituída por um vaso fechado à pressão com tubos, onde se
introduz água, que pela aplicação contínua de calor se transforma em vapor.
Compreende corpo e tubos montados sobre
uma estrutura que envolve a fornalha (local de queima de combustíveis) e a própria caldeira
CALDEIRA
2 tipos fundamentais: baseiam-se na disposição relativa entre os gases da combustão e a água a vaporizar
CADEIRAS FLAMOTUBULARES – os produtos da combustão (gases quentes) atravessam toda a caldeira pelo interior dos tubos, aquecendo e
vaporizando a água contida no corpo envolvendo os tubos
CALDEIRAS AQUATUBULARES – os gases quentes atravessam toda a caldeira por fora dos tubos, no
TIPOS DE CALDEIRA
FLAMOTUBULAR
TIPOS DE CALDEIRA
FLAMOTUBULAR
TIPOS DE CALDEIRA
AQUATUBULAR
TIPOS DE CALDEIRA
FORNALHA:
CINZEIRO – lugar onde se depositam as cinzas e restos de combustível não queimado
QUEIMADOR (combustíveis líquidos) ou GRELHA
(combustíveis sólidos) parte própria para promover a queima de combustível, ou mais precisamente, a sua ignição
CÂMARA DE COMBUSTÃO – volume destinado a
promover a extinção de toda a matéria combustível
COMPONENTES CLÁSSICOS
CALDEIRA PROPRIAMENTE DITA – corresponde ao
vaso fechado à pressão com tubos, contendo a água a ser transformada em vapor
SUPERAQUECEDOR – responsável pela elevação da temperatura do vapor saturado gerado na caldeira propriamente dita, produzindo o vapor
superaquecido
ECONOMIZADOR – parte na qual a água de
alimentação da caldeira sofre uma elevação de sua temperatura, aproveitando o calor residual dos gases da combustão, antes destes serem eliminados pela chaminé
COMPONENTES CLÁSSICOS
PRÉ-AQUECEDOR DE AR – a função é aquecer o ar de combustão para a seguir introduzi -la na fornalha
(calor da chaminé ou calor sensível dos gases de combustão)
CANAIS DOS GASES – são trechos intermediários ou finais de circulação dos gases de combustão, até a chaminé
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
COMPONENTES CLÁSSICOS
O ar frio, ou pré-aquecido, projeta-se na fornalha
oxigênio do ar reage com o combustível (combustão)
Os produtos da combustão com elevada temperatura, por efeito da tiragem do sistema, circulam por todas as partes da caldeira,
Entram em contato com as superfícies de troca de calor até atingirem a chaminé a serem eliminados para a atmosfera
A água, introduzida no interior da caldeira por intermédio de bombas, absorve a maior parte do conteúdo térmico dos gases
COMO FUNCIONA?
Classes de pressão
Grau de automação
Tipo de energia empregada
Tipo de troca térmica
CLASSIFICAÇÃO DAS CALDEIRAS
Classes de pressão:
Categoria A: pressão de operação é superior a 1960kPa (19,98 kgf/cm2);
Categoria C: pressão de operação igual ou inferior a 588 kPa (5,99kgf/cm2) e volume interno igual ou inferior a 100 litros;
Categoria B: caldeiras que não se enquadram nas categorias anteriores.
CLASSIFICAÇÃO DAS CALDEIRAS
Grau de automação:
manuais, semi-automática e automática.
Energia empregada:
combustível sólido, líquido, gasoso, caldeiras elétricas e caldeiras de recuperação.
CLASSIFICAÇÃO DAS CALDEIRAS
CALDEIRAS
FLAMOTUBULARES
Aquelas em que os gases provenientes da combustão (gases quentes) circulam no interior dos tubos,
ficando por fora a água a ser aquecida ou vaporizada
FLAMOTUBULARES
Rendimento mais baixo
Tamanho proporcionalmente maior
Adequada a pequenas instalações industriais
Podem ser de tubos verticais ou horizontais
FLAMOTUBULAR
FLAMOTUBULAR VERTICAL
c c c
c c
c c
c c
c
Os tubos são colocados verticalmente num corpo cilíndrico fechado nas extremidades por placas, chamadas espelhos.
