Segurança na Operação de Caldeiras / NR-13

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Segurança na Operação de

Caldeiras / NR-13

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SENAI PETROBRAS

CTGÁS-ER

Natal / RN 2012

Segurança na Operação de Caldeiras / NR - 13

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Qualquer parte desta obra poderá ser reproduzida, desde que citada a fonte.

Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis– CTGÁS-ER Diretor Executivo

Rodrigo Diniz de Mello Diretor de Tecnologias

Pedro Neto Nogueira Diógenes Diretor de Negócios

José Geraldo Saraiva Pinto

Unidade de Negócios de Educação – UNED Coordenadora

Maria do Socorro Almeida Elaboração

Albino de Oliveira Fernandes Borges Diagramação

Lidigleydson de Melo Torres

FICHA CATALOGRÁFICA

CENTRO DE TECNOLOGIAS DO GÁS E ENERGIAS RENOVÁVEIS – CTGÁS -ER AV: Cap. Mor Gouveia, 1480 – Lagoa Nova

CEP: 59063-400 – Natal – RN Telefone: (84) 3204.8100 Fax: (84) 3204.8118

E-mail: [email protected] Site: www.ctgas.com.br

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SUMÁRIO

CAPÍTULO 1 - NOCÕES DE GRANDEZAS FÍSICAS ... 7

1.1 INTRODUÇÃO ... 7

1.2 PRESSÃO ... 7

1.3 CALOR ... 13

CAPÍTULO 2 - TIPOS DE CALDEIRAS ... 27

2.2 HISTÓRICO ... 27

2.3 O VAPOR NO SÉCULO XX ... 31

CAPÍTULO 3 - CALDEIRAS FLAMOTUBULARES ... 37

3.2 TIPOS DE CALDEIRAS FLAMOTUBULARES ... 37

3.3 TIPOS DE CALDEIRAS DE TUBOS HORIZONTAIS ... 38

3.4 PARTES DAS CALDEIRAS FLAMOTUBULARES ... 42

CAPÍTULO 4 - CALDEIRAS AQUATUBULARES ... 44

4.2 TIPOS DE CALDEIRAS AQUATUBULARES ... 44

4.3 PARTES DAS CALDEIRAS AQUATUBULARES ... 51

4.4 EQUIPAMENTOS PERIFÉRICOS ... 60

4.5 CALDEIRAS DE RECUPERAÇÃO ... 65

CAPÍTULO 5 - CALDEIRAS ELÉTRICAS ... 79

5.2 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DA CALDEIRA ELÉTRICA ... 79

5.3 CARACTERÍSTICAS ... 79

5.4 TIPOS DE CALDEIRAS ELÉTRICAS ... 80

CAPÍTULO 6 - INSTRUMENTOS DE DISPOSITIVOS DAS CALDEIRAS ... 84

6.2 DISPOSITIVOS DE ALIMENTAÇÃO... 84

6.3 VISOR DE NÍVEL ... 90

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6.4 INDICADORES DE PRESSÃO ... 96

6.5 DISPOSITIVOS DE SEGURANÇA ... 97

6.6 DISPOSITIVOS AUXILIARES ... 101

6.7 VÁLVULAS E TUBULAÇÕES ... 104

6.8 PURGADORES ... 109

CAPÍTULO 7 - OPERAÇÃO DE CALDEIRAS PROCESSO DE COMBUSTÃO .... 116

7.2 PROCESSO DE COMBUSTÃO ... 116

7.3 OPERAÇÃO DE CALDEIRAS ... 124

7.4 REGULAGEM E CONTROLE ... 131

7.5 FALHAS DE OPERAÇÃO ... 143

CAPÍTULO 8 - PREVENÇÃO CONTRA EXPLOSÕES E OUTROS RISCOS ... 156

8.2 PREVENÇÃO DE ACIDENTES ... 156

8.3 RISCOS NA CASA DA CALDEIRA ... 162

8.4 POLUIÇÃO DO AR PROVOCADA POR CALDEIRAS ... 163

8.5 MEDIDAS PARA A PREVENÇÃO DE EXPLOSÕES DA CALDEIRA ... 167

8.6 RISCOS NA MANUTENÇÃO DE CALDEIRAS ... 171

CAPÍTULO 9 - MANUTENÇÃO E INSPEÇÃO DE CALDEIRAS ... 174

9.2 TIPOS DE MANUTENÇÃO ... 174

9.3 INSPEÇÃO DE CALDEIRAS ... 178

CAPÍTULO 10 - TRATAMENTO DE ÁGUA ALIMENTAÇÃO DAS CALDEIRAS . 181 10.1 INTRODUÇÃO ... 181

10.2 CONSEQÜÊNCIAS DAS IMPUREZAS DA ÁGUA ... 184

10.3 INDICADORES ANALÍTICOS DE CONDIÇÕES DE UTILIZAÇÃO ... 188

10.4 TRATAMENTO DA ÁGUA ... 191

CAPÍTULO 11 - TRATAMENTO DE ÁGUA PARA CALDEIRAS ELÉTRICAS .... 206

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11.2 ÁGUA PARA ALIMENTAÇÃO DE CALDEIRA ELÉTRICAS A ELETRODO

SUBMERSO ... 206

11.3 ÁGUA PARA ALIMENTAÇÃO DE CALDEIRA ELÉTRICAS A JATO DE ÁGUA ... 207

11.4 ALIMENTAÇÃO DE PRODUTOS QUÍMICOS ... 207

11.5 DOSADORES ... 208

11.6 CONTROLES FÍSICOS DA ÁGUA ... 209

CAPÍTULO 12 - NORMAS REGULAMENTADORAS ... 210

12.2 NORMA REGULAMENTADORA (NR-13) ... 211

BIBLIOGRAFIA ... 244

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Segurança na Operação de Caldeiras / NR - 13

CAPÍTULO 1 - NOCÕES DE GRANDEZAS FÍSICAS

O propósito desta apostila é prover o aluno do Curso de Segurança para Operadores de Caldeira com informações tecnológicas sobre a operação, os tipos de Caldeira e a legislação brasileira, de acordo com a normas NR-13 - Caldeiras e Vasos de Pressão. Esta apostila é baseada no material para Treinamento do Dr.

SENAI-SP.

1.1 - INTRODUÇÃO

Caldeiras são equipamentos destinados a produzir e acumular vapor a uma pressão maior do que a pressão da atmosfera. Para produzir o vapor, uma fonte de calor aquece água sob condições controladas.

Quem opera caldeiras e vasos de pressão precisa saber bem como eles funcionam para obter o melhor desempenho possível do equipamento sob sua responsabilidade. Para isso, além da rotina normal de trabalho, o operador deve conhecer algumas noções sobre os fenômenos físicos que permitem que esses equipamentos operem de maneira produtiva e segura.

Por isso, neste módulo, falaremos sobre fenômenos físicos como pressão, calor, transferência de calor, tipos de vapor, bem como sobre as unidades de medida que os representam.

1.2 PRESSÃO

Se uma pessoa pisar na lama ou na areia fofa, nela será desenhada a marca das solas de seus sapatos. Isso acontece porque os pés da pessoa exerceram uma força sobre a superfície em que se apoiaram.

Pois bem, toda força, quando aplicada sobre uma área tem como resultado uma grandeza física chamada de pressão. Isso quer dizer que pressão é a força distribuída por uma determinada área.

