Apostila de máquinas térmicas geradores de vapor

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SERGIPE Máquinas Térmicas - Eletromecânica

Apostila de geradores de vapor

GERADORES DE VAPOR - CALDEIRAS

1. INTRODUÇÃO Entende-se por sistema gerador de vapor (caldeira), o conjunto de equipamentos, tubulações e acessórios destinados a produção de vapor saturado ou superaquecido a diversas pressões de trabalho, utilizando-se da energia térmica. Na prática a dotam-se alguns nomes, a saber: Caldeiras de Vapor: são os geradores de vapor mais simples, queimam algum tipo de

combustível como fonte geradora de calor. Caldeiras de Recuperação: são aqueles geradores que não utilizam combustíveis como fontes

geradoras de calor, aproveitando o calor residual de processos industriais (gás de escape de motores, gás de alto forno, de turbinas, etc.).

Caldeiras de Água Quente: são aqueles em que o fluido não vaporiza, sendo o mesmo aproveitado em fase líquida (calefação, processos químicos).

Geradores Reatores Nucleares: são aqueles que produzem vapor utilizando como fonte de calor a energia liberada por combustíveis nucleares (urânio enriquecido).

Vapor de água é usado como meio de geração, transporte e utilização de energia desde os primórdios

do desenvolvimento industrial. Inúmeras razões colaboraram para a geração de energia através do vapor. A água é o composto mais abundante e, portanto de fácil obtenção e baixo custo. Na forma de vapor tem alto conteúdo de energia por unidade de massa e volume. As relações temperatura e pressão de saturação permitem utilização como fonte de calor a temperaturas médias e de larga utilização industrial com pressões de trabalho perfeitamente toleráveis pela tecnologia disponível, já há muito tempo.

Toda indústria de processo químico tem vapor como principal fonte de aquecimento: reatores químicos, trocadores de calor, evaporadores, secadores e inúmeros processos e equipamentos térmicos. Mesmo outros setores industriais, como metalúrgico, metal-mecânico, eletrônica, etc., pode-se utilizar de vapor como fonte de aquecimentos de diversos processos.

Vapor saturado tem a grande vantagem de manter temperatura constante durante a condensação à pressão constante. A pressão de condensação do vapor saturado controla indiretamente a temperatura dos processos. O controle de pressão, por ser um controle mecânico de ação direta é conseguido muito mais facilmente que o controle direto de temperatura.A faixa de temperaturas até 170 ºC utiliza vapor saturado até 10 kgf/cm2 , cuja temperatura de saturação é 183 ºC. Nesta faixa está a grande maioria de pequenos e médios consumidores de vapor. Maiores temperaturas são possíveis a custa do aumento da pressão de saturação, o que implica num maior custo de investimento devido à necessidade de aumento da resistência mecânica e requisitos de fabricação e inspeção do gerador de vapor. O limite da temperatura de vapor saturado é o ponto crítico, a 374 ºC e 218 atmosferas. Vapor superaquecido é utilizado e produzido para geração de energia elétrica ou mecânica em ciclos termodinâmicos, e neste caso a limitação de temperaturas de trabalho fica por conta dos materiais de construção empregados.

Não é vantajoso utilizar-se vapor superaquecido para processos de aquecimento a temperaturas mais altas, já que perderíamos a facilidade de controle de temperatura e diminuiríamos drasticamente a disponibilidade de energia por unidade de massa ou volume de vapor. Vapor superaquecido é utilizado e produzido para geração de energia elétrica ou mecânica em ciclos termodinâmicos, e neste caso a limitação de temperaturas de trabalho fica por conta dos materiais de construção empregados.

As caldeiras são classificadas em: a) Aquotubulares – nas quais a água e o vapor circulam por dentro dos tubos. b) Flamotubulares - nas quais os gases de combustão circulam por dentro dos tubos. c) Elétricas – utilizam o efeito Joule para gerar calor a partir da energia elétrica. São convenientes quando houver disponibilidade de energia elétrica e que os custos sejam compensadores. Sua aplicação é bastante restrita e também são projetadas para fornecerem apenas vapor saturado. Têm o princípio de funcionamento fundamentado na conversão direta da energia elétrica em energia térmica, por resistências ou de eletrodos submersos.