A fornalha interna fica no corpo cilíndrico logo abaixo do espelho inferior
Os gases de combustão sobem através dos tubos, aquecendo e vaporizando a água que está em volta deles
As fornalhas externas são utilizadas principalmente no aproveitamento da queima de combustíveis de baixo poder calorífico, tais como: serragem, palha, casca de café e de amendoim e óleo combustível
FLAMOTUBULAR VERTICAL
CALDEIRA CORNUÁLIA
Constituída de um tubulão horizontal ligando a fornalha ao local de saída de gases
É de funcionamento simples, porém de rendimento muito baixo
FLAMOTUBULAR HORIZONTAL
c c
c
CALDEIRA LANCASTER
É de construção idêntica à anterior, porém tecnicamente mais evoluída
Pode ser constituída de dois a quatro tubulões internos
FLAMOTUBULAR HORIZONTAL
CALDEIRA MULTITUBULAR
A queima de combustível é efetuada em uma fornalha externa, geralmente construída em alvenaria
instalada abaixo do corpo cilíndrico
Os gases quentes passam pelos tubos de fogo, e podem ser de um ou dois passes
A maior vantagem é poder queimar qualquer tipo de combustível.
FLAMOTUBULAR HORIZONTAL
FLAMOTUBULAR HORIZONTAL
CALDEIRA LOCOMÓVEL
Tem como principal característica apresentar uma dupla parede em chapa na fornalha, pela qual a água circula
Facilidade de transferência de local e de poder produzir energia elétrica
É usada em serrarias junto à matéria-prima e em campos de petróleo
FLAMOTUBULAR HORIZONTAL
FLAMOTUBULAR HORIZONTAL
VANTAGENS
custo de aquisição mais baixo
exigem pouca alvenaria
atendem bem a aumentos instantâneos de demanda de vapor
FLAMOTUBULAR
DESVANTAGENS
baixo rendimento térmico
partida lenta devido ao grande volume interno de água
limitação de pressão de operação (máx. 15 kgf/cm²)
baixa taxa de vaporização (kg de vapor / m² . hora);
capacidade de produção limitada
dificuldades para instalação de economizador, superaquecedor e pré-aquecedor
FLAMOTUBULAR
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Corpo
Casco ou carcaça, é construído a partir de chapas de aço carbono calandradas e soldadas
Seu diâmetro e comprimento estão relacionados à capacidade de produção de vapor
Espelhos
são chapas planas cortadas em forma circular, de modo que encaixem nas duas extremidades do corpo da caldeira e são fixadas através de soldagem
Feixe tubular ou tubos de fogo
composto de tubos que são responsáveis pela absorção do calor contido nos gases de exaustão usados para o aquecimento da água
PARTES DA CALDEIRA FLAMOTUBULAR
PARTES DA CALDEIRA FLAMOTUBULAR
CALDEIRAS
AQUATUBULARES
Os tubos que, nas caldeiras flamotubulares, conduziam gases aquecidos, passaram a
conduzir a água
Aumentou muito a superfície de aquecimento
Aumentando bastante a capacidade de produção de vapor
CALDEIRAS AQUATUBULARES
de tubos retos, com tubulão transversal ou longitudinal
de tubos curvos, com diversos tubulões
transversais ou longitudinais utilizados na geração (máximo 5)
de circulação positiva
compactas
TIPOS DE CALDEIRAS AQUATUBULARES
Consistem de um feixe tubular de transmissão de calor, com uma série de tubos retos e paralelos, interligados
a uma câmara coletora. Essas câmaras comunicam -se com os tubulões de vapor (superiores), formando um
circuito fechado por onde circula a água