Por ser uma grandeza física, a pressão pode ser representada matematicamente, ou seja:

A

P F na qual P é a pressão; F é a força e A é a área.

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Essa expressão nos ajuda a calcular a pressão sobre os corpos. Uma unidade de medida chamada pascal e representada pelo símbolo Pa expressa numericamente essa relação. Assim,

1 2

1 1

m Newton Pascal 

Nessa expressão, newton é a unidade de medida de força e m² é a unidade de medida de área, segundo o sistema SI.

Observação

O sistema SI é um sistema internacional que padroniza o uso das unidades de medida. Seu uso no Brasil é regulamentado por lei.

Assim, por exemplo, se quiserm os saber qual a pressão exercida pela face de um pa- ralelepípedo que tem uma área de 0,24 m² e exerce uma força de 24 N sobre a superfície sobre a qual ele se apoia, teremos:

Pa m P

N A

P F 100

24 , 0

24

2  





Isso significa que esse paralelepípedo exerce uma pressão de 100 Pa sobre a superfície sobre a qual ele está apoiado.

1.2.1 Pressão atmosférica

A Terra está envolta por uma camada de ar chamada atmosfera. O ar da atmosfera em torno de nós é tão leve que podemos nos mover através dele sem fazermos esforço. No entanto, esse ar tem peso. Como ele é atraído pela gravidade, faz força sobre nós em todas as direções, exercendo uma pressão de várias toneladas sobre nosso corpo. Não percebemos essa força porque a pressão do ar dentro dos nossos pulmões é igual á da atmosfera.

Essa pressão se chama pressão atmosférica. Ela pode ser comprovada por meio de uma experiência simples: molha-se a borda de um desentupidor de pia que é comprimido contra uma superfície plana. Isso expulsa a maior parte do ar que

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havia dentro do desentupidor e será preciso fazer muita força para retirá-lo do lugar.

Isso acontece porque, sem ar no seu interior, o desentupidor sofre uma pressão externa muito maior do que a pressão interna. Figura 01

Figura 01

A pressão atmosférica varia de acordo com a altitude, ou seja, ela é maior nos locais mais baixos e menor nos locais mais altos.

Quem comprovou isso pela primeira vez foi um físico italiano chamado Evangelista Torricelli. Emborcando em uma cuba cheia de mercúrio um tubo de vidro de 1 m de comprimento, fechado em uma das extremidades, e também cheio de mercúrio, ele observou que, ao nível do mar, a coluna de mercúrio contida dentro do tubo descia até atingir 760 mm de altura (0,76 m). Figura 02

Figura 02

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Com isso, ele comprovou que a pressão atmosférica, agindo sobre a superfície livre do mercúrio que estava dentro da cuba, equilibrou a pressão exercida pela coluna de mercúrio contra o fundo da cuba. Para esse valor de 76 cm (760 mm) de altura de mercúrio (Hg), ele deu o nome de atmosfera (atm).

O aparelho simples que Torricelli inventou para fazer essa experiência chama-se barômetro. Quando a experiência foi repetida, com o auxilio do barômetro em locais de altitudes variadas, ficou comprovado que a altura da coluna de mercúrio também va- riava. Figura 03

Figura 03

Com isso, concluiu que a pressão atmosférica varia em função da altitude.

Isso pode ser demonstrado nos exemplos do quadro a abaixo:

Altitude Pressão atmosférica em mm de mercúrio (mmHg)

0 m 760 mm de Hg

100 m 750 mm de Hg

500 m 710 mm de Hg

1000 m 660 mm de Hg

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1.2.2 Pressão manométrica e pressão absoluta

Como já foi visto no inicio deste módulo, caldeira é um equipamento destinado a produzir e acumular vapor a uma pressão maior do que a pressão atmosférica.

Como esse fator é critico para a operação do equipamento, seria interessante estudar o que acontece com o vapor encerrado em um recipiente fechado. Para o operador de caldeira, há dois fatores muito importantes a serem observados:

1.Gases encerrados em recipientes, mesmo sem aquecimento, exercem pressão igual em todos os sentidos sobre as paredes do vaso que os contêm. Um exemplo disso é o pneu do automóvel.

2. Essa pressão se eleva sempre que a temperatura aumenta. Isso significa que, se uma dona-de-casa descuidada e distraída colocar ao fogo uma panela de pressão com as válvulas entupidas, o aumento da temperatura levará a um aumento constante da pressão interna da panela, até ela explodir. É isso o que acontece com a caldeira, se essa pressão interna não for controlada.

Essa pressão, que é medida dentro de um recipiente fechado (caldeira, por exemplo) e tendo como referência a pressão atmosférica do local onde o recipiente está, é chamada de pressão relativa ou manométrica. A pressão relativa pode ser positiva ou negativa.

Se a pressão relativa é positiva, ou seja, se ela for maior que zero, ela é medida por meio de um instrumento chamado de manômetro. É com o manômetro que o operador verifica os níveis de pressão dentro da caldeira e os mantém dentro de faixas seguras de operação. Figura 04

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Figura 04

Se a pressão relativa for negativa, isto é, se ela for menor que zero, o vacuômetro é usado na medição.

Se no local onde é feita a medição a pressão relativa (ou manométrica) for somada com a pressão atmosférica, obteremos a pressão absoluta.

1.2.3 Correspondência entre unidades de medida

Para interpretar os dados do mostrador do manômetro, é preciso conhecer a corres- pondência entre as unidades de medidas de força e área, uma vez que elas variam de acordo com as normas de cada país e, portanto, variam de equipamento para equipamento, dependendo do país onde foi fabricado.

As normas brasileiras, estabelecidas pela ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) recomendam a utilização das unidades do Sistema Internacional (SI). O quadro a seguir, apresenta a correspondência entre várias unidades de medida de pressão.

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*Unidade do Sistema Internacional Observação

De acordo com o sistema SI, uma atm (atmosfera) corresponde a 101.325 Pa.

1.3 CALOR

Tudo o que nos cerca é formado de partículas - chamadas de moléculas - que estão em constante movimento, embora isso não seja visível. Esse fenômeno acontece porque as moléculas são dotadas de energia de agitação chamada de energia térmica.

Para saber quanta energia térmica tem um corpo, mede-se sua temperatura, que nada mais é que a grandeza que indica o nível de agitação das partículas. Assim, quanto maior é a agitação das partículas, maior é a temperatura do corpo.

kPa (KN/m²)*

bar Kgf/cm² psi (lbf/pol²)

atm mm Hg (torr)

m H20 (mca)

100 1 1,019716 14,503 0,9869 750,062 10,19716 98,0665 0,980665 1 14,2233 0,967841 735,556 10,00

6,8947 0,068947 0,070307 1 0,068046 51,715 0,70307 101,325 1,01325 1,03323 14,6959 1 760 10,33226 133,322 1,33322 1,3595 19,368 1,31579 1000 13,59

9,80665 0,09806 0,1000 1,42233 0,09677 73,556 1 1 0,0100 0,01019 0,14503 0,009869 7,50062 0,10197

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Quando dois corpos com temperaturas diferentes são postos em contato, acontece a transferência de energia térmica do corpo mais quente para o corpo mais frio, até que se alcance o equilíbrio térmico, ou seja, até que as temperaturas se tornem iguais.

