MARINHA DO BRASIL
DIRETORIA DE PORTOS E COSTAS
ENSINO PROFISSIONAL MARÍTIMO
CALDEIRAS
(CAD-1)
1ª edição Belém-PA
© 2011 direitos reservados à Diretoria de Portos e Costas
Autor: Msc. Paulo Vitor de Matos Zigmantas
Revisão Pedagógica: Erika Ferreira Pinheiro Guimarães Suzana Revisão Gramatical: Esmaelino Neves de Farias
Designer Gráfico: Fernando David de Oliveira
Coordenação Geral: CF Maurício Cezar Josino de Castro e Souza
____________ exemplares Diretoria de Portos e Costas Rua Teófilo Otoni, no 4 – Centro Rio de Janeiro, RJ
20090-070
http://www.dpc.mar.mil.br [email protected]
Depósito legal na Biblioteca Nacional conforme Decreto no 1825, de 20 de dezembro de 1907
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO...5
1 GENERALIDADES...7
1.1 Conceito de gerador de vapor e caldeira...7
1.2 Emprego de caldeiras ou aquecedores de óleo térmico a bordo de navios...7
1.3 Análise da pressão interna de um vaso...8
1.4 Processos de transmissão de calor que ocorrem durante o funcionamento de uma caldeira...16
1.5 Tipos de caldeiras e suas utilizações...20
1.6 Partes principais de uma caldeira...25
1.7 Funcionamento da caldeira aquatubular, flamatubular, caldeira elétrica e da caldeira de recuperação...33
1.8 Caldeiras a combustíveis sólidos, líquidos e a gás; suas diferenças...37
2 SISTEMAS E COMPONENTES DAS CALDEIRAS...49
2.1 Sistema de água de alimentação de caldeiras...49
2.2 Funcionamento do sistema de água de alimentação de uma caldeira marítima. 49 2.3 Instrumentos empregados para medição de nível...54
2.4 Funcionamento do sistema de controle de nível...57
2.5 Funcionamento do aquecedor de água de alimentação...60
2.6 Tiragem natural e tiragem forçada em uma caldeira...62
2.7 Registro de ar e damper utilizados em caldeiras...66
2.8 Sistema de óleo combustível para caldeiras marítimas de alta pressão...68
2.10 Funcionamento do aquecedor de óleo combustível...77
2.11 Sistema de óleo combustível de caldeira...79
2.12 Funcionamento dos sopradores de fuligem utilizados em caldeiras marítimas. 81 2.13 Funcionamento dos sistemas de controle de emissão de gases de combustão empregados em caldeiras...83
2.14 Tubulão de vapor...88
2.15 Sistema de distribuição de vapor empregado em um navio petroleiro e seu esquema...90
2.16 Instrumentos indicadores e sensores de pressão...95
2.17 Funcionamento dos dispositivos de segurança e dos dispositivos auxiliares das caldeiras...101
2.18 Características das válvulas e acessórios das tubulações de vapor...104
2.19 Funcionamento do superaquecedor, dessuperaquecedor e economizador das caldeiras de alta pressão...110
3 CALDEIRA DE RECUPERAÇÃO...115
3.1 Ciclo de produção de vapor aproveitando os gases de descarga do motor propulsor (MCP)...119
3.2 Esquema de distribuição de vapor a bordo de um navio a motor...119
4 OPERAÇÃO E MANUTENÇÃO DE CALDEIRAS...127
4.1 Operações de preparação, acendimento e comunicação de uma caldeira de alta pressão...127
4.2 Importância do monitoramento das temperaturas e das pressões de uma...136
caldeira...136
4.3 Causas e consequências de projeção e arrastamento...136
4.4 Resistências térmicas como fator de queda de rendimento nas caldeiras...139
4.5 Procedimentos em situações de emergência...140
4.6 Riscos de acidentes e riscos à saúde durante uma operação...145
4.7 Operação de um sistema com o mínimo de duas caldeiras...147
4.8 Principais falhas de operação, suas causas e providências a serem tomadas. 156 4.9 Principais tipos de manutenção aplicados nas caldeiras de alta pressão...161
4.10 Possíveis defeitos, suas causas e respectivas soluções...176
4.11 Principais testes realizados durante uma inspeção na caldeira de alta pressão ...179
4.12 Operação de bujonamento de tubos furados...183
4.13 Procedimentos para a substituição e o mandrilamento de tubos nas caldeiras ...186
4.14 Propósitos das extrações de superfície e de fundo...189
4.15 Cuidados utilizados na observação antes e durante as extrações de superfície e de fundo em uma caldeira...189
4.16 Retirada de serviço de uma caldeira de alta pressão com queimador a óleo combustível...190
4.17 Cuidados com a caldeira fora de serviço...191
5 LEGISLAÇÃO E NORMALIZAÇÃO...193
5.1 Importância das normas regulamentadoras...193
5.2 Elementos poluentes decorrentes da operação da caldeira...193
5.3 Norma regulamentadora 13 (NR-13)...194
5.4 Aplicação da NR-13...206
6 PRÁTICA DE OPERAÇÃO E MANUTENÇÃO DE CALDEIRAS...213
6.1 Procedimentos necessários para acender a caldeira, observando as normas de segurança...213
6.2 Controle do nível de água da caldeira...238
6.3 Extrações de superfície e de fundo em caldeira...240
6.4 Manutenção de queimadores...241
6.5 Inspeções nas caldeiras...243
6.6 Operações inerentes ao bom funcionamento da caldeira...253
INTRODUÇÃO
Os geradores de vapor são equipamentos marítimos auxiliares e de propulsão necessários em muitos navios da Marinha Mercante Brasileira e mundial,que têm, como objetivo principal, a produção do vapor d’água para diversas utilidades a bordo dos navios. Atualmente, nos navios mercantes nacionais, as caldeiras de propulsão caíram em desuso, em face de economia de combustível proporcionada pelos modernos MCPS equipados com reguladores de velocidade bastante precisos para a finalidade a que se destinam. Apesar disso, o assunto referente às caldeiras de alta pressão na unidade 4, será abordado da forma usual, sem perder o enfoque necessário à formação naval do Segundo Oficial de Máquinas,levando em conta a existência de inúmeras caldeiras de alta pressão na indústria.
Este volume está constituído de seis unidades de ensino, todas direcionadas para a formação básica e fundamental do segundo oficial de máquinas da Marinha Mercante Brasileira, mostrando os princípios básicos fundamentais para a aplicação nas caldeiras navais atualmente em uso.
Na unidade 1, iremos estudar as definições fundamentais empregadas em caldeiras, os tipos e suas utilizações e o processo de transmissão de calor que nelas ocorrem.
Na 2, serão estudados os sistemas e componentes das caldeiras. Na 3, as caldeiras de recuperação de gases.
Na 4,serão lecionadas a operação e manutenção de caldeiras, enfocando os cuidados e os procedimentos necessários para a sua indispensável e devida condução.
Na 5, serão vistos os assuntos referentes à legislação e à normalização vigentes no Brasil, segundo a NR-13, que trata da documentação necessária para a devida utilização dessa Norma.
Na 6, serão enfocadas a prática de operação e manutenção de caldeiras para mostrar, ao futuro Oficial de Máquinas, os procedimentos necessários para a sua execução. Os assuntos desta publicação serão vistos de forma clara e concisa sem que, em nenhum momento, seja tirada do professor da disciplina a sua experiência sobre eles, deixando-lhe a flexibilidade necessária para desenvolvê-los,em sala de
aula ou laboratórios, da melhor maneira possível, todavia obediente às diretrizes específicas do sumário em estudo.
Foi feito um esforço considerável para que este volume seja facilmente entendido tanto pelos alunos quanto pelos professores, ambos em busca de um desempenho científico cada vez melhor para operar profissionalmente em um mundo cada vez mais complexo e aberto a discussões.