CALDEIRAS AQUATUBULARES DE TUBOS
RETOS
CALDEIRAS AQUATUBULARES DE TUBOS
RETOS
CALDEIRAS AQUATUBULARES DE TUBOS
RETOS
VANTAGENS
facilidade de substituição dos tubos
facilidade de inspeção e limpeza
não necessitam de chaminés elevadas ou tiragem forçada
CALDEIRAS AQUATUBULARES DE TUBOS
RETOS
DESVANTAGENS
necessidade de dupla tampa para cada tubo (espelhos)
baixa taxa de vaporização específica
rigoroso processo de aquecimento e de elevação de carga (grande quantidade de material refratário)
CALDEIRAS AQUATUBULARES DE TUBOS
RETOS
não apresentam limites de capacidade de produção de vapor
interliga os tubos curvos aos tubulões por meio de solda ou mandrilagem
CALDEIRAS AQUATUBULARES DE TUBOS
CURVOS
CALDEIRAS AQUATUBULARES DE TUBOS
CURVOS
Partindo deste modelo, foram projetadas novas caldeiras
Reduziu-se o número e o diâmetro dos tubos
Acrescentou-se uma parede de água em volta da fornalha
Proteção do material refratário com o qual a parede da fornalha é construída
CALDEIRAS AQUATUBULARES DE TUBOS
CURVOS
CALDEIRAS AQUATUBULARES DE TUBOS
CURVOS
CALDEIRAS AQUATUBULARES DE TUBOS
CURVOS
VANTAGENS
Redução do tamanho da caldeira
Queda da temperatura de combustão
Vaporização específica maior, variando na
faixa de 30 kg de vapor/m² a 50 kg de vapor/m2 para as caldeiras com tiragem forçada
Fácil manutenção e limpeza
Rápida entrada em regime
Fácil inspeção nos componentes.
CALDEIRAS AQUATUBULARES DE TUBOS
CURVOS
CALDEIRAS AQUATUBULARES DE TUBOS
CURVOS
Dentro da categoria das caldeiras de tubos curvos surgiram as caldeiras compactas
Com capacidade média de produção de vapor em torno de 30 ton/h
Equipamentos apropriados para instalação em locais com espaço físico limitado
CALDEIRAS COMPACTAS
Circulação da água nas caldeiras ocorre por diferenças de densidade
Circulação natural provocada pelo aquecimento da água e vaporização
Se a circulação for deficiente, poderá ocorrer um superaquecimento localizado, com
consequente ruptura dos tubos
CALDEIRA DE CIRCULAÇÃO POSITIVA
CALDEIRA DE CIRCULAÇÃO POSITIVA
VANTAGENS
Tamanho reduzido
Não necessitam de grandes tubulões
Rápida geração de vapor
Quase não há formação de incrustações, devido à circulação forçada
CALDEIRA DE CIRCULAÇÃO POSITIVA
DESVANTAGENS
Paradas constantes, com alto custo de manutenção
Problemas constantes com a bomba de circulação, quando operando em altas pressões
CALDEIRA DE CIRCULAÇÃO POSITIVA
Tubulão superior (ou tambor de vapor)
Tubulão inferior (ou tambor de lama)
Feixe tubular
Parede de água
Fornalha
PARTES DAS CALDEIRAS
AQUATUBULARES
Elemento da caldeira onde é injetada a água de alimentação e de onde é retirado o vapor
TUBULÃO SUPERIOR
1. Área dos tubos de descida da água do feixe tubular
(downcomers)
2. Área de tubos vaporizantes (riser), que descarregam a mistura de vapor e água contra a chicana 6
6
3. Área dos tubos do superaquecedor, mandrilados no
tambor
4. Filtro de tela ou chevron
5. Tubo de drenagem da água retirada no filtro
6. Tubo distribuidor da água de alimentação
7. Tubo coletor de amostras de água e da descarga
contínua
8. Chicana
Os tubos são mandrilados nos tubulões e se dividem em
tubos de descida d’água e tubos de geração de vapor,
que descarregam a mistura água/vapor no tubulão.