Essa energia térmica que passa de um corpo para outro, enquanto existe diferença de temperatura, tem o nome de calor.

1.3.1 Escalas de temperatura

Há várias maneiras de representar a temperatura: a escala Celsius, a escala Fahrenheit e a escala Kelvin.

Como ponto de referência para as medições, as escalas usam a temperatura do gelo fundente e a temperatura da água em ebulição.

Na escala Celsius, por exemplo, a temperatura do gelo fundente corresponde a 0º C, enquanto que a temperatura da água em ebulição corresponde a 100º C na escala.

O intervalo entre esses dois pontos foi dividido em 100 partes iguais e cada uma dessas partes corresponde a 1º C.

Na escala Fahrenheit, a temperatura do gelo fundente corresponde a 32º F e a da água em ebulição é de 212º F. A faixa entre esses dois pontos foi dividida em 180 partes iguais e cada divisão é igual a 1º F.

Para a escala Kelvin, o número de divisões em K corresponde ao equivalente em ºC, com a temperatura do gelo fundente (0º C) correspondendo ao valor de +273K. figura 05

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figura 05

1.3.2 Transferência de calor

Quando o calor se propaga de um ponto de maior temperatura para outro de menor temperatura, ocorre um fenômeno chamado de transmissão de calor. O calor pode propagar-se através das substâncias com facilidade ou com dificuldade.

A facilidade ou dificuldade que o calor tem de propagar-se através das substâncias recebe o nome de condutibilidade térmica e ajuda a classificar os materiais em condutores e isolantes.

Os materiais condutores são aqueles que transmitem o calor com mais facilidade. Os metais em geral são bons condutores de calor.

Os materiais isolantes, por outro lado, são maus condutores de calor.

Materiais como tecidos, papel e amianto são exemplos de material isolante.

Mesmo entre os materiais condutores, a quantidade de calor que passa através de uma parede feita de qualquer material depende:

 Da diferença de temperatura que existe entre ambos os lados do material;

 Do tamanho da superfície da face exposta ao calor, ou seja, superfícies maiores transmitem mais calor;

 Da espessura da parede;

 Do material de construção da parede.

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A propagação do calor acontece nos sólidos, nos líquidos, nos gases e no vácuo e pode ocorrer de três formas: por condução, por convecção e por radiação.

Nos materiais sólidos, o calor se propaga por condução. Isso é facilmente verificado ao se colocar a extremidade de uma barra de ferro no fogo.

Após um certo tempo, quem estiver segurando a outra extremidade da barra, começará a perceber que a temperatura aumenta gradativamente, até que fica impossível continuar a segurá-la. figura 05

figura 05

Nos líquidos e gases, o calor se propaga por convecção, ou seja, as massas de líquidos e gases trocam de posição entre si. Isso significa que, se fosse retirada a fonte de calor – o fogo – que aquecia a barra do exemplo anterior, e se mantivéssemos a mão a uma certa distância do material aquecido, seria possível perceber seu calor. figura 06

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Isso acontece porque o ar em torno da barra quente se aquece, fica mais leve e sobe.

O espaço livre deixado pelo ar quente, é então ocupado pelo ar mais frio (mais denso) que, por sua vez, se aquece, repetindo o ciclo anterior. Dessa forma, estabelecesse uma corrente ascendente do ar quente, que atua como veículo transportador de calor desde a barra de ferro até a mão. Em países de clima frio, por exemplo, o sistema de aquecimento de ambientes se baseia na convecção do calor da água. figura 07

Figura 07

Relembrando: na transmissão por condução, o calor passa de molécula para molécula. Na transmissão por convecção por sua vez, o calor é transferido juntamente com o ar, a água ou outro material.

A transmissão por radiação é diferente porque o calor é transferido sem a ajuda de nenhum material. O melhor exemplo desse tipo de transmissão é o calor do Sol que chega à Terra: o calor não vem por condução porque não há contato físico entre os dois astros; nem vem por convecção porque não há atmosfera ligando um ao outro. O calor do sol chega até nós por ondas semelhantes às ondas de radio e àquelas que transmitem a luz. São as chamadas ondas de energia radiante.

É possível sentir os efeitos dessas ondas, aproximando a mão por baixo de uma lâmpada elétrica acesa. A mão ficará quente apesar do fato de que o ar quente sobe. Na verdade, o calor sentido foi transmitido por radiação. figura 08

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Figura 08

O fenômeno de troca de calor é muito empregado nos processos industriais e ajuda a atender às exigências tecnológicas desses processos. Nas caldeiras, o processo de transferência de calor entre a queima do combustível na fornalha e o aquecimento da água e conseqüente geração de vapor pode ocorrer por radiação, convecção ou condução. Em muitos casos, é importante que o aquecimento ocorra com um mínimo de variação de temperatura. Através da regulagem do fluxo de vapor, é possível controlar e garantir que o aquecimento de um combustível, por exemplo, seja feito sob temperatura constante.

Calor específico

Algumas substâncias são mais difíceis de se aquecerem do que outras. Se uma vasilha com água for colocada sobre uma chama e se um bloco de ferro de massa igual for colocado sobre uma chama de mesma intensidade, o ferro ficará logo tão quente que fará ferver qualquer gota de água que respingue sobre ele.

A água, por outro lado, continuará fria o suficiente para que se possa mergulhar a mão nela sem queimá-la.

Isso significa que o ferro necessita de menos calor do que a água para elevar sua temperatura, ou seja, ele tem menor calor específico.

O calor específico indica a quantidade de calor que cada unidade de massa de determinada substância precisa para que sua temperatura possa variar em 1ºC. É uma característica da natureza de cada substância. Portanto cada uma tem seu próprio calor específico. Para os gases, o calor específico varia com a

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A unidade de medida do calor específico é a caloria por grama por ºCelsius. O calor específico do vapor sob pressão constante é 0,421 cal/gºC.

Calor sensível

Calor sensível é a denominação dada à quantidade de calor absorvido ou cedido por um corpo quando, nessa transferência, ocorre uma variação de temperatura.

Calor latente

Calor latente é a denominação dada à quantidade de calor absorvido ou cedido por um corpo, quando houver uma mudança de estado sem que haja variação de temperatura. Como exemplo, pode-se citar a transformação do gelo (água em estado sólido) em água em estado líquido, com a temperatura se mantendo constante.

Dilatação térmica

Neste fascículo já estudamos que quando um corpo é aproximado de uma fonte de calor, vários fenômenos acontecem: a temperatura se eleva e algumas de suas propriedades e caraterísticas físicas, tais como dimensões, volume e calor específico, se modificam.

Vimos também que o calor é a energia gerada pelo movimento das moléculas. Quando um material é aquecido, suas moléculas se agitam mais intensamente. Por causa disso, elas se movimentam e o material se expande, isto é, aumenta de tamanho. Esse fenômeno se chama dilatação térmica.

De fato, com o aquecimento, o comprimento, a superfície e o volume do corpo aquecido aumentam proporcionalmente.

Isso quer dizer que, dependendo do material e das condições do aquecimento, a dilatação pode ser:

 linear, ou seja, quando o aumento é maior no sentido de uma das dimensões do corpo.

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 superficial, isto é, a expansão acontece apenas na superfície do material.

 volumétrica, quer dizer, a variação de tamanho se dá no volume do corpo.