Existem várias classificações de caldeiras de vapor, a escolha de um tipo se faz principalmente em função de: Tipo de serviço; Tipo de combustível disponível; Equipamento de combustão; Capacidade de produção; Pressão e temperatura do vapor e outros fatores de caráter econômico. Por exemplo, para vapor exclusivamente para processo podem ser usadas caldeiras flamotubulares. Já para acionamento de turbinas utilizam-se caldeiras aquotubulares, devido à necessidade de vapor superaquecido. A partir das características de cada tipo faz-se a opção entre aquo e flamotubulares, conforme a tabela a seguir.

Esquema genérico de um Gerador de Vapor: Usualmente, classificam-se os sistemas geradores de vapor em três setores distintos, que compreendem: Pré-caldeira: esta seção inclui todos os equipamentos e tubulações destinados ao

acondicionamento da água antes da sua entrada na caldeira. Caldeira: esta seção é a responsável, propriamente dita, pela geração de vapor pelo sistema. Pós-caldeira: esta seção inclui todos os equipamentos e tubulações após a caldeira, com exceção

do aquecedor-desaerador.

O trajeto dos fluidos envolvidos no processo de geração de vapor:



Principais Componentes a) cinzeiro: em caldeiras de combustíveis sólidos, é o local onde se depositam as cinzas ou pequenos pedaços de combustível não queimado. b) fornalha: A fornalha é o equipamento onde se desenvolve a queima do combustível e liberação dos gases quentes da combustão. As cinzas pesadas caem por gravidade no cinzeiro, ao fundo da fornalha. As cinzas leves são levadas pelos gases. A temperatura da fornalha situa-se entre 900 a 1400°C. c) seção de irradiação: são as paredes da câmara de combustão revestidas internamente por tubos de água. d) seção de convecção: feixe de tubos de água, recebendo calor por convecção forçada; pode ter um ou mais passagens de gases. e) superaquecedor: trocador de calor que aquecendo o vapor saturado transforma-o em vapor superaquecido. f) economizador: trocador de calor que através do calor sensível dos gases de combustão saindo da caldeira aquecem a água de alimentação. g) pré-aquecedor de ar: trocador de calor que aquece o ar de combustão também trocando calor com os gases de exaustão da caldeira. h) exaustor: faz a exaustão dos gases de combustão, fornecendo energia para vencer as perdas de carga devido à circulação dos gases. i) chaminé: lança os gases de combustão ao meio ambiente, geralmente a uma altura suficiente para dispersão dos mesmos.

Vaporizador O vaporizador (ou superfície de vaporização) compreende os trocadores de calor onde ocorre o aquecimento e a vaporização da água. Parte ou totalidade da superfície de vaporização pode estar dentro da própria fornalha (paredes d’água). Em unidade bem dimensionada as paredes d’água são menos de 10% da superfície total de vaporização e são capazes de absorver até 50% da energia liberada na combustão. A circulação de água e vapor no vaporizador dá-se por convecção natural ou por bombas, no caso de altas pressões de operação.