Na descarga dos tubos de geração de vapor é instalada uma chicana (chapa defletora) que é uma caixa fechada no fundo e nos lados, destinada a separar a água contida no tubulão e amenizar as variações do nível de água, ocorridas no
tubulão de vapor
Existe ainda no tubulão superior um conjunto constituído de chapas corrugadas, denominado chevron ou filtro, cuja
finalidade é reter a maior quantidade possível de partículas
sólidas ou líquidas arrastadas pelo vapor, antes de o vapor
sair para o superaquecedor
É construído em chapas de aço carbono
Tubos de água que descem do tubulão superior
Tubos de vaporização que sobem para o tubulão superior
Tomadas para purga ou descarga de fundo - remover parte da lama e resíduos sólidos originários do
processo e que podem causar corrosão, obstrução e superaquecimento
A qualidade do tratamento de água de alimentação da caldeira e os tratamentos e análises do processo
determinam a periodicidade das descargas a serem efetuadas
TUBULÃO INFERIOR
No interior do tubulão recomenda-se instalar uma cantoneira que tem a função de promover uma
sucção ao longo do tambor
Esta sucção arrasta a lama de toda extensão do tambor por diferença de pressão
CANTONEIRA
É o conjunto de tubos que faz a ligação entre os tubulões da caldeira
Circulação de água e vapor
DOWNCOMERS – conduzem água do
tubulão superior para o inferior. São os tubos de decida
RISES – tubos de subida – transportam mistura de água e vapor para o tubulão superior
FEIXE TUBULAR
Feixe tubular reto
Caldeiras mais antigas
Tubos ligados
através de caixas ligadas ao
FEIXE TUBULAR
Feixe tubular curvado
FEIXE TUBULAR
Feixe tubular com fluxo cruzado
FEIXE TUBULAR
Feixe tubular com fluxo axial
FEIXE TUBULAR
Formada por tubos que estão em contato direto com as chamas e os gases
Permite maior taxa de absorção de calor por radiação
1. Parede d’água com tubos tangentes
PAREDE D’ÁGUA
2- Paredes de água com tubos aletados
Os materiais mais comuns usados na
construção das paredes de água são: tubo
ASTM A-178 (com costura) e tubo ASTM A-192 (sem costura).
PAREDE D’ÁGUA
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Local onde se processa a queima de combustível
Também chamada de câmara de combustão
Classificação
Queima de combustível sólido
Grelhas basculantes
FORNALHA
Possuem suportes e grelhas
Podem ser planas, inclinadas ou dispostas em formas de degraus - fixos ou móveis
Lenha, carvão, sobras de produtos, casca de cacau, bagaço de cana, casca de castanha, etc.
Alimentação manual ou automatizada
Desvantagens: abaixamento de temperatura que pode ocorrer próximo à entrada de combustível, grande geração de resíduos e uso limitado em caldeiras de pequena capacidade.
FORNALHAS PARA QUEIMA DE
COMBUSTÍVEL SÓLIDO
Usada para a queima de bagaço como combustível sólido
Possui elementos de grelha denominados barrotes que se inclinam sob a ação de um acionamento
externo (ar comprimido ou vapor)
Com a inclinação dos barrotes, a cinza escoa -se para baixo da grelha, limpando-a
A redução de ar da combustão e a melhor
distribuição do bagaço sobre a grelha aumentam
FORNALHA COM GRELHAS BASCULANTES
Queima de combustível sólido
A queima e a alimentação se processam da mesma maneira que na grelha basculante, mas a limpeza é feita continuamente
Não há basculamento dos barrotes
A grelha é acionada por um conjunto motor-redutor que gera velocidade suficiente para retirar da
fornalha as cinzas formadas num determinado período
O ar de combustão entra por baixo da grelha e serve para refrigeração, da mesma forma que na grelha
basculante.