Os materiais sólidos, quando aquecidos, podem apresentar esses três tipos de dilatação. Já os líquidos e os gases, por não terem formas próprias, apresentam somente a dilatação volumétrica.

Cada tipo de dilatação apresenta um determinado coeficiente de dilatação térmica, ou seja, o aumento de tamanho para cada grau de elevação na temperatura.

Nas caldeiras os coeficientes que interessam ao operador são os coeficientes de dilatação volumétrica, representados pela razão da variação do volume de um corpo por unidade de volume, quando sua temperatura varia de 1ºC.

Os líquidos têm um coeficiente de dilatação volumétrica maior que os sólidos e exercem pressão ao serem aquecidos em recipientes fechados.

Vapor saturado e vapor superaquecido

Quando um recipiente fechado contendo água é aquecido, o calor faz as moléculas da água se moverem mais depressa de modo que sua temperatura sobe. Ao atingir a temperatura próxima de 100ºC (considerando-se a pressão ao nível do mar), a água entrará em ebulição com formação de vapor. Enquanto existir água dentro do recipiente, o vapor é considerado saturado e sua temperatura não aumentará.

Mantendo-se o aquecimento após toda a água se evaporar, teremos o que se denomina vapor superaquecido, com conseqüente aumento de temperatura.

Existem processos industriais que exigem vapor seco, sem partículas sólidas em suspensão e com temperatura elevada. Isso é obtido por meio da produção do vapor superaquecido. Porém, o vapor saturado arrasta umidade e grande parte das impurezas na forma de partículas sólidas, causando danos ao processo. Um tratamento eficaz da água da caldeira pode diminuir a quantidade das partículas, minimizando esse problema.

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Mostramos a seguir uma tabela na qual, a um dado valor de pressão absoluta, ou seja, a soma do valor da pressão manométrica com o valor da pressão atmosférica, corresponde uma temperatura de vapor saturado.

Tabela: relação entre pressão absoluta e temperatura do vapor saturado

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Observação:

Pressão Absoluta corresponde à pressão manométrica + pressão atmosférica

Nocões de escoamento dos fluídos

Uma das variáveis mais manipuladas pelo Operador no seu trabalho diário, relaciona-se com o escoamento dos fluidos de um ponto a outro do processo.

Vazão

Vazão é a quantidade de fluido que escoa por uma tubulação e seus acessórios durante um intervalo de tempo considerado, que pode ser dado em segundos, minutos, horas, dias.

A quantidade pode ser dada em Volume - vazão volumétrica, ou Massa - vazão em massa.

A vazão volumétrica é dada pela seguinte igualdade:

t V cia transferên de

tempo

o transferid volume

Q 

_ _

_

As unidades de medida de vazão volumétrica são m3/h e I/min.

Exemplo:

Volume transferido = 2m³ Tempo = 2 horas

Vazão: 2 m³ / 2 h = 1m³/h

A vazão em massa é obtida pela fórmula:

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t M cia transferên de

tempo

a transferid Massa

W  

_ _

_

As unidades de representação da vazão em massa são: kg/h, ton/h e g/min.

Exemplo:Massa transferida = 2 toneladas; Tempo = 2 horas Vazão: 2 ton / 2 h = 1 ton/h

Escoamento

Escoamento é o caminho que o fluido percorre no equipamento.

Dependendo da maneira como o fluido escoa, o escoamento pode ser de dois tipos:

escoamento laminar ou escoamento turbulento.

No escoamento laminar, as partículas do fluido deslocam-se paralelamente umas às outras, praticamente sem se misturarem, como se formassem camadas de deslocamento com sentido preferencial. Veja representação esquemática a seguir.

No escoamento turbulento, as partículas fluem em todas as direções e provocam turbilhonamento e redemoinhos. Isso acontece na associação de velocidades elevadas associadas a viscosidades baixas. O escoamento de água e de gases é sempre do tipo turbulento. A ilustração a seguir representa esquematicamente esse fenômeno.

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A turbulência favorece as trocas de calor e a mistura do próprio fluido no interior da tubulação, tornando-o mais homogêneo.

Vários fatores influenciam no tipo de escoamento, a saber:

 velocidade do fluido;

 diâmetro da tubulação;

 viscosidade do fluido;

 densidade do fluido.

Velocidade de escoamento

Velocidade de escoamento é a vazão que passa por uma tubulação ou por um equipamento por unidade de área.

A velocidade de escoamento pode ser medida de forma: linear e em massa.

A velocidade linear é aquela pela qual as moléculas do fluido se deslocam na tubulação.

A velocidade em massa é o produto da vazão em massa pela área da seção transversal. É muito usada para gases, cujo volume varia bastante, porém a massa, não.

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Perda de carga

Perda de carga é a queda de pressão que um fluido sofre quando escoa por uma tubulação, devido a atritos e acidentes provocados por curvas, válvulas, derivações e outros acessórios.

Nos equipamentos, as perdas de carga podem ser provocadas por defletores, chicanas, recheios.

Exercícios

1. Pressão pode ser definida por:

a) força distribuída por volume b) força distribuída por área c) força distribuída por comprimento d) nenhuma das anteriores 2. São unidades de pressão:

a) kg/m2 b) lbf/in c) kgf/cm2 d) g/cm3 e) Newton

3. Pressão manométrica pode ser considerada como:

a) pressão ao nível do mar b) pressão do meio ambiente

c) pressão no interior de um vaso, medida pelo manômetro d) diferença entre a pressão interna e externa de um vaso 4. 1 kgf/cm2 equivale a:

a) 500 mm Hg b) 14,22 lbf/in2 c) 1,308 bar d) 1 atm

5. A transmissão de calor pode se dar por:

a) condução, convecção, radiação b) condução, convecção, irradiação c) convecção, radiação, aquecimento d) resfriamento, condução, radiação

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6. O que acontece com determinado material, quando sofre aquecimento?

7. Na caldeira pode ocorrer os três tipos de dilatação? Exemplifique.

8. Em que temperatura (ao nível do mar) inicia-se a ebulição da água?

9. Qual a diferença principal entre vapor saturado e superaquecido?

10. Na tabela de vapor quais as temperaturas correspondentes às pressões ab- solutas abaixo:

a) 1,0 kgf/cm2 b) 5,5 kgf/cm2 c) 12,0 kgf/cm2

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CAPÍTULO 2 - TIPOS DE CALDEIRAS

2.1 – INTRODUÇÃO

Calor é o resultado da agitação de moléculas dentro dos corpos. É uma forma de energia que se transfere de um corpo para outro quando há diferença de temperatura entre eles. Essa transferência de calor se dá de três maneiras: por radiação, por condução e por convecção.

Como forma de energia, o calor é usado pelo homem para produzir trabalho e um dos modos de conseguir isso é utilizando a transferência de calor para produzir vapor.

Atualmente, muitas das indústrias usam vapor em seus processos de produção. A fim de atender a essa necessidade sempre crescente, a geração de vapor pode ser realizada nas caldeiras, nos equipamentos geradores de vapor, ou pelo aproveitamento do calor residual proveniente de alguns tipos de processos industriais, como a side- rurgia (gases de alto-forno).

Devido à importância do vapor e de seus processos de geração, neste módulo, serão estudados os diversos tipos de caldeiras, sua classificação e seu emprego.