“A discussão exige espírito aberto e pronto para ousar no imaginar do amanhã” (Revista Marítima Brasileira, V.130 n.04/06-abr./jun.2010,p.61).
Paulo Vitor de Matos Zigmantas Mestre em Ciências Térmicas e Fluidos
1 GENERALIDADES
As caldeiras são construídas para executarem uma determinada tarefa a bordo dos navios, porém, satisfazendo determinados critérios técnicos e operacionais considerados satisfatórios para a sua operação: peso e dimensões adequadas, rendimento térmico aceitável para a finalidade a que se destina, distribuição correta do calor no interior da fornalha e a capacidade de manter a produção do vapor na temperatura e pressão prevista em todos os regimes de operação, além de proporcionar um funcionamento seguro com os respectivos controles dos sistemas de água de alimentação, combustão, temperatura, pressão, e vazão do vapor durante a operação e o funcionamento da caldeira.
1.1 Conceito de gerador de vapor e caldeira
Segundo PERA (Geradores de vapor d’água. USP, 1966), o gerador de vapor pode ser definido como um trocador de calor que produz vapor a partir da energia térmica do combustível, ar e fluido vaporizante, constituído de diversos equipamentos associados, perfeitamente integrados, com a finalidade de obter-se o maior rendimento térmico possível.
Esta definição é bastante abrangente, pois compreende todos os tipos de geradores de vapor. Para navios de óleo térmico, no lugar de gerador de vapor usa-se o termo aquecedor de óleo térmico, pois o mesmo não vaporiza, sendo aproveitado na fase líquida com temperatura elevada.
Nos navios, quando o fluido vaporizado é a água, o gerador de vapor é comumente definido como CALDEIRA.
1.2 Emprego de caldeiras ou aquecedores de óleo térmico a bordo de navios As caldeiras e os aquecedores de óleo térmico são empregados a bordo dos navios para atender a finalidades específicas, dentre as quais podemos citar: a) fornecimento de vapor auxiliar ou óleo térmico para a cozinha;
b) fornecimento de vapor auxiliar ou óleo térmico para diversos aquecedores do navio;
c) fornecimento de vapor auxiliar para o apito; d) fornecimento de vapor auxiliar para o convés;
e) fornecimento de vapor auxiliar ou óleo térmico para o sistema de calefação do ar condicionado;
f) fornecimento de vapor principal para os turbos geradores;
g) fornecimento de vapor principal para as turbinas de propulsão (caldeiras de alta pressão);
h) fornecimento de vapor auxiliar para a atomização dos queimadores da caldeira de alta pressão; e
i) redução do consumo elétrico do navio, a qual permite aos geradores de bordo operarem dentro das condições operacionais estabelecidas para os mesmos sem a ocorrência excessiva de falhas e avarias por sobrecarga.
Justifica-se ainda o emprego das caldeiras ou aquecedores de óleo térmico a bordo dos navios, principalmente devido aos fatores:
a) nos navios petroleiros, a caldeira auxiliar produz o vapor necessário para o aquecimento do óleo pesado no interior dos tanques de armazenamento de combustível através de serpentinas de aquecimento no seu interior; e
b) caso o navio use óleo térmico, o aquecedor mantém a temperatura necessária no óleo térmico para o aquecimento do óleo pesado no interior dos tanques de armazenamento de combustível através de serpentinas de aquecimento no seu interior.
1.3 Análise da pressão interna de um vaso
Sobre este item, tratado com profundidade na disciplina Termodinâmica, faremos uma breve descrição sem perder o objetivo prático do conteúdo disciplinar.
Existem inúmeras situações práticas a bordo dos navios em que duas fases de uma substância pura existem em equilíbrio. Nas caldeiras auxiliares ou de propulsão, a água existe como uma mistura de líquido e vapor (vapor úmido).
Na prática do cotidiano, todas as substâncias puras exibem o mesmo comportamento; assim, podemos evidenciar as seguintes fases de uma substância pura de bastante aplicação no dia a dia.
Define-se “pressão e temperatura de saturação” de uma substância pura a pressão e a temperatura em que a substância começa a “mudar de fase”.
Assim, a água líquida começa a se transformar em vapor a 100 ºC na pressão ambiente de 1 bar, sofrendo variação neste valor se a pressão a qual a
substância está submetida variar. “Estes valores são determinados por equações matemáticas bastante complexas e tabeladas para melhor utilização”. No apêndice I, são colocadas as tabelas de propriedades do vapor d’água.
As fases de uma substância pura comumente utilizada são as seguintes: a) líquido comprimido ou sub resfriado e líquido saturado;
b) vapor úmido ou saturado úmido; c) vapor seco ou saturado; e
d) vapor superaquecido.
Estas fases não dependem da forma e do volume do recipiente que as contém e nem da respectiva massa da substância.
1.3.1 Líquido comprimido e líquido saturado
Define-se líquido comprimido ou sub resfriado como a substância na fase líquida que se encontra em uma temperatura abaixo da de saturação, para uma determinada pressão. Já o líquido saturado é a substância na fase líquida que se encontra na pressão e temperatura de saturação. Para ilustrar o que foi dito, considere as figuras 1-a e 1-b, onde temos água líquida a 40 ºC e a 100 ºC, sob pressão de uma atmosfera(atm).
Figura 1 - Substância pura.
A 100 ºC, a pressão de saturação da água é de 1atm; assim, enquanto a temperatura da água for inferior a 100 ºC para a pressão de 1 atm, a água não muda para vapor, permanecendo na fase de líquido comprimido ou sub resfriado.
Quando a temperatura da água atinge 100 ºC e mantida a pressão de 1atm, a água está pronta para iniciar a evaporação sendo denominada neste instante de líquido saturado.
1.3.2 Vapor úmido ou saturado úmido
Quando o líquido inicia a evaporação, e mantida a pressão e a temperatura de saturação, a substância fica como uma mistura bifásica líquido-vapor, até que todo o líquido se evapore. Define-se o vapor úmido como a mistura bifásica líquido-vapor na pressão e temperatura de saturação. A figura 2 ilustra o conceito de mistura bifásica.
Figura 2 - Substância pura na fase líquido vapor (vapor úmido).
Na fase de vapor úmido, as propriedades da substância são determinadas pelas equações (1.1) a (1.7).
Define-se título do vapor x relação entre a massa de vapor mv e a massa total
m presente no recipiente. v L v v m m m m m x (1.1) O termo 1-x é denominado taxa de umidade.
Da definição de volume específico, os volumes de líquido VL e vapor Vv
podem ser determinados.
v v v L L L v , m V .v m V (1.2)
O volume V do recipiente é a soma dos volumes de líquido e vapor.
v L V
V
V (1.3) O volume específico vu do vapor úmido é agora determinado em função dos
volumes específicos das fases líquida vL e vapor vv.
) v x(v v vu L v L (1.4)
A análise para o volume específico pode ser estendida para a entalpia, a energia interna e a entropia específica da substância na fase de vapor úmido.
) L v L u h x(h h h (1.5) ) s x(s s su L v L (1.6) ) u x(u u uu L v L (1.7) É bom lembrar que a entalpia e a energia interna podem ser relacionadas pela equação geral hupv .