Superaquecedores Pré-aquecedores de ar são trocadores de calor gás-gás. Vapor saturado é extraído do tubulão superior e entra em um trocador de calor instalado dentro da própria caldeira. Os superaquecedores podem ser de natureza apenas convectiva, ou seja, recebe calor somente por convecção térmica, ou de irradiação, e neste caso, estão localizados dentro da própria câmara de combustão, ou na saída desta, de maneira que receba calor por radiação da chama ou da grelha. A temperatura de superaquecimento varia com a carga da caldeira, já que a troca de calor não é acompanhada de mudança de fase como na vaporização. A troca de calor dentro do superaquecedor é função da velocidade do vapor dentro dos tubos e da velocidade dos gases na zona de convecção. Equipamentos de convecção aumentam a temperatura de superaquecimento com o aumento da carga da caldeira, pois os coeficientes de troca de calor tendem a aumentar com as maiores velocidades dos gases e também do vapor dentro dos tubos. Superaquecedores de irradiação tem a temperatura de saída diminuída com o aumento da produção de vapor. A irradiação de calor varia pouco com a carga de produção de vapor. Em baixa carga a velocidade do vapor é mais baixa e consequentemente os coeficientes de transferência de calor também. Economizadores Os economizadores se destinam a aquecer a água de alimentação antes de ser introduzida no interior da caldeira. O pré-aquecimento é feito através da troca de calor com os gases de combustão saindo da caldeira. O aproveitamento do calor sensível dos gases de combustão traz um aumento de eficiência térmica do equipamento. Economizadores são trocadores de calor gás-líquido. Devido ao baixo coeficiente de troca de calor por convecção no lado dos gases, geralmente os economizadores são compostos por tubos aletados. Em relação á sua instalação, devem estar localizados após a última superfície de convecção do gerador de vapor. Podem ser fabricados integralmente à caldeira, ou podem ser adicionados na parte exterior da mesma, logo após a saída dos gases. Economizadores são praticamente usados em médias e grandes instalações. O custo adicional comparado com o ganho de rendimento térmico não viabiliza a utilização em pequenas caldeiras, e que geralmente se utilizam de alimentação intermitente de água, impossibilitando, portanto, a operação em uso contínuo e simultâneo dos fluxos de água e produtos de combustão. Pré-aquecedores Os pré-aquecedores de ar elevam a temperatura do ar de combustão antes de sua entrada nos queimadores ou fornalha, através da troca de calor com os produtos de combustão saindo da caldeira. Além da vantagem de aumento de rendimento térmico por diminuição das perdas nos gases de exaustão, o ar pré-aquecido melhora o funcionamento e rendimento dos queimadores ou da fornalha. Ar pré-aquecido aumenta a estabilidade de chama, a temperatura interna da câmara de combustão, aumentando, portanto a troca de calor por radiação, permitindo a utilização de menor excesso de ar. O fato de se utilizar também o calor sensível dos gases de combustão não impede seu uso conjunto com o economizador, o qual quando usado , deve vir antes do pré-aquecedor, já que existem limitações quanto a temperatura máxima do ar de combustão conforme o tipo de queimador e combustível utilizado. Outros Componentes Alarme de Falta D’água: sinal sonoro e luminoso que dispara quando o nível de água na

caldeira está muito baixo. 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 bóia. Fusível Térmico (tampão): consiste de um parafuso com um furo no centro, sendo este

preenchido com uma liga de metal de baixo ponto de fusão. É instalado num ponto abaixo do qual a água não pode ficar. Se ocorrer o problema, a temperatura do material aumenta, provocando a fusão do metal de preenchimento e dando passagem para a água, que apagará o fogo da fornalha.

Indicadores de Pressão (manômetros): são instrumentos utilizados para medir a pressão de líquidos, gases e vapores.



Injetor de Água: é um dispositivo destinado à alimentação de água, como alternativa em caso

de falha nas bombas. Seu funcionamento é baseado no escoamento de vapor, proveniente da própria caldeira através de uma série de tubos, convertendo a energia do vapor em energia cinética criando uma depressão suficiente para succionar a água e pressurizá-la até o nível de operação da caldeira.

Pressostatos: são dispositivos de segurança que comandam o regime de trabalho das caldeiras, de acordo com a pressão do vapor.

Purificadores de Vapor: são dispositivos auxiliares que tem a finalidade de minimizar o arraste de umidade, sais e sólidos em suspensão.

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.