2.2 HISTÓRICO

Não é de hoje que o homem percebeu que o vapor podia fazer as coisas se movimentarem. No primeiro século da era cristã, portanto há mais de 1800 anos, um estudioso chamado Heron de Alexandria, construiu uma espécie de turbina a vapor, chamada eolípila.

Nesse engenho, enchia-se uma esfera de metal com água que produzia vapor que se expandia e fazia a esfera girar quando saía através de dois bicos, colocados em posições diametralmente opostas. Todavia, embora isso movimentasse a esfera, nenhum trabalho útil era produzido por esse movimento e o sábio não conseguiu ver nenhuma utilidade prática para seu invento. Figura 01

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Figura 01

Muitos séculos mais tarde, a máquina a vapor foi a primeira maneira eficiente de produzir energia independentemente da força muscular do homem e do animal, e da força do vento e das águas correntes. Sua invenção e uso foi uma das bases tecnológicas da Revolução Industrial. Em sua forma mais simples, as máquinas a vapor usam o fato de que a água, quando convertida em vapor se expande e ocupa um volume de até 1.600 vezes maior do que o original, quando sob pressão atmosférica.

Foi somente no século XVII, mais precisamente em 1690, que o físico francês Denis Papin usou esse princípio para bombear água. O equipamento bastante rudimentar que ele inventou, era composto de um pistão dentro de um cilindro que ficava sobre uma fonte de calor e no qual se colocava uma pequena quantidade de água. Quando a água se transformava em vapor, a pressão deste forçava o pistão a subir.

Então a fonte de calor era removida o que fazia o vapor esfriar e se condensar. Isso criava um vácuo parcial (pressão abaixo da pressão atmosférica) dentro do cilindro. Como a pressão do ar acima do pistão era a pressão atmosférica, ela o empurrava para baixo, realizando o trabalho.

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Mas, a utilização efetiva dessa tecnologia só se iniciou com a invenção de Thomas Savery patenteada em 1698 e aperfeiçoada em 1712 por Thomas Newcomen e John Calley. Figura 02

Figura 02

Nessa máquina, o vapor gerado em uma caldeira era enviado para um cilindro localizado em cima da caldeira. Um pistão era puxado para cima por um contrapeso. Depois que o cilindro ficava cheio de vapor, injetava-se água nele, fazendo o vapor condensar. Isso reduzia a pressão dentro do cilindro e fazia o ar externo empurrar o pistão para baixo. Um balancim era ligado a uma haste que levantava o êmbolo quando o pistão se movia para baixo. O vácuo resultante retirava a água de poços de mina inundados.

Um construtor de instrumentos escocês chamado James Watt notou que a máquina de Newcomen, que usava a mesma câmara para altern ar vapor aquecido e vapor resfriado condensado desperdiçava combustível. Por isso, em 1765, ele projetou uma câmara condensadora separada, refrigerada a água. Ela era equipada com uma bomba que mantinha um vácuo parcial e uma válvula que retirava periodicamente o vapor do cilindro. Isso reduziu o consumo de

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combustível em 75%. Essa máquina corresponde aproximadamente à moderna máquina a vapor.

Em 1782, ele projetou e patenteou a máquina rotativa de ação dupla na qual o vapor era introduzido de ambos os lados do pistão de modo a produzir um movimento para cima e para baixo. Isso tornou possível prender o êmbolo do pistão a uma manivela ou um conjunto de engrenagens para produzir movimento rotativo e permitiu que essa máquina pudesse ser usada para impulsionar mecanismos, girar rodas de carroças ou pás para movimentar navios em rios. Figura 03

Figura 03

No fim do século XVIII, as máquinas a vapor produzidas por Watt e seu companheiro Matthew Boulton forneciam energia para fábricas, moinhos e bombas na Europa e na América.

O aparecimento das caldeiras, que podiam operar com altas pressões e que foram desenvolvidas por Richard Trevithick na Inglaterra e por Oliver Evans nos Estados Unidos, no início do século XIX, tornou-se a base para a revolução dos transportes uma vez que elas podiam ser usadas para movimentar locomotivas, barcos fluviais e, depois, navios.

A máquina a vapor tornou-se a principal fonte produtora de trabalho do século XIX e seu desenvolvimento se deu no esforço de melhorar seu rendimento, a confiabilidade e a relação peso/potência. O advento da energia elétrica e do motor

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de combustão interna no século XX, todavia, condenaram pouco a pouco, nos países mais industrializados, a máquina a vapor ao quase esquecimento.

2.3 O VAPOR NO SÉCULO XX

No século XX, a máquina a vapor, como fornecedora de energia foi sendo substituída por:

 turbinas a vapor, para a geração de energia elétrica;

 motores de combustão interna para transporte;

 geradores para fontes portáteis de energia;

 por motores elétricos, para uso industrial e doméstico.

Mesmo assim, o vapor ainda hoje tem extensa aplicação industrial, nas mais diversas formas, dependendo do tipo de indústria e da região onde está instalada

O vapor produzido em um gerador de vapor pode ser usado de diversas formas:

 em processos de fabricação e beneficiamento;

 na geração de energia elétrica;

 na geração de trabalho mecânico;

 no aquecimento de linhas e reservatórios de óleo combustível;

 na prestação de serviços.

Nos processos de fabricação e de beneficiamento, o vapor é empregado em:

 Indústria de bebidas e conexos: nas lavadoras de garrafas, tanques de xarope, pasteurizadoras.

 Indústrias madeireiras: no cozimento de toras, secagem de tábuas ou lâminas em estufas, em prensas para compensados.

 Indústria de papel e celulose: no cozimento de madeira nos digestores, na secagem com cilindros rotativos, na secagem de cola, na fabricação de papelão corrugado.

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 Curtumes: no aquecimento de tanques de água, secagem de couros, estufas, prensas, prensas a vácuo.

 Indústrias de laticínios: na pasteurização, na esterilização de recipientes, na fabricação de creme de leite, no aquecimento de tanques de água, na produção de queijos, iogurtes e requeijões (fermentação).

 Frigoríficos: nas estufas para cozimento, nos digestores, nas prensas para extração de óleo.

 Indústria de doces em geral: no aquecimento do tanque de glicose, no cozimento de massa em panelas sob pressão, em mesas para o preparo de massa, em estufas.

 Indústria de vulcanização e recauchutagem: na vulcanização, nas prensas.

 Indústrias químicas: nas autoclaves, nos tanques de armazenamento, nos reatores, nos vasos de pressão, nos trocadores de calor.

 Indústria têxtil: utiliza vapor no aquecimento de grandes quantidades de água para alvejar e tingir tecidos, bem como para realizar a secagem em estufas.

 Indústria de petróleo e seus derivados: nos refervedores, nos trocadores de calor, nas torres de fracionamento e destilação, nos fornos, nos vasos de pressão, nos reatores e turbinas.

 Indústria metalúrgica: nos banhos químicos, na secagem e pintura.

A geração de energia elétrica através de vapor é obtida nas usinas termoelétricas e outros pólos industriais. Para isso, os equipamentos são compostos basicamente de um gerador de vapor superaquecido, uma turbina, um gerador elétrico e um condensador.

O vapor é também utilizado para a movimentação de equipamentos rotativos, na geração de trabalhos mecânicos.