Nos navios, as caldeiras serão tanto mais eficientes quanto maior for o título do vapor na sua saída; assim, as caldeiras navais geralmente são dotadas de separadores de vapor no tubulão superior. As caldeiras auxiliares e de propulsão de navios deverão sempre conter mistura bifásica no tubulão superior. Em nenhuma condição de funcionamento as caldeiras poderão trabalhar com água baixa ou alta no seu interior. A água baixa provoca a queima dos tubos geradores da caldeira e a água alta produz arraste de água pelas tubulações de vapor provocando avarias nos equipamentos que utilizam o vapor. Qualquer que seja o tipo de caldeira utilizada no navio, o Chefe de Máquinas deverá obedecer rigorosamente aos procedimentos operacionais estabelecidos para a caldeira. O título tem significado apenas para as misturas saturadas, não se aplicando para líquidos (x=0) nem para vapor superaquecido.
1.3.3 Vapor seco ou saturado e superaquecido
Define-se vapor seco ou saturado como a substância na fase vapor que se encontra na pressão e temperatura de saturação. Quando o estado de vapor seco
v L u v v L v v L L v L v v L L. u v L v L u xv x)v (1 v v m m m v m m m m m v m v m v m m V V m V v L
é atingido, o título X da substância é igual a um (1). As figuras 3-a e 3-b ilustram a passagem da mistura bifásica para vapor seco ou saturado.
Figura 3 - Vapor seco ou saturado de uma substância.
Após a conclusão da mudança de fase, a substância se encontra agora na fase de vapor saturado ou seco, e qualquer adição de calor para o vapor resulta em um aumento tanto da temperatura como do volume específico.
Segundo YUNUS (Termodinâmica, 5 ed. 2006, McGraw Hill, p. 93), define-se vapor superaquecido de uma substância como o vapor que não está pronto para se condensar. Na prática da vida de bordo, o vapor superaquecido é definido como a substância na fase vapor na temperatura acima da de saturação para a respectiva pressão de saturação da substância. Para ilustrar o que foi dito, as figuras 4-a e 4-b ilustram o vapor seco e o superaquecido para a água na pressão de saturação de uma atmosfera.
Figura 4 - Vapor seco (a) e superaquecido (b) de uma substância pura.
1.3.4 Diagrama de fases de uma substância pura
A figura 5 ilustra as fases e os estados de pressão e temperatura de uma substância pura mostrando o líquido comprimido ou subresfriado (Lsr), o líquido saturado (Ls), o vapor úmido (Vu), o vapor seco ou saturado (Vs) e o vapor superaquecido (Vsa), para a água na pressão e temperatura de saturação de 1 bar e 100 ºC. Qualquer substância, que se comporte como a água, terá comportamento semelhante.
Figura 5 - Diagrama de fases para a água e substâncias de igual comportamento.
Considerando várias pressões e temperaturas de saturação, obtemos um diagrama geral temperatura versus volume específico ou pressão versus volume específico para uma substância pura, o qual pode ser generalizado para temperatura versus entropia, entalpia e energia interna. Nas figuras 6 e 7 são ilustrados os diagramas T x v e P x v.
Figura 6 - Diagrama TxV de uma substância pura.
Fonte: YUNUS, CENGEL. Termodinâmica. 5 ed. McGrawHill,2006.
Figura 7 - Diagrama PxV de uma substância pura.
Os estados de líquido saturado podem ser ligados por uma linha denominada linha de líquido saturado, e os estados de vapor saturado por outra linha denominada vapor saturado. O encontro destas duas linhas é denominado de ponto crítico.
A temperatura crítica Tc de uma substância pura corresponde à
temperatura máxima na qual as fases líquidas e vapor podem coexistir em equilíbrio. A pressão e o volume neste ponto são denominados pressão crítica e volume específico crítico respectivamente. Esses dados são tabelados para várias substâncias puras e se encontram em qualquer literatura especializada sobre o assunto. Para o caso da água, reproduzimos a figura 8, da página 97 do livro Termodinâmica, com alguns valores típicos das propriedades termodinâmicas, mostrando o valor do ponto crítico.
Figura 8 - Ponto crítico para a água.
Fonte: YUNUS, CENGEL. Termodinâmica. 5 ed. McGrawHill,2006.
Neste trabalho, não utilizaremos as curvas tridimensionais e nem a fase sólida das substâncias por não serem de uso cotidiano a bordo dos navios.
1.4 Processos de transmissão de calor que ocorrem durante o funcionamento de uma caldeira
Os processos usuais de transmissão de calor em uma caldeira são respectivamente a condução, a convecção e a irradiação.
No processo de transmissão de calor por condução, o calor se propaga através do corpo através da vibração molecular, onde a sua temperatura varia de uma extremidade a outra do corpo. Este processo se realiza nos corpos sólidos, líquidos e gasosos, sendo bastante acentuado nos corpos sólidos e entre corpos em contato entre si. As figuras 9 e 10 ilustram o processo de transmissão de calor(q) por condução em paredes planas e cilíndricas cujas temperaturas das extremidades são T1, T2, com espessura de parede L, coeficiente de condutibilidade térmica k, raios internos e externos dos tubos r1 e r2.
Figura 9 - Propagação do calor por condução em parede plana.
No processo de transmissão de calor por convecção, o mesmo ocorre com predominância nos meios fluidos sejam líquidos ou gasosos. Este processo ocorre devido à diferença de densidade do fluido. Se o fluido é aquecido, ele se expande e, por conseguinte, a sua densidade diminui. A porção mais fria, por ser mais densa, desloca a porção mais quente que tende a subir. Em outras palavras, provoca-se uma corrente ascensional de fluido quente e uma corrente descendente de fluido frio conhecidas como correntes de convecção, podendo ser natural ou forçada.
A figura 11 ilustra um processo típico de convecção de um fluido em contato com uma superfície metálica aquecida, onde se observa que a ocorrência da transferência de calor por convecção através do fluido deve-se a um gradiente de temperatura (camada limite térmica).
Figura 11 - Camada limite térmica de convecção.
No processo de transmissão de calor por irradiação, a transmissão de calor se processa através da propagação do calor na forma de ondas luminosas, sendo que a quantidade de calor irradiante transmitida entre dois corpos é expressa pela lei de Stefan-Boltmanz.
1.4.1 Processos de transmissão de calor aplicados às caldeiras
A transmissão do calor aplicado às caldeiras, envolve os três processos já descritos anteriormente.
Quando o combustível é queimado na caldeira, a fornalha fica cheia de gases quentes de combustão. Os gases têm uma tríplice ação, a saber:
a) irradiação do calor, onde os gases provenientes da combustão emitem ondas de calor que se projetam em todas as direções sendo absorvidas por todas as
superfícies a elas expostas, como as paredes e pisos da fornalha que irradiam o calor na direção das superfícies da caldeira que contém água e vapor que são denominadas de superfície de aquecimento. A superfície de aquecimento também recebe calor diretamente dos gases quentes na forma de irradiação. A figura 12 ilustra a transmissão de calor por irradiação na superfície de aquecimento de uma caldeira;
Figura 12 - Transmissão de calor por irradiação de gases nas caldeiras.
b) a transmissão de calor por convecção oriunda dos gases quentes provenientes da combustão origina as correntes de convecção, e os gases aquecidos dirigem-se para as partes superiores da caldeira, e daí para a tubulação de gases de descarga em direção à chaminé da caldeira; e
c) a transmissão de calor por condução manifesta-se através do contato dos gases quentes com a superfície de aquecimento e com o invólucro da caldeira onde o calor se propaga por condução pelas paredes das tubulações de água e do invólucro, o qual deve ser isolado termicamente para evitar o contato externo com as altas temperaturas dos gases provenientes da combustão dos gases aquecidos.