FORNALHA COM GRELHA ROTATIVA
Usadas quando se queimam óleo, gás ou combustíveis sólidos pulverizados
Para caldeiras que queimam óleo ou gás, a
introdução do combustível na fornalha é feita através do queimador
FORNALHAS PARA QUEIMA DE
COMBUSTÍVEL EM SUSPENSÃO
Peças destinadas a promover a queima dos combustíveis em suspensão
Em volta do queimador, existe um refratário de formato cônico que tem as seguintes
finalidades:
auxiliar na homogeneização da mistura ar/combustível, graças ao seu formato
aumentar a eficiência da queima, graças a sua característica de irradiar o calor absorvido
dar forma ao corpo da chama
QUEIMADORES
PREPARAÇÃO DO COMBUSTÍVEL PARA A QUEIMA
Dosar as quantidades adequadas de ar e combustível
Atomizar o combustível líquido
Gaseificar as gotículas através da absorção do calor ambiente (câmara de combustão)
Misturar o combustível com o oxigênio do ar;
QUEIMADORES
Constituído de tubos lisos ou aletados de aço resistente a altas temperaturas, distribuídos em forma de serpentina
Aproveitam os gases de combustão para dar o devido aquecimento ao vapor saturado, transformando -o em vapor superaquecido
Quando instalados dentro das caldeiras, podem estar localizados:
atrás do último feixe de tubos
entre dois feixes
sobre os feixes
na fornalha
SUPERAQUECEDORES
Pode ser instalado separadamente da caldeira -
depende de outra fonte de calor para o aquecimento
Pode ocorrer por convecção, radiação ou de forma mista, em função de sua configuração na construção da caldeira
Tubos podem ser danificados, se não forem tomados alguns cuidados relativos à garantia de circulação de água/vapor na superfície interna, nas partidas e
paradas da caldeira
SUPERAQUECEDORES
Parte integrante de uma caldeira Ajudam na boa operação
Economizador
Pré-aquecedor
Soprador de fuligem.
EQUIPAMENTOS PERIFÉRICOS
Aquecer a água de alimentação da caldeira
Localizado na parte alta da caldeira entre o tambor de vapor e os tubos geradores de vapor
Os gases são obrigados a circular através dele, antes de saírem pela chaminé
Tubos de aço maleável ou tubos de aço fundido com aletas
ECONOMIZADOR
ECONOMIZADOR EM SEPARADO
Usado nas caldeiras de baixa pressão (25kgf/cm²)
É construído geralmente de tubos de aço ou ferro fundido com aletas
No seu interior circula a água e por fora circulam os gases de combustão
ECONOMIZADOR
ECONOMIZADOR INTEGRAL
Empregado nas caldeiras de maior capacidade de produção
Todo o gás carbônico e o oxigênio, devem ser retirados da água de alimentação, porque quando estes elementos são aquecidos aumentam a corrosão pelo lado interno dos
tubos
A corrosão nos tubos de economizadores pode ocorrer tanto na superfície interna quanto na externa
Internamente a corrosão pode ser causada por impurezas contidas na água por deficiência no tratamento
ECONOMIZADOR
Trocador de calor que eleva a temperatura do ar antes que este entre na fornalha
O calor é cedido pelos gases residuais quentes ou pelo vapor da própria caldeira
PRÉ-AQUECEDOR DE AR
Vantagem: melhorar a eficiência da caldeira pelo aumento da temperatura de equilíbrio na câmara de combustão
Pelo aumento de temperatura dos gases, a
montagem da fornalha exige tijolos refratários fabricados com materiais de melhor qualidade
A existência de pré-aquecedores causa um
aumento na perda de carga no circuito ar/gás
PRÉ-AQUECEDOR DE AR
Classificados de acordo com o princípio de funcionamento
pré-aquecedor regenerativo
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
placas de aço finas e corrugadas que são aquecidas quando da passagem dos gases de combustão e
resfriadas quando da passagem do ar
pré-aquecedor tipo colméia
PRÉ-AQUECEDOR DE AR
Pré-aquecedor regenerativo
PRÉ-AQUECEDOR DE AR
PRÉ-AQUECEDOR TIPO COLMÉIA
Os gases quentes, ao passarem pela colméia
refratária, trocam o calor com o ar frio que vai para a combustão
Alguns tipos de caldeiras fazem o pré-
aquecimento do ar, utilizando-se do próprio vapor gerado. Este equipamento é
denominado pré-aquecedor de ar a vapor
PRÉ-AQUECEDOR DE AR
Permitem uma distribuição rotativa de um jato de vapor no interior da caldeira
Fazem a remoção da fuligem e depósitos formados na superfície externa da zona de convecção das caldeiras
SOPRADORES DE FULIGEM
Os tubos sopradores são providos de orifícios e são
distribuídos em pontos convenientes de modo a garantir jateamento na maior área de aquecimento possível
Dispositivo que introduz o tubo de sopragem no interior da zona de convecção, sendo acionado manual ou
automaticamente.