Nas indústrias onde é usado “óleo combustível pesado”, é necessário o aquecimento das tubulações e reservatórios de óleo, a fim de que ele possa fluir livremente e proporcionar uma boa combustão. Isso é feito por meio dos geradores de vapor.

Além desses usos industriais, os hospitais, as indústrias de refeições, os hotéis e similares utilizam o vapor em suas lavanderias e cozinhas e no aquecimento de ambientes.

(33)

2.3.1 Classificação das caldeiras

As caldeiras podem ser classificadas de acordo com:

 classes de pressão;

 grau de automação;

 tipo de energia empregada;

 tipo de troca térmica.

De acordo com as classes de pressão, as caldeiras foram classificadas segundo a NR-13 em:

 Categoria A: caldeira cuja pressão de operação é superior a 1960 kPa

 (19, 98kgf/cm2);

 Categoria C: caldeiras com pressão de operação igual ou inferior a 588 kPa

 (5,99kgf/cm2) e volume interno igual ou inferior a 100 litros;

 Categoria B: caldeiras que não se enquadram nas categorias anteriores.

De acordo com o grau de automação, as caldeiras podem se classificar em: manuais, semi-automática e automática.

De acordo com o tipo de energia empregada, elas podem ser do tipo:

combustível sólido, liquido, gasoso, caldeiras elétricas e caldeiras de recuperação.

Existem outras maneiras particulares de classificação, a saber:

quanto ao tipo de montagem, circulação de água, sistema de tiragem e tipo de sustentação.

2.3.2 Tipos de caldeiras

A classificação mais usual de caldeiras de combustão refere-se à localização de água/gases e divide-as em: flamotubulares, aquatubulares e mistas.

As caldeiras flamotubulares ou fogotubulares são aquelas em que os gases provenientes da combustão (gases quentes) circulam no interior dos tubos, ficando por fora a água a ser aquecida ou vaporizada.

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A ilustração a seguir é uma representação esquemática da caldeira flamotubular. Figura 04

Figura 04

Ao se acompanhar o processo evolutivo por que passaram os geradores de vapor, nota-se que nas caldeiras flamotubulares primitivas a superfície de aquecimento era muito pequena, tendo como conseqüência uma baixa vaporização específica (12 a 14kg de vapor gerado/m²).

Embora essa capacidade tenha sido ampliada com o aumento do número de tubos, por mais tubos que se colocassem dentro da caldeira, essa superfície ainda continuava pequena, causando o baixo rendimento térmico e a demora na produção de vapor.

Com a evolução dos processos industriais, aumentou muito a necessidade de caldeiras com maior rendimento, menos consumo, rápida geração e grandes quantidades de vapor. Baseados nos princípios da transferência de calor e na experiência com os tipos de caldeiras existentes, os fabricantes inverteram a forma de geração de calor: trocaram os tubos de fogo por tubos de água, o que aumentou muito a superfície de aquecimento, surgindo a caldeira aquatubular.

Seu princípio de funcionamento baseia-se no princípio da Física que diz que quando um líquido é aquecido, as primeiras partículas aquecidas ficam mais leves e sobem, enquanto que as frias, que são mais pesadas, descem. Recebendo

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calor, elas tornam a subir, formando assim um movimento contínuo, até que a água entre em ebulição.

Na ilustração a seguir, podemos notar que a água é vaporizada nos tubos que constituem a parede mais interna, subindo ao tambor de vapor, dando lugar a nova quantidade de água fria que será vaporizada e assim sucessivamente. Figura 05

Figura 05

As caldeiras mistas são caldeiras flamotubulares que possuem uma ante-fornalha com parede d’água. Normalmente são projetadas para a queima de combustível sólido.

A caldeira elétrica é um equipamento cujo papel principal é transformar energia elétrica em térmica, para transmiti-la a um fluido apropriado, geralmente água.

A produção de vapor, em uma caldeira elétrica, baseia-se no fato de que a corrente elétrica, ao atravessar qualquer condutor, encontra resistência a sua livre circulação e desprende calor (Efeito Joule). As partes constituintes dessas caldeiras serão estudadas em outros módulos.

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Exercícios

1. De acordo com a passagem de gases e água, como podem se classificar as caldeiras?

2. Cite algumas utilizações do vapor?

3. De acordo com o grau de automação, como se classificam as caldeiras?

4. De acordo com as classes de pressão, como se classificam as caldeiras?

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CAPÍTULO 3 - CALDEIRAS FLAMOTUBULARES

3.1 - INTRODUÇÃO

O rendimento térmico da caldeira flamotubular é normalmente mais baixo e o espaço ocupado por ela é proporcionalmente maior, embora atualmente já existam modelos compactos desse tipo de caldeira. Apesar dessas restrições, seu emprego pode ser indi- cado de acordo com as necessidades particulares de cada processo industrial, sendo adequado para pequenas instalações industriais.

Neste fascículo serão estudadas algumas características e as partes componentes das caldeiras flamotubulares.

3.2 TIPOS DE CALDEIRAS FLAMOTUBULARES

Caldeiras flamotubulares ou fogotubulares são aquelas em que os gases provenientes da combustão (gases quentes) circulam no interior dos tubos e a água a ser aquecida ou vaporizada circula pelo lado de fora.

Este tipo de caldeira é o de construção mais simples, e pode ser classificado quanto à distribuição dos tubos, que podem ser tubos verticais ou horizontais.

3.2.1 Caldeiras de tubos verticais

Nas caldeiras de tubos verticais, os tubos são colocados verticalmente num corpo cilíndrico fechado nas extremidades por placas, chamadas espelhos. A fornalha interna fica no corpo cilíndrico logo abaixo do espelho inferior. Os gases de combustão sobem através dos tubos, aquecendo e vaporizando a água que está em volta deles. Figura 01

As fornalhas externas são utilizadas principalmente no aproveitamento da queima de combustíveis de baixo poder calorífico, tais como: serragem, palha, casca de café e de amendoim e óleo combustível (1A, 2A ... etc.) Figura 02

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Figura 01 Figura 02

3.2.2 Caldeiras de tubos horizontais

As caldeiras de tubos horizontais abrangem vários modelos, desde as caldeiras Cornuália e Lancaster, de grande volume de água, até as modernas unidades compactas. As principais caldeiras horizontais apresentam tubulões internos nos quais ocorre a combustão e através dos quais passam os gases quentes. Podem ter de 1 a 4 tubulões por fornalha.

3.3 TIPOS DE CALDEIRAS DE TUBOS HORIZONTAIS

A caldeira Cornuália, um dos primeiros modelos desenvolvidos, é constituída de um tubulão horizontal ligando a fornalha ao local de saída de gases. É de funcionamento simples, porém de rendimento muito baixo.

Suas principais características são: pressão máxima de operação de 10 kgf/cm², vaporização específica 12 a 14 kg de vapor/m² e máximo de 100m² de superfície. Figura 03

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Figura 03

A caldeira Lancaster é de construção idêntica à anterior, porém tecnicamente mais evoluída. Pode ser constituída de dois a quatro tubulões internos e suas características são: área de troca térmica de 120 a 140m² e vaporização de 15 a 18 kg de vapor/m². Algumas delas apresentam tubos de fogo e de retorno, o que apresenta uma melhoria de rendimento térmico em relação às anteriores. Figura 04

Figura 04

Na caldeira multitubular, a queima de combustível é efetuada em uma fornalha externa, geralmente construída em alvenaria instalada abaixo do corpo cilíndrico. Os gases quentes passam pelos tubos de fogo, e podem ser de um ou dois passes. A maior vantagem é poder queimar qualquer tipo de combustível. Na figura a seguir, temos um exemplo de caldeira multitubular. Figura 05

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Figura 05

A caldeira locomóvel, também do tipo multitubular, tem como principal característica apresentar uma dupla parede em chapa na fornalha, pela qual a água circula.