A figura 13 ilustra esquematicamente a transmissão do calor de uma tubulação de caldeira onde a água a ser vaporizada circula no interior dos tubos e os gases aquecidos por fora dos tubos. Observa-se que os gases quentes irradiam o calor para os tubos e entram em contato com a superfície externa sólida dos mesmos, ocorrendo um turbilhonamentos dos gases,ocasionando a transmissão do calor por convecção. O turbilhonamento associado com impurezas na fornalha origina a deposição de uma película ou incrustração externa acima da parede de aço dos tubos da caldeira, fazendo com que o calor se propague na película e
tubos por condução. No interior dos tubos, as impurezas da água que escoam no mesmo origina uma película ou incrustração interna onde o calor continua se propagando por condução, até que atinge a água escoando nos tubos, ocasionando um turbilhonamento interno propagando-se para a água no interior dos tubos por convecção.
Figura 13 - Transmissão de calor nos tubos das caldeiras com água circulando em seu interior.
O calor que se propaga nos tubos da caldeira é dado pela seguinte equação:
convecção condução R R t t total ,ondeR R ΔT q (1.8)Os termos Rcondução e Rconvecção são as resistências térmicas (0C/W) oferecidas à propagação do fluxo de calorq (W) pelos tubos por convecção e condução. Observe
que o aumento da espessura da película ocasiona uma diminuição na transmissão do calor pelos tubos da caldeira, o que ocasionará um aumento de combustível e perda de eficiência térmica da caldeira, sendo necessária a remoção dessas incrustações até onde possa ser permitido, a qual é feita de acordo com o tipo e capacidade de produção de vapor da caldeira.
1.5 Tipos de caldeiras e suas utilizações
Existem vários tipos de caldeiras que são classificadas sob numerosos aspectos. Neste trabalho, estudaremos os tipos usuais classificados quanto à posição relativa das câmaras de combustão e água, e as caldeiras elétricas 1.5.1 Classificação quanto à posição relativa das câmaras de combustão e
água
Quanto à posição relativa das câmaras de combustão e água, as caldeiras podem ser de dois tipos:
a) caldeiras flamatubulares; e b) caldeiras aquatubulares.
Nas caldeiras flamatubulares, os gases quentes passam por dentro de tubos imersos em um invólucro cilíndrico contendo água no seu interior, onde a mesma é aquecida evaporada, formando a mistura água- vapor no interior do invólucro. Os tubos são montados à maneira dos feixes de permutadores de calor, com um ou mais passos dos gases quentes através do mesmo. Na figura 14, podemos ver em corte uma caldeira horizontal deste tipo.
Figura 14 - Esquema básico de uma caldeira flamatubular de 3 passes de gases.
Fonte: Thermal Energy Equipment, 2003.
As caldeiras flamatubulares na maioria das vezes têm produção de vapor na faixa de 15 a 16 kg por cada metro quadrado de superfície de aquecimento. A figura 15 mostra um esquema típico de uma caldeira flamatubular do tipo vertical.
Figura 15 - Esquema básico de uma caldeira flamatubular de passe único e vertical.
As caldeiras flamatubulares horizontais geralmente são construídas para produção máxima de vapor de até 10.000 kg/h, a uma pressão máxima de vapor de 18 bar, com vaporização específica de 30 a 34 kg por metro quadrado de superfície de aquecimento, possuindo facilidade de manutenção e operação. Um tipo usual é a caldeira escocesa, ilustrada na figura 16.
Figura 16 - Esquema básico de uma caldeira flamatubular horizontal, escocesa.
Nas caldeiras aquatubulares (water tube boilers), a água circula por dentro dos tubos que constituem o trocador de calor necessário a produção do vapor, enquanto os gases oriundos da combustão na fornalha passam por fora destes tubos. A figura 17 ilustra uma caldeira aquatubular de dois tubulões de alta pressão (pressão entre 45 a 65 bar) utilizada para a propulsão dos navios mercantes a vapor (praticamente em desuso no Brasil). Observe que os tubos geradores estão mais próximos dos queimadores que os tubos de retorno da água não evaporada no tubulão de vapor.
Figura 17 - Esquema básico de uma caldeira aquatubular de dois tubulões.
A figura 18 ilustra uma caldeira típica aquatubular para a propulsão de navios de capacidade de produção de vapor de 15.000 kg/h até 100.000 kg/h.
Figura 18 - Esquema básico de uma caldeira aquatubular de dois tubulões.
Fonte: Mitsubishi Heavy Industries, 2010.
Para navios mercantes do tipo VLCCS de propulsão de vapor, para a faixa de potência de 36000 HP a 40000 SHP, a pressão de geração do vapor se situa entre 60 a 65 bar, com vapor superaquecido na faixa de 510 ºC a 515 ºC, obtendo-se uma vazão na saída da caldeira entre 60.000 kg/h a 70.000 kg/h.
1.5.2 Caldeiras combinadas aquatubular e flamatubular para navios mercantes Em determinados navios mercantes de propulsão a motor, por economia de espaço na praça de máquinas, são utilizadas as caldeiras combinadas para a geração de vapor para as máquinas auxiliares e demais consumidores de vapor do navio.
A figura 19 ilustra uma caldeira típica combinada (oil fired and exhaust gas boiler) para aplicação de navios mercantes de propulsão de motor.
Figura 19 - Esquema básico de uma caldeira combinada para geração de vapor.
Na operação de porto, com os MCPS parados, o queimador mantém a combustão na fornalha e os gases produzidos aquecem a água no interior do feixe tubular, onde a mesma evapora e o vapor produzido é comunicado para as auxiliares e demais consumidores do navio. Nesta situação, a caldeira opera como aquatubular.
Em viagem, o queimador é desligado e os gases oriundos da combustão dos MCPS aquecem á água no interior da câmara de armazenamento (mistura água/vapor) e o vapor produzido é comunicado para os consumidores do navio.
Pelo fato de os gases de descarga produzirem a evaporação da água, esta caldeira, quando funcionando nesta situação, é denominada
caldeira de recuperação de gases de descarga ou recuperador de calor.
1.5.3 Caldeiras elétricas
São equipamentos de concepção bastante simples, basicamente compostas de um vaso de pressão onde a água é aquecida por eletrodos ou resistências elétricas.
Nas caldeiras com resistências elétricas, a água é aquecida através de resistências elétricas blindadas imersas diretamente no líquido. Nas caldeiras com eletrodos, o aquecimento da água é obtido pela passagem de corrente elétrica diretamente através da água, que se aquece por efeito Joule. As caldeiras elétricas, fáceis de usar e de automatizar, com eficiência da ordem de 95%, possuem as seguintes vantagens:
a) ausência de poluição ambiental; b) manutenção simples;
c) não há necessidade de área para estocagem de combustível;e d) resposta rápida a variações no consumo de vapor.
Como desvantagem, podemos citar o elevado custo de operação de uma caldeira elétrica em razão dos custos da energia elétrica, ou seja, precisam de corrente elétrica elevada, o que implica em geradores mais potentes e de maior tamanho para os navios, ocupando maior espaço na praça de máquinas dos navios.
Figura 20 - Caldeira elétrica típica de geração de vapor.
Fonte: Disponível em: www.potuguese.alibaba.com.
Figura 21 - Caldeira elétrica típica de geração de vapor.
1.6 Partes principais de uma caldeira
Qualquer que seja o tipo de caldeira empregada para determinada utilidade, a mesma possui diversos componentes e acessórios dispostos da melhor maneira possível para a geração do vapor.
Neste trabalho, abordaremos este item de uma forma didática, enfocando basicamente as partes comuns aos diversos tipos de caldeiras.