SOPRADORES DE FULIGEM
A conveniência de redução do consumo de óleo em caldeiras e os estímulos ao emprego da energia elétrica têm influenciado na decisão pela instalação de caldeiras elétricaS
Tipos: resistência e eletrodos submersos
Em áreas onde há suprimento abundante de energia elétrica, é vantajosa a instalação de equipamentos eletrotérmicos dados os
CALDEIRAS ELÉTRICAS
OUTRAS VANTAGENS
Ausência de poluição ambiente
Modulação de carga de O a 100%
Resposta rápida à variação de consumo de vapor
Manutenção simples - Apenas bombas
A falta d 'água não provoca danos à caldeira
Área reduzida de instalação
Não necessita área para estocagem de combustível
CALDEIRAS ELÉTRICAS
Profa. Roberta S. Leone 96
OUTRAS VANTAGENS
Redução considerável no custo do vapor em relação ao produzido por óleo combustível
Melhora o fator de potência como
consequência do aumento da potência ativa
Melhora o fator de carga elétrica instalada, e com isto:
reduz o preço médio do kWh consumido
CALDEIRAS ELÉTRICAS
Portaria DNSHT-20 de 6 de maio de 1970
Art. 7.º - As caldeiras, de qualquer
estabelecimento serão instaladas em "Casa de Caldeiras". Parágrafo único. Excetuam-se, para efeito de aplicação deste artigo, as pequenas unidades de 100 kgf/h, ou menos, de
capacidade de produção de vapor
NORMAS DE SEGURANÇA DE CALDEIRAS À
VAPOR
Art. 8.º - A "Casa de Caldeiras" deverá satisfazer aos seguintes requisitos:
constituir prédio separado, construído de materiais resistentes ao fogo, podendo estar anexo a outro edifício do
estabelecimento, mas afastado, no mínimo, 3 m (três metros) de outras edificações vizinhas
ser completamente isolada de locais onde se armazenem ou manipulem inflamáveis ou explosivos
não ser utilizada para qualquer outra finalidade com exceção de compressores, excluído, porém, o reservatório de ar
dispor de saídas amplas e permanentemente desobstruídas;
NORMAS DE SEGURANÇA DE CALDEIRAS À
VAPOR
Art. 9.º - O projeto da "Casa de Caldeiras" será submetido à aprovação prévia do órgão regional competente em matéria de segurança e higiene do trabalho, mediante requerimento do interessado .
Art. 12.º - Os exames e as provas, assim como a fixação da PMTP (Pressão máxima de trabalho
permitida), deverão ser executados de acordo com o que dispõe a NB-55 - Norma Brasileira para Inspeção deCaldeiras a Vapor - da ABNT.
NORMAS DE SEGURANÇA DE CALDEIRAS À
VAPOR
Art. 10.º - Todas as caldeiras serão, obrigatoriamente, submetidas à inspeção de segurança, interior e
exteriormente, nas seguintes oportunidades:
antes de entrarem em funcionamento, quando novas
depois de reforma, modificações, conserto
importante ou após terem sofrido qualquer acidente
periodicamente, pelo menos uma vez ao ano, quando estiverem em serviço
após intervalo de inatividade de 4 (quatro) meses ou