Sua maior vantagem está no fato de ser fácil a sua transferência de local e de poder produzir energia elétrica. É usada em serrarias junto à matéria-prima e em campos de petróleo. Figura 06

Figura 06

A caldeira escocesa, criada basicamente para uso marítimo, é o modelo

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ou gás, tendo ainda pressão máxima de 18 kgf/cm², rendimento térmico em torno de 83% e taxa de vaporização de 30 a 35 kg de vapor/m². A figura a seguir mostra esse tipo de caldeira. Figura 07

Figura 07

3.3.1 Vantagens e desvantagens das caldeiras flamotubulares

As principais vantagens das caldeiras deste tipo são:

 custo de aquisição mais baixo;

 exigem pouca alvenaria;

 atendem bem a aumentos instantâneos de demanda de vapor.

Como desvantagens, apresentam:

 baixo rendimento térmico;

 partida lenta devido ao grande volume interno de água;

 limitação de pressão de operação (máx. 15 kgf/cm²);

 baixa taxa de vaporização (kg de vapor / m² . hora);

 capacidade de produção limitada;

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 dificuldades para instalação de economizador, superaquecedor e pré- aquecedor.

3.4 PARTES DAS CALDEIRAS FLAMOTUBULARES

As caldeiras flamotubulares apresentam as seguintes partes principais:

corpo, espelhos, feixe tubular ou tubos de fogo e caixa de fumaça. Figura 08 O corpo da caldeira, também chamado de casco ou carcaça, é construído

a partir de chapas de aço carbono calandradas e soldadas. Seu diâmetro e comprimento estão rela- cionados à capacidade de produção de vapor. As pressões de trabalho são limitadas (normalmente máximo de 20 kgf/cm²) pelo diâmetro do corpo destas caldeiras.

Os espelhos são chapas planas cortadas em forma circular, de modo que encaixem nas duas extremidades do corpo da caldeira e são fixadas através de soldagem. Sofrem um processo de furação, por onde os tubos de fumaça deverão passar. Os tubos são fixados por meio de mandrilamento ou soldagem.

O feixe tubular, ou tubos de fogo, é composto de tubos que são res- ponsáveis pela absorção do calor contido nos gases de exaustão usados para o aquecimento da água. Ligam o espelho frontal com o posterior, podendo ser de um, dois ou três passes.

Figura 08

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A caixa de fumaça é o local por onde os gases da combustão fazem a reversão do seu trajeto, passando novamente pelo interior da caldeira (pelos tubos de fogo).

O desenho a seguir mostra os componentes de uma caldeira flamotubular típica.Figura 09

Figura 09

Exercícios

1. Cite vantagens e desvantagens das caldeiras flamotubulares.

2. Por que em certas aplicações é recomendada a caldeira flamotubular?

3. Cite algumas características das caldeiras flamotubulares.

4. Cite alguns componentes das caldeiras flamotubulares.

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CAPÍTULO 4 - CALDEIRAS AQUATUBULARES

4.1 - INTRODUÇÃO

As caldeiras flamotubulares têm o inconveniente de apresentar uma superfície de aquecimento muito pequena, mesmo se o número de tubos for aumentado.

A necessidade de caldeiras de maior rendimento, rapidez de geração de grandes quantidades de vapor com níveis de pressão mais elevados, levou ao surgimento da caldeira aquatubular 1.

Nesse tipo de caldeira, os tubos que, nas caldeiras flamotubulares, conduziam gases aquecidos, passaram a conduzir a água, o que aumentou muito a superfície de aquecimento, aumentando bastante a capacidade de produção de vapor.

Neste módulo, serão estudados os vários tipos de caldeiras aquatubulares e suas principais partes constituintes.

4.2 TIPOS DE CALDEIRAS AQUATUBULARES

Para fins didáticos, dividimos as caldeiras aquatubulares em quatro grandes grupos:

 caldeiras aquatubulares de tubos retos, com tubulão transversal ou longitudinal;

 caldeiras aquatubulares de tubos curvos, com diversos tubulões transversais ou longitudinais utilizados na geração (máximo 5);

 caldeiras aquatubulares de circulação positiva;

 caldeiras aquatubulares compactas.

1 Embora as normas brasileiras (NR-13, NBR 12177 e NBR 11096) denominem esse tipo de caldeira de

“aquotubular”, por contaminação do nome da caldeira flamotubular, a palavra correta que identifica esse tipo de caldeira é aquatubular.

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4.2.1 Caldeiras aquatubulares de tubos retos

As caldeiras aquatubulares de tubos retos consistem de um feixe tubular de transmis- são de calor, com uma série de tubos retos e paralelos, interligados a uma câmara coletora. Essas câmaras comunicam-se com os tubulões de vapor (superiores), formando um circuito fechado por onde circula a água.As ilustrações a seguir mostram o sentido de circulação da água e a circulação dos gases quentes mediante três passes. Figura 01

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Figura 01

Esse tipo de caldeira, incluindo as de tubulão transversal, conforme figuras abaixo são as primeiras concepções industriais, que supriram uma gama de capacidade de produção de 3 até 30 toneladas-vapor/hora, com pressões de até 45 kgf/cm². Os projetos foram apresentados pelas empresas Babcok & Wilcox e a Steam Muller Corp.

Vantagens e desvantagens das caldeiras aquatubulares de tubos retos As principais vantagens das caldeiras deste tipo são:

 facilidade de substituição dos tubos;

 facilidade de inspeção e limpeza;

 não necessitam de chaminés elevadas ou tiragem forçada.

Como desvantagens apresentam:

 necessidade de dupla tampa para cada tubo, (espelhos);

 baixa taxa de vaporização específica;

 rigoroso processo de aquecimento e de elevação de carga (grande quantidade de material refratário).

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Caldeiras aquatubulares de tubos curvos

As caldeiras aquatubulares de tubos curvos não apresentam limites de capacidade de produção de vapor. A forma construtiva foi idealizada por Stirling, interligando os tubos curvos aos tubulões por meio de solda ou mandrilagem. A figura a seguir apresenta um esquema de caldeira com quatro tubulões, embora possa ter de três a cinco, o que confere a este tipo de gerador de vapor maior capacidade de produção. Figura 02

Figura 02

Partindo deste modelo, foram projetadas novas caldeiras. Com o objetivo de aproveitar melhor o calor irradiado na fornalha, reduziu-se o número e o diâmetro dos tubos, e acrescentou-se uma parede de água em volta da fornalha. Isso serviu como meio de proteção do material refratário com o qual a parede da fornalha é construída, além de aumentar a capacidade de produção de vapor. Figura 03

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Figura 03

Vantagens das caldeiras aquatubulares de tubos curvos:

 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;

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 rápida entrada em regime;

 fácil inspeção nos componentes.