De modo geral, uma caldeira é constituída pelas seguintes partes: a) fornalha, na qual é realizada a combustão do combustível permitindo a propagação do calor para o interior da caldeira para a geração do vapor d’água;
b) caldeira propriamente dita, constituída de reservatório fechado que contém a água da qual o vapor é gerado. Este reservatório para as caldeiras flamatubulares (figura 16) é o invólucro cilíndrico, o qual armazena a água a ser evaporada. Para as caldeiras aquatubulares, este reservatório geralmente é constituído de um ou uma combinação de tubulões, ligados por tubos (feixe tubular), ao redor dos quais circulam os gases da combustão para a transmissão e propagação do calor neste feixe, evaporando a água em seu interior (figura 17); c) superfície de aquecimento, que inclui a área de troca de calor necessária para a geração do vapor d’água;
d) acessórios adicionais para aumentar o rendimento da unidade geradora do vapor, tais como os economizadores, aquecedores de água de alimentação e preaquecedores de ar, que aumentam a temperatura da água e do ar a um valor pre estabelecido, antes de adentrarem a caldeira para a melhoria da eficiência térmica;
e) acessórios adicionais para controle ou regulagem da combustão do combustível e do superaquecimento e dessuperaquecimento do vapor produzido;
f) canalizações internas e conexões externas para a água de alimentação que adentra a caldeira e para o vapor que é retirado da caldeira; e
g) diversos acessórios e instalações, cujas finalidades são controlar o funcionamento da caldeira e salvaguardar a caldeira de avarias produzidas por várias causas, como excesso de pressão de vapor, água baixa, água alta, falha de chama, falta de combustível, fornalha suja etecétera.
As fornalhas das caldeiras são o principal equipamento para a queima do combustível. Entre as suas funções estão incluídas: a mistura ar-combustível, a atomização e vaporização do combustível e a conservação de uma queima contínua da mistura, que devem satisfazer aos seguintes requisitos:
a) ter um volume apropriado ao tipo e à quantidade de combustível que se deseja queimar: o volume deve ser suficiente para garantir uma combustão eficiente; volumes pequenos podem implicar em combustão parcial com presença de material ainda combustível nos gases que deixam a fornalha; e volumes grandes (maiores superfícies de troca de calor - irradiação) podem implicar em menores temperaturas na câmara, a ponto de dificultar o processo de ignição das partículas de combustível;
b) altura compatível com a circulação de água nos tubos e tempo efetivamente gasto para queimar o combustível no interior da câmara.
A altura deve ser definida de modo a não prejudicar a circulação natural da água no interior dos tubos. Se a circulação for deficiente haverá risco de superaquecimento localizado. Se a altura for insuficiente poderá ocorrer queima de gases combustíveis no topo da fornalha ou temperatura muito elevadas, não recomendáveis aos tubos dos superaquecedores.
No caso das caldeiras aquatubulares, existem as paredes d’água que são um conjunto de tubos colocados perto das paredes de refratário da caldeira para o arrefecimento dos mesmos. As paredes d’água constam de vários tubos dispostos verticalmente, um ao lado do outro, circundando lateralmente toda a fornalha e pelos quais a água absorvendo o calor da queima do combustível transforma-se em vapor, resultando então uma mistura de água e vapor que, em caldeiras de circulação natural, faz com que o vapor, de menor densidade que a coluna proveniente do(s) tubo(s) de descida, suba e alcance o tambor, o que, em caldeiras de circulação forçada, é conseguido através de bombas de circulação, as quais promovem este mesmo deslocamento Estes tubos são colocados entre os tubulões de vapor e água da caldeira para aumentar a superfície de troca de calor produzindo mais vapor.
Os tubos são normalmente espaçados numa parede de tijolos refratários, e por trás dos tubos das paredes d’água ou dos tijolos refratários, varias camadas de
isolante são colocadas. Tem como desvantagem a dificuldade de manutenção. Para algumas caldeiras, as paredes d’água são membranadas, nas quais os tubos são geralmente aliados e/ou soldados uns aos outros, formando uma parede estanque. Quando os tubos são aliados, os mesmos absorvem maior quantidade de calor e garantem a estanqueidade, possibilitando uma operação em pressão positiva na região de queima. Isto evita a perda de calor e a passagem de gases tóxicos para o ambiente externo e a penetração de ar frio caso a pressão interna fique menor que a atmosfera. As figuras 22 e 23 ilustram a parede d’água das caldeiras aquatubulares.
Figura 23 - Vista frontal das paredes d’água das caldeiras aquatubulares.
Fonte: Caldeiras, T5831, automação e controle industrial, 2010.
Para as caldeiras aquatubulares, podemos citar como principais componentes os seguintes elementos constitutivos:
a) superaquecedor, o qual consiste de um ou mais feixes tubulares, destinados a aumentar a temperatura do vapor gerado na caldeira;
b) economizador, que utiliza o calor residual dos gases, aquece a água de alimentação e a já existente no tambor. É normalmente instalado após os superaquecedores. Além de melhorar o rendimento da unidade, sua instalação minimiza o choque térmico entre a água de alimentação. Os economizadores podem ser classificados como: simples e duplos;
c) grelhas, as quais são utilizadas para amparar o material dentro da fornalha, podendo ser fixas, rotativas e inclinadas;
d) pré-aquecedor de ar, o qual aproveita o calor residual dos gases de combustão pré-aquecendo o ar utilizado na queima de combustível. Aquece o ar entre 120 e 300 ºC, dependendo do tipo de instalação e do tipo de combustível queimado. São basicamente trocadores de calor que permitem a transferência de calor entre os produtos da combustão e o ar que será utilizado posteriormente na combustão; e) reaquecedor, que tem função equivalente a dos superaquecedores. A sua presença torna-se necessária quando se deseja elevar a temperatura do vapor proveniente de estágios intermediários de uma turbina (caldeiras de terra);
f) cinzeiro ou local de deposição das cinzas e restos de combustível que caem da fornalha (caldeira de terra); e
g) retentor de fuligem, que tem como função separar a fuligem resultante da queima não estequiométrica do combustível, dos gases; antes de os mesmos saírem pela chaminé.
Para ambas as caldeiras, aquatubular e flamatubular, os seguintes acessórios são comuns às mesmas:
a) visor de nível: é um tubo de vidro colocado no tambor de vapor, que tem por finalidade dar ao operador a noção exata da altura onde se encontra a água da caldeira;
b) controlador de nível: são equipamentos que controlam o nível de água na caldeira; podem ser constituídos de várias formas, sendo os mais usados os de eletrodos e o sistema de boia;
c) alarme de falta d’água: sinal sonoro e luminoso que dispara quando o nível de água na caldeira está muito baixo;
d) indicadores de pressão (manômetros): são instrumentos utilizados para medir a pressão de líquidos, gases e vapores;
e) pressóstatos: são dispositivos de segurança que comandam o regime de trabalho das caldeiras, de acordo com a pressão do vapor;
f) válvulas de segurança: têm como função promover o escape do excesso do vapor caso a pressão de trabalho venha a ser ultrapassada e os outros dispositivos não atuem; e
g) válvulas: têm como função interromper ou regular a passagem de um fluido. Podem ser: de retenção; de extração de fundo; solenóide; de alívio; e de escape de ar.
A figura 24 ilustra os principais componentes de uma caldeira aquatubular industrial de alta pressão.
Figura 24 - Caldeira aquatubular de alta pressão industrial.
A figura 25 ilustra os componentes básicos de uma caldeira flamatubular.
Figura 25 - Componentes de uma caldeira flamatubular de geração de vapor.
Fonte: Disponível em: www.m.albernaz.retos.uol.com.br.
1 As caldeiras flamatubulares têm aplicações em pequenas e médias unidades industriais, aquecimento de edifícios públicos e particulares, e em alguns navios.
2 Pressão máxima:
12 a 13 bar com 1 tubo de fogo; 26 a 27 bar com 2 tubos de fogo; e
aproximadamente 30 bar com 3 tubos de fogo.
1 As caldeiras flamatubulares possuem, na sua utilização, vantagens e desvantagens inframencionadas.
Vantagens:
a) aceita grandes variações de carga rapidamente (3,5 vezes mais rápido que caldeira aquatubular similar em capacidade);
b) simplicidade operacional; e c) manutenção mais fácil.