Válvulas: têm como função interromper ou regular a passagem de um fluido. Tipos de Válvulas: De retenção: colocadas nas linhas de vapor e óleo para evitar o refluxo; De extração de fundo (dreno): permite a retirada de impurezas da água que se deposita

no fundo do tambor de vapor; De descarga lenta: tem como função assegurar uma perfeita vedação no sistema; Solenóide: comandada eletricamente, abre ou fecha a passagem de um fluido; De alívio: para retirar o excesso de pressão no aquecedor de óleo das caldeiras; De

escape de ar: controla a saída ou entrada de ar na caldeira, no início e no fim das operações;

De serviço: tem seção correspondente a 10% da válvula principal. Tem como função garantir o acionamento de órgãos da caldeira (injetor, aquecimento de óleo, água, etc.);

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.

2. CALDEIRAS FLAMOTUBULARES Também conhecidas como Pirotubulares, Fogotubulares ou, ainda, como Tubos de Fumaça, são aquelas nas quais os gases da combustão (fumos) atravessam a caldeira no interior de tubos que se encontram circundados por água, cedendo calor à mesma. Constituem-se da grande maioria das caldeiras, utilizada para pequenas capacidades de produção de vapor (da ordem de até 10 ton/h) e baixas pressões (até 10 bar), chegando algumas vezes a 15 ou 20 bar. A água acumulada no corpo da caldeira pode funcionar como um pulmão de vapor, respondendo a súbitas flutuações de demanda com pouca queda de pressão da rede de vapor, sendo adequada, portanto para aplicações onde o consumo é variável.

Existem vários métodos de classificação das caldeiras flamotubulares (segundo o uso, a capacidade, a pressão, a posição da fornalha, a posição dos tubos, os tamanhos, etc.). Adotaremos aqui dividi-las em: Verticais: Com fornalha externa e com fornalha interna;



Horizontais: Com fornalha externa; Multitubulares; Com fornalha interna; Com uma tubulação central (Cornovaglia); Com duas tubulações (Lancashire); Locomotivas e Locomóveis; Escocesas; Marítimas; Estacionárias; Compactas. As principais vantagens das caldeiras deste tipo são: custo de aquisição mais baixo; exigem pouca alvenaria e 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 ( máximo 15 [ kgf / cm² ] ); baixa taxa de vaporização (em [ kg de vapor / m² ٠ hora ] ); capacidade de produção limitada; dificuldades para instalação de economizador, superaquecedor e pré–aquecedor. 3. CALDEIRAS AQUATUBULARES

Também conhecidas como Caldeiras Tubos de Água ou Aquatubulares se caracterizam pelo fato dos tubos situarem-se fora dos tubulões da caldeira (tambor) constituindo com estes um feixe tubular. Diferenciam-se das Pirotubulares no fato da água circular no interior dos tubos e os gases quentes se acham em contato com sua superfície externa. A água pode circular por convecção natural pelos tubos, devido à diferença de densidade entre o líquido e vapor formado pelo aquecimento.

São empregadas quando interessa obter pressões e rendimentos elevados, pois os esforços desenvolvidos nos tubos pelas altas pressões são de tração ao invés de compressão, como ocorre nas pirotubulares, e também pelo fato dos tubos estarem fora do corpo da caldeira obtemos superfícies de aquecimento praticamente ilimitadas. Os objetivos a que se propõe uma caldeira aquotubular abrangem uma grande faixa e em vista disto temos como resultado muitos tipos e modificações, tais como tubos retos, tubos curvos de um ou vários corpos cilíndricos, enfim a flexibilidade permitida possibilita vários arranjos. Dada a maior complexidade construtiva em relação às caldeiras flamotubulares, as aquatubulares são preferidas somente para maiores capacidades de produção de vapor e pressão, exatamente onde o custo de fabricação do outro tipo começa a aumentar desproporcionadamente.

Em relação ao modo de transferência de calor no interior de caldeira existem normalmente duas secções: - a secção de radiação, onde a troca de calor se dá por radiação direta da chama aos tubos de água, os quais geralmente delimitam a câmara de combustão.



- a secção de convecção, onde a troca de calor se dá por convecção forçada, dos gases quentes que saíram da câmara de combustão atravessando um banco de tubos de água. Não há limite físico para capacidades. Encontram-se hoje caldeiras que produzem até 750 t/h de vapor com pressões até 3450 atm. Causas de explosões

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