4.2.3 Caldeiras compactas

Dentro da categoria das caldeiras de tubos curvos surgiram as caldeiras compactas. Com capacidade média de produção de vapor em torno de 30 ton/h, elas são equipamentos apropriados para instalação em locais com espaço físico limitado por se tratar de equipamento compacto, apresenta limitações quanto ao aumento de sua capacidade de produção. Figura 04

Figura 04

4.2.4 Caldeiras de circulação positiva

A circulação da água nas caldeiras ocorre por diferenças de densidade, provocada pelo aquecimento da água e vaporização, ou seja circulação natural. Se a circulação for deficiente, poderá ocorrer um superaquecimento localizado, com conseqüente ruptura dos tubos.

As figuras a seguir apresentam alguns tipos de circulação de água. Figura 05

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Figura 05

Algumas caldeiras com circulação positiva podem apresentar bombas externas, dependendo da vazão exigida, ou seja, da demanda de vapor para forçar a circulação de água ou vapor, independentemente da circulação natural,isto é, por diferença de densidade.

Vantagens e desvantagens

As vantagens das caldeiras de circulação positiva são:

 tamanho reduzido;

 não necessitam de grandes tubulões;

 rápida geração de vapor;

 quase não há formação de incrustações, devido à circulação forçada.

As desvantagens são:

 paradas constantes, com alto custo de manutenção;

 problemas constantes com a bomba de circulação, quando operando em altas pressões.

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4.3 PARTES DAS CALDEIRAS AQUATUBULARES

As partes principais de uma caldeira aquatubular são: tubulão superior (ou tambor de vapor), tubulão inferior (ou tambor de lama), feixe tubular, parede de água, fornalha e superaquecedor.

4.3.1 Tubulão superior

O tubulão superior, ou tambor de vapor é o elemento da caldeira onde é injetada a água de alimentação e de onde é retirado o vapor. No interior dele estão dispostos vários componentes, conforme mostra a figura a seguir. Figura 06

Figura 06

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 8. Esta forma uma caixa fechada no fundo e dos lados, com abertura na parte superior, que projeta o vapor e a água contra a chicana 8.

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; observa-se a posição dos furos.

7. Tubo coletor de amostras de água e da descarga contínua.

8. Chicana

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O tubulão de vapor é construído com chapa de aço carbono de alta qualidade (ASTM A285 grau C, ASTM A515-60 ou A515-70). O dimensionamento da espessura do tubulão é feito baseado no código ASME SECTION I e depende do material usado na fabricação.

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.

Existem em alguns casos uma segunda chapa defletora, cuja finalidade é separar partículas de água ainda contidas no vapor. Figura 07

Figura 07

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.

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O tubo de alimentação de água é por onde a água entra no tubulão; a furação deste tubo deve ser posicionada de modo a que o jato d’água não se dirija contra a chapa do tubulão. É essencial que o tubo de alimentação esteja sempre bem fixado para não causar vibração e nem se soltar dentro do tubulão.

O tubo de descarga contínua ou coletor é o responsável pela captação constante de água de drenagem que elimina sólidos em suspensão prejudiciais à caldeira, normalmente 1% do volume da água de alimentação.

Em algumas caldeiras podemos ter, também, um tubo de injeção de produtos químicos instalado no tubulão superior.

4.3.2 Tubulão inferior

O tubulão inferior, ou tambor de lama, também é construído em chapas de aço carbono. Nele, estão mandrilados tanto os tubos de água que descem do tubulão superior quanto os tubos de vaporização que sobem para o tubulão superior.

No tubulão inferior estão instaladas tomadas para purga ou descarga de fundo, utilizadas para 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.

4.3.3 Cantoneira

No interior do tubulão recomenda-se instalar uma cantoneira que tem a função de promover uma sucção ao longo do tambor; devido à diferença de pressão no tambor e na descarga para a atmosfera, esta sucção arrasta a lama de toda extensão do tambor.

A cantoneira deve ser instalada conforme figura a seguir. Figura 08

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Figura 08

Em caldeiras que não possuem esse tipo de cantoneira, a descarga de fundo remove principalmente a lama das regiões próximas ao furo da tubulação de drenagem.

4.3.4 Feixe tubular

O feixe tubular (Boilers Convection Bank) é um conjunto de tubos que faz a ligação entre os tubulões da caldeira. Pelo interior destes tubos circulam água e vapor. Os tubos que servem para conduzir água do tubulão superior para o inferior são chamados “downcomers”, ou tubos de descida, e os tubos que fazem o sentido inverso (mistura de água e vapor) são conhecidos por “risers” ou tubos vaporizantes.

Os feixes tubulares podem ser:

Feixe tubular reto: muito usado em caldeiras mais antigas, nas quais os tubos eram ligados através de caixas ligadas ao tubulão de vapor.

1. Cantoneira 2. Chapa de fechamento

3. Barra de apoio 4. Barra direcionadora 5. Chapa do tubulão

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Veja ilustração abaixo.

Figura 09

Feixe tubular curvado. Figura 10

Figura 10

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Feixe tubular com fluxo cruzado. Figura 11

Figura 11

Feixe tubular com fluxo axial (utilizado em caldeiras a carvão com alto teor de cinzas). Figura 12

Figura 12

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Materiais mais comumente utilizados: ASTM-A-178 (tubos com costura) e ASTM-A-192 e ASTM-A-210 (tubos sem costura).

4.3.5 Parede d’água

Nas caldeiras a fornalha, a parede d’água é formada por tubos que estão em contato direto com as chamas e os gases, permitindo maior taxa de absorção de calor por radiação.

Os tipos mais comuns de construção de parede d’água são:

Parede d’água com tubos tangentes. Figura 13

Figura 13

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).

Paredes de água com tubos aletados. Figura 14

Figura 14

É possível encontrar também paredes d’água montadas com distâncias menores entre tubos. Com as paredes d’água, o calor ganho por convecção é relativamente pequeno.

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4.3.6 Fornalha

A fornalha, também chamada de câmara de combustão, é o local onde se processa a queima de combustível. De acordo com o tipo de combustível a ser queimado, a fornalha pode ser dividida em:

Fornalhas para queima de combustível sólido: são as que possuem suportes e grelhas; podem ser planas, inclinadas ou dispostas em formas de degraus que ainda podem ser fixos ou móveis. Estas fornalhas destinam-se principalmente à queima de: lenha, carvão, sobras de produtos, casca de cacau, bagaço de cana, casca de castanha, etc.

A alimentação do combustível pode ser feita de maneira manual ou automatizada. Apresentam como desvantagem o abaixamento de temperatura que pode ocorrer próximo à entrada de combustível, grande geração de resíduos e ter seu uso limitado em caldeiras de pequena capacidade.

Normalmente, elas trabalham com grande excesso de ar, para melhorar as condições de fumaça da chaminé.

Fornalha com grelhas basculantes: é um tipo de fornalha muito usada para a queima de bagaço como combustível sólido e é dividida em vários setores.

Cada setor possui elementos de grelha denominados barrotes. Estes barrotes se inclinam sob a ação de um acionamento externo, que pode ser de ar comprimido ou de 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 consideravelmente o rendimento da caldeira.

Fornalha com grelha rotativa: é um outro tipo de fornalha para a queima de combustível sólido na qual 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, o que lhe dá pequena 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.

Fornalhas para queima de combustível em suspensão: são aquelas usadas quando se queimam óleo, gás ou combustíveis sólidos pulverizados. Para