Desvantagens:
a) apresentam sérios problemas de incrustação, depósito no lado dos gases; b) necessitam de manutenção frequente;
c) dificuldade de acesso para manutenção e inspeção;
d) não podem trabalhar intermitentemente, pois podem surgir problemas na zona de fixação dos tubos (mandrilamento), devido a dilatações diferentes;
e) em geral, não geram vapor superaquecido;
f) custam mais a produzir vapor devido à grande capacidade de água;e
g) devido à simplicidade operacional e por não contar com muitos instrumentos para monitorizarão de sua operação, multas vezes sua operação é um tanto negligenciada.
1 As caldeiras aquatubulares têm aplicação em unidades industriais de grande capacidade de produção de vapor, como centrais termoelétricas, propulsão de navios e também como caldeiras auxiliares.
Gama de pressão:
a) até o máximo de 120 bar com circulação natural;e
b) acima de 120 bar com circulação forçada com 1 ou 2 bombas.
As caldeiras aquatubulares possuem, na sua utilização, as seguintes vantagens e desvantagens:
Vantagens:
a) grandes pressões (30 -165 bar);
b) grande capacidade de produção de vapor (40 a 100 t/h); c) rapidez de funcionamento; e
d) boa adaptação a diferentes tipos de combustível. Desvantagens:
a) grandes dimensões;
b) sensíveis a variações bruscas de carga;
c) grandes exigências com a água de alimentação devido à alta pressão e vapor; d) custo elevado; e
1.7 Funcionamento da caldeira aquatubular, flamatubular, caldeira elétrica e da caldeira de recuperação
1.7.1 Funcionamento da caldeira aquatubular de circulação natural de dois ou mais tubulões
As caldeiras aquatubulares podem ser de circulação natural ou forçada, sendo as de circulação natural as mais utilizadas na indústria e em navios. Neste trabalho, nos deteremos nas caldeiras aquatubulares de circulação natural.
Nas caldeiras aquatubulares de circulação natural, o vapor é produzido por diferença de densidade da água que circula nos tubos que interligam os tubulões, onde a mais fria, de densidade maior, flui nos circuitos descendentes (downcomers), e a mais aquecida, de menor densidade, já na fase de vapor úmido devido ao calor recebido dos gases da combustão, circula nos circuitos ascendentes (risers).
A circulação natural da água nos circuitos da caldeira pode ocorrer de forma livre devido à ação da gravidade ou acelerada, quando a água de alimentação entra pelos tubulões superiores e desce para os inferiores, acelerando o processo de circulação da água no feixe tubular da caldeira.
A maioria das caldeiras aquatubulares de dois tubulões para navios mercantes são de circulação acelerada. A figura 26 mostra o esquema típico de funcionamento de uma caldeira aquatubular de dois tubulões para navios mercantes. Observe que a água de alimentação entra no tubulão superior na forma de líquido sub resfriado (água em temperatura inferior à de saturação para a pressão de entrada), e desce para o tubulão inferior de forma acelerada através dos tubos mais frios, ou seja, os mais afastados da fornalha, estando protegidos pelos tubos geradores, os quais estão mais próximos da fornalha. A água quente e o vapor (mistura água-vapor) sobem para o tubulão superior pelos tubos geradores, os quais são mais expostos ao calor irradiado pela fornalha. Os tubos de retorno asseguram o suplemento de água mais densa ao tubulão inferior, relativamente fria, com a
finalidade de substituir a água e o vapor que se deslocam para cima, através dos tubos geradores.
Figura 26 - Funcionamento de uma caldeira aquatubular de dois tubulões.
1.7.2 Funcionamento das caldeiras flamatubulares
As caldeiras flamatubulares ou de tubos de fumaça funcionam através da troca de calor dos gases quentes oriundos da combustão na fornalha, os quais circulam no interior dos tubos imersos em um tubulão cilíndrico que contém a água a ser evaporada. A fornalha é localizada apenas de um lado, sendo o outro fechado por uma chapa plana. A figura 27 ilustra o funcionamento de uma caldeira flamatubular típica para uso comum industrial.
1.7.3 Funcionamento da caldeira de recuperação de gases
A caldeira de recuperação de gases é bastante utilizada em navios para o fornecimento das máquinas auxiliares e consumidores quando o navio está navegando. A energia necessária à produção do vapor é fornecida pelos gases de descarga dos MCPS que atravessam a caldeira aquecendo a água para a sua evaporação. A figura 28 ilustra um modelo típico usado abordo de navios do tipo flamatubular.
Figura 28 - Funcionamento de uma caldeira de recuperação flamatubular.
A caldeira de recuperação de gases também pode trabalhar como economizador nos navios, conforme ilustrado na figura 29, após a parada da caldeira auxiliar, onde o vapor é produzido como saturado para as auxiliares no evaporador ou superaquecido no superaquecedor para os turbo-geradores, após o preaquecimento da água da caldeira no economizador. Este tipo de sistema é bastante usual em navios petroleiros.
Figura 29 - Funcionamento de uma caldeira de recuperação marítima com economizador. 1.7.4 Funcionamento da caldeira elétrica
A figura 30 ilustra um esquema básico de funcionamento de uma caldeira elétrica, onde se observa que o aquecimento da água para a produção do vapor é feito por eletrodos, ou resistências elétricas blindadas, devidamente colocados no interior da caldeira e em contato com a água, fornecendo o calor por efeito Joule (resistências elétricas) ou passagem de corrente elétrica diretamente pela água (eletrodos).
1.8 Caldeiras a combustíveis sólidos, líquidos e a gás; suas diferenças. 1.8.1 Caldeiras a combustíveis sólidos
Diversos são os combustíveis sólidos que podem ser aplicados para a queima em caldeiras, podendo ser utilizados os combustíveis naturais ou derivados.
Os seguintes combustíveis sólidos são usualmente encontrados para a combustão em caldeiras:
1) Combustíveis sólidos naturais a) madeira;
b) turfa;
c) carvão mineral; e d) bagaço de cana.
2) Combustíveis sólidos derivados a) carvão vegetal;
b) coque de carvão; e c) coque de petróleo.
Nas caldeiras termoelétricas, o carvão mineral é largamente utilizado, por ser encontrado facilmente na natureza. Nas caldeiras que utilizam este combustível, o carvão pode ser britado ou pulverizado, sendo lançado em grelhas móveis que estão colocadas na parte inferior das fornalhas, abaixo das quais é insuflado ar para a combustão. O poder calorífico dos carvões minerais é bastante inferior ao dos combustíveis derivados de petróleo e contém diversas impurezas inertes ao processo de combustão. Os constituintes inertes (que não participam da combustão) frequentemente encontrados nos carvões, são as cinzas, o enxofre, e a umidade. As dimensões das fornalhas, dutos de circulação dos gases, e os espaçamentos entre os tubos dos feixes de troca de calor das caldeiras de carvão mineral, são maiores que as de óleo combustível, em decorrência do grande volume de gases produzidos somados às cinzas contidas no carvão, permitindo um tempo de permanência suficiente da mistura até a queima total. As caldeiras a carvão requerem, além dos equipamentos já citados, um sistema de correias transportadoras, sistema de armazenamento de carvão, tanque de captação de cinzas, sopradores de fuligem para eliminar de forma contínua os depósitos sobre os tubos, sistema de proteção de incidência direta de cinzas nos feixes tubulares para
evitar a erosão do feixe, e um sistema de captação de cinzas leves (coletores e precipitadores) levadas com os gases em direção à chaminé.
A figura 31 ilustra uma caldeira típica de combustível sólido.
Figura 31 - Caldeira aquatubular de combustível sólido.
Fonte: Bizzo, Geração e utilização de vapor, notas de aula, 2010.
1.8.2 Caldeiras a combustíveis líquidos
Os combustíveis líquidos frequentemente utilizados nas caldeiras marítimas são os seguintes: a) óleo combustível; e b) óleo diesel.
1.8.2.1 Óleo combustível
O óleo combustível é obtido a partir da mistura de um derivado de petróleo pesado, resíduo de vácuo ou resíduo asfáltico. Derivados mais leves são adicionados com a finalidade de se obter a viscosidade necessária para a queima. Os derivados mais utilizados para esta diluição são: óleo decantado, óleo pesado de reciclo de FCC, óleo leve de reciclo, resíduo aromático, diesel e querosene. Os valores das viscosidades máximas dos óleos combustíveis comercializados no Brasil são fornecidas pelo Departamento Nacional de Combustíveis (DNC) agrupadas na tabela 1 em nove faixas nas classes A e B. Para cada viscosidade, são especificadas duas faixas de teor de enxofre, sendo de até 5 % para óleo A, e até 1 % para o óleo B. A especificação do DNC prevê, para cada viscosidade, duas
faixas de teor de enxofre, sendo o máximo de 5 % para o óleo 1A e o máximo de 5,5 % para os óleos 2A a 9A. Para o óleo B, todos eles têm valor máximo de 1 % de teor de enxofre. Desta forma, um óleo combustível com viscosidade de 15.000 SSF a 50 ºC e 3 % de enxofre é classificado para faturamento como óleo 5A. Um óleo A, da mesma faixa de viscosidade que o óleo B, é mais barato por possuir maior teor de enxofre, e assim, quanto maior a faixa de viscosidade em que o óleo for enquadrado mais barato ele fica. O teor máximo de água e sedimentos limitados pelo DNC é de 2,0 % em volume. Ao receber óleo combustível para as caldeiras de um navio, o teor de enxofre e água devem estar de acordo com as instruções do fabricante, pois estes componentes afetarão a viscosidade com a ocorrência de sérios problemas na combustão .
Tabela 1 - Viscosidade recomendada para óleos combustíveis.
Fonte: Departamento Nacional de Combustíveis.
Tipos de óleos
combustível Ponto de Fulgor ºC
Teor de enxofre % (max) Viscosidade SSF a 50ºC Sedimentos %(max) 1A 66 5,0 600 2,0 2A 66 5,5 900 2,0 3A 66 5,5 2.400 2,0 4A 66 5,5 10.000 2,0 5A 66 5,5 30.000 2,0 6A 66 5,5 80.000 2,0 7A 66 5,5 300.000 2,0 8A 66 5,5 1.000.000 2,0 9A 66 5,5 sem limite 2,0 1B 66 1,0 600 2,0 2B 66 1,0 900 2,0 3B 66 1,0 2.400 2,0 4B 66 1,0 10.000 2,0 5B 66 1,0 30.000 2,0 6B 66 1,0 80.000 2,0 7B 66 1,0 300.000 2,0 8B 66 1,0 1.000.000 2,0 9B 66 1,0 sem limite 5,0 1.8.2.2 Óleo diesel
O óleo diesel é utilizado atualmente nas caldeiras dos navios, para início de acendimento e limpeza das redes de óleo combustível. Após o acendimento, o oficial de quarto comunica óleo combustível para as caldeiras de propulsão ou auxiliares. A substituição do óleo diesel pelos óleos combustíveis deve-se principalmente ao consumo elevado face ao óleo combustível.
1.8.2.3 Recomendações para caldeiras de óleos combustíveis
Uma caldeira para queima de óleo combustível, principalmente os mais viscosos, deve ser equipada com componentes auxiliares que facilitem este processo.
Assim, para estas instalações, são recomendados os seguintes requisitos: a) instalações adequadas para recebimento e manuseio do combustível, incluindo tanques para armazenamento e serviço de óleo combustível;
b) aquecedores de óleo combustível, com a finalidade de aumentar a temperatura do combustível na entrada da caldeira, mantendo uma viscosidade adequada à atomização e queima na fornalha, obtendo desta forma, a devida eficiência recomendada para a caldeira, já que a entrada de óleo combustível frio na fornalha proporciona uma queima incompleta, cedendo parte do seu calor para levar às moléculas a temperatura da reação de combustão com a consequente redução na eficiência do processo; e
c) pelos motivos relatados no item anterior, sempre que possível, as caldeiras de óleo combustível devem possuir sistemas para aquecimento prévio do ar destinados a combustão, denominados de pré aquecedores de ar, onde se obtém uma redução considerável na temperatura de saída dos gases da chaminé. O pré aquecedor de ar do tipo regenerativo é constituído basicamente de um motor e um rotor, com pás recobertas de material adequado para absorção do calor dos gases oriundos da combustão. Este conjunto, gira à baixa velocidade (2 a 3 rpm). Os gases da combustão, ao fluírem pelo equipamento, cedem calor às pás do rotor em rotação e, ao ocupar o compartimento no qual se tem o fluxo de ar, as referidas pás, aquecidas pelos gases da combustão, promovem a elevação da temperatura do fluxo de ar.
Figura 32 - Pré aquecedor de ar regenerativo.
Fonte: Formação de operadores de refinaria. Petrobrás, 2002.
1.8.3 Caldeiras a gás
As caldeiras projetadas para a queima de gás são em geral mais compactas que as utilizadas para os demais combustíveis. Isto se deve ao fato de o gás não precisar de nenhum aquecimento prévio para ser queimado nas fornalhas e nem de reservatórios de capacidade volumétrica elevada para sua estocagem, sendo um combustível de alto rendimento e contendo poucas impurezas. No entanto, por serem extremamente voláteis, a operação e a manutenção destas caldeiras devem seguir rigorosamente as instruções estabelecidas pelos fabricantes, para evitar o risco de explosão. Entre os combustíveis mais utilizados para estas caldeiras, estão o gás natural e os GLPS. Ressaltamos que o gás natural que é basicamente o metano (CH4), tem menor poder calorífico que o GLP constituído de propano (C3H8) e butano (C4H10).
Para os consumidores, com exceção da Petrobrás, que utilizam o gás natural, o Departamento Nacional de Combustível recomenda as seguintes especificações dispostas na tabela 2.
Tabela 2 - Especificações técnicas recomendadas para gás natural.
Fonte: Departamento Nacional de Combustíveis.
Gás Natural Valores
recomendados
Densidade relativa ao ar, a 20 Enxofre total, mg/m3
Gás sulfídrico, mg/m3
Nitrogênio + Dióxido de carbono, % Vol. Poder calorífico, a 20 ºC e 1 atm
Inferior ( Kcal/m3) Superior ( Kcal/m3) 0,60 a 0,81 110 (máx.) 29 (máx.) 6 (máx.) 7.600 a 11.500 8.500 a 12.500
OBS.: o produto deve ser isento de hidrocarbonetos condensados, óleos e partículas sólidas.
Atualmente, muitas caldeiras inicialmente projetadas para queima de óleo têm sido modificadas, para passarem a atuar alternativamente ou simultaneamente com queima de gás, e são as denominadas caldeiras de queima mista. Para as caldeiras de gás, a quantidade (em massa) de combustível dentro da fornalha é muito pequena, tornando a combustão muito sensível à variação de consumo de ar e combustível, permitindo em caso de necessidade, modificar a carga da fornalha instantaneamente. Ao mesmo tempo torna-se crítico o controle da combustão, pois uma interrupção da alimentação provocará a extinção da chama, o que está vinculado ao perigo de explosão ao recomeçar a alimentação. Por isso, nessas fornalhas normalmente são instalados vários queimadores. A figura 33 mostra uma instalação típica de uma caldeira a gás.
Figura 33 - Instalação típica de uma caldeira a gás.
Fonte: Goulart et al. Conversão de caldeiras a óleo combustível para gás, 2003.
A injeção de ar é normalmente feita por um ventilador através de registros (dampers) e difusores que controlam e dividem o ar de combustão. Em queimadores industriais de maior porte existem usualmente “dois ares”, ou seja, o ar primário com cerca de 80 % da quantidade estequiométrica, injetado próximo as lanças e o ar secundário, com cerca de 30 a 40 % do ar estequiométrico. Os difusores imprimem ainda aos fluxos de ar um movimento de rotação com o objetivo de aumentar a turbulência e a mistura com o combustível.
A figura 34 ilustra o esquema típico de uma caldeira mista ar-óleo combustível.
Figura 34 - Instalação típica de uma caldeira mista gás-óleo.
Fonte: Goulart et AL. Conversão de caldeiras a óleo combustível para gás, 2003.
Uma grande vantagem do GLP e do gás natural em relação aos óleos combustíveis, decorrente da limpeza dos produtos da combustão, é a possibilidade de queimar esses gases em contato direto com o produto a aquecer, nos casos onde isto não seja possível de ser feito com óleo. Por exemplo, quando os produtos são gêneros alimentícios, é necessário confinar os gases da queima de óleo dentro de tubos radiantes ou muflas para evitar a contaminação do aumento ou de sua embalagem.
Assim, a conversão de óleos combustível por GLP e GN permite a eliminação das superfícies de troca térmica, aumentando significativamente a eficiência energética do processo e reduzindo o consumo específico de combustível na faixa de 20 a 30 %.
Consequentemente haverá também redução das emissões de CO2,
contribuindo para a redução do efeito estufa. Essa otimização da eficiência energética frequentemente possibilita o aumento da produtividade do equipamento térmico.
A figura 1.34 ilustra uma caldeira mista com os respectivos dados técnicos.
Figura 35 - Caldeira mista gás - óleo para a produção de vapor.
Fonte: Domel. Caldeira flamatubular vertical para óleo ou gás, 2010.
1.8.4 Aquecedores de óleo térmico
Os aquecedores de óleo térmico são utilizados em alguns navios petroleiros, onde o vapor é substituído por este fluido, o qual geralmente é mantido na forma líquida em temperaturas elevadas. O fluido de aquecimento é um óleo especial chamado “óleo térmico” que pode transferir calor até 200 ºC, não precisando de alta pressão como o sistema de aquecimento a vapor e geralmente não muda de fase, permanecendo como líquido. O sistema de óleo térmico é um sistema
fechado onde circula o fluido de aquecimento, utilizando-se uma bomba de circulação de óleo térmico.
A figura 36 ilustra um aquecedor de óleo térmico típico para navios petroleiros.
Figura 36 - Aquecedor de óleo térmico para navios petroleiros.
Fonte:Thermal Energy Equipments, Boilers & Thermic Fluids Heater, 2010.
Atualmente, são projetados para uma capacidade térmica de 1000 a 10000 kW. A figura 37 ilustra um esquema típico usado para navios de óleo térmico.
Figura 37 - Sistema típico de óleo térmico para navios.
O aquecedor é o equipamento que fornece a energia térmica para o fluido térmico. Em navios, este aquecimento pode ser feito através da queima de óleos combustíveis ou gases de descarga dos MCPs. A chaminé é o equipamento responsável pela exaustão dos gases de combustão para atmosfera. O queimador é o equipamento responsável pela perfeita combustão e fornecimento de energia ao aquecedor . O sistema possui ainda os seguintes equipamentos:
a) tanque de dreno e enchimento, o qual é um reservatório que tem a função drenar total ou parcialmente o sistema no caso de manutenção. Normalmente é através deste tanque que se faz o enchimento de fluido térmico no sistema;
b) bomba de dreno e enchimento, a qual é utilizada para o enchimento e drenagem do sistema;
c) bomba de circulação de fluido, a qual é responsável pela circulação do fluido térmico entre o aquecedor e os diversos pontos de utilização;
c) separador de gás, o qual auxilia na eliminação de gases e umidade do sistema, principalmente durante o “startup” do mesmo;
d) selo térmico, que é um tanque que tem como principal objetivo a selagem térmica entre o sistema e o tanque de expansão, evitando com isto que o tanque de expansão trabalhe com uma temperatura muito alta;
e) tanque de expansão, o qual funciona armazenando a expansão volumétrica do fluido térmico quando do seu aquecimento e também da contração volumétrica, quando do seu resfriamento; e
f) consumidor de calor, que são os diversos utilizadores de óleo térmico que necessitam ser aquecidos para um determinado fim.
O óleo térmico utilizado a bordo dos navios deve possuir as seguintes características:
a) estabilidade térmica;
b) calor específico para absorção de calor; c) alta condutividade térmica;
d) baixa viscosidade; e e) vida útil elevada.
2 SISTEMAS E COMPONENTES DAS CALDEIRAS 2.1 Sistema de água de alimentação de caldeiras
Todas as caldeiras, sejam marítimas ou terrestres, possuem um sistema de água de alimentação, o qual é necessário para a admissão da água na caldeira através de bombas, até um determinado nível. Todos os sistemas de água de alimentação de caldeiras possuem, além das bombas d’água, diversos componentes os quais dependem do tipo e da aplicação ao qual se destina a caldeira.
2.2 Funcionamento do sistema de água de alimentação de uma caldeira marítima
As caldeiras marítimas podem ser utilizadas em navios tanto para a propulsão como para as máquinas auxiliares, sendo denominadas de caldeiras de alta pressão e caldeiras auxiliares. No presente trabalho, faremos a descrição dos sistemas para ambas as caldeiras.
A figura 38 ilustra o esquema de água de alimentação para uma caldeira marítima de alta pressão.
Neste sistema, as bombas de condensado principal (BCD) e auxiliar (BCDA), aspiram o condensado do condensador principal e do tanque de dreno, descarregando-o no sistema. A descarga da bomba de condensado principal, passa pelo ejetor de ar principal (EARP), adquirindo um pequeno gradiente de temperatura, e junta-se com a descarga da bomba de condensado auxiliar, tendo esta passado anteriormente pela válvula de controle de nível(CN) do tanque de dreno atmosférico e extrator de graxa, indo ao tanque desarejador (TD), após passar por dois estágios de aquecimento,o condensador do vapor de selagem das turbinas propulsoras(CDV) e o aquecedor de água de alimentação do primeiro estágio (AA1). Parte desta água é descarregada nos grupos destilatórios do navio. O condensador principal (CD) e o tanque desarejador (TD), possuem um controle de nível constituído pelas seguintes válvulas:
a) válvula de recirculação (VRC);
b) válvula de suplementação (VSCD); e c) válvula de alívio (VATD).
Figura 38 - Sistema de água de alimentação de caldeiras marítimas de alta pressão.
A válvula de recirculação atua no sentido de proporcionar sempre um nível compatível à aspiração das bombas de condensado principal, sendo comandada pelo controlador de nível do condensador principal.
A válvula de suplementação atua no sentido de enviar água dos tanques de água destilada (TA1 e TA2) ao condensador principal, quando o controlador do nível do desarejador detectar nível abaixo do normal.
A válvula de alívio funcionará em caso contrário, desviando o fluxo de água bombeado ao desarejador para o tanque de água destilada, sendo também comandada pelo controlador de nível do desarejador.
Saindo do desarejador, o condensado, em temperatura adequada, vai à aspiração das bombas d’água de alimentação (TBA1, TB2, TB3) e da bomba d’água de início de acendimento ou emergência(B). Dependendo do tipo de caldeira, estas
