SlideShare uma empresa Scribd logo
1 de 102
Baixar para ler offline
ELETRONUCLEAR               Gerência de Treinamento - GTR.O




                CALDEIRAS
CALDEIRAS




ÍNDICE




1. Considerações Gerais.........................................................................................................6

1.1. TERMOS LIGADOS AOS GERADORES DE VAPOR...............................................7

2. COMPONENTES CLÁSSICOS........................................................................................8

3. TIPOS DE CALDEIRAS.................................................................................................10

3.1 CALDEIRAS FLAMOTUBULARES...........................................................................12

3.1.1 CALDEIRAS HORIZONTAIS..................................................................................13

3.1.2 CALDEIRAS VERTICAIS........................................................................................18

3.2 Caldeiras Aquotubulares................................................................................................19

3.2.1 CALDEIRAS AQUOTUBULARES DE TUBOS RETOS........................................20

3.2.2 CALDEIRAS AQUOTUBULARES DE TUBOS CURVOS....................................22

3.2.3 CIRCULAÇÃO DA ÁGUA EM CALDEIRAS AQUOTUBULARES.....................25

3.2.4 CALDEIRAS DE CIRCULAÇÃO POSITIVA FORÇADA......................................26

3.3 CALDEIRAS ELÉTRICAS...........................................................................................28

3.3.1 TIPOS DE CALDEIRAS ELÉTRICAS.....................................................................29

4. FORNALHAS..................................................................................................................32

4.1 CLASSIFICAÇÃO DAS FORNALHAS......................................................................32

4.2 Fornalhas sob Suporte....................................................................................................33

4.2.1 Fornalha de Suporte Estático......................................................................................33

4.2.2 Fornalha de Suporte Movimentado.............................................................................40

4.3 Fornalha de Queima em Suspensão...............................................................................44

4.3.1 Queimadores de Combustíveis Líquidos.....................................................................44

4.3.2 QUEIMADORES DE COMBUSTÍVEIS GASOSOS...............................................47



CALDEIRAS -                                                                                                                         2
CALDEIRAS




4.3.3 QUEIMADORES DE COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS PULVERIZADOS.................48

5. ACESSÓRIOS E DISPOSITIVOS DE CALDEIRAS....................................................50

5.1 APARELHOS DE ALIMENTAÇÃO DE ÁGUA.........................................................50

5.1.1 INJETORES................................................................................................................50

5.1.2 BOMBAS ALTERNATIVA.......................................................................................51

5.1.3 BOMBAS CENTRÍFUGAS.......................................................................................52

5.1.4 CONTROLE AUTOMÁTICO DE ÁGUA DE ALIMENTAÇÃO............................52

5.1.4.1 APARELHO DE CONTROLE DE ALIMENTAÇÃO DE ÁGUA LIGA-
       DESLIGA.................................................................................................................53

5.1.4.2    APARELHOS DE CONTROLE DE ALIMENTAÇÃO DE ÁGUA
          MODULANTE.........................................................................................................54

5.2 ALIMENTAÇÃO DE COMBUSTÍVEL.......................................................................59

5.2.1 CONTROLE AUTOMÁTICO DE COMBUSTÃO...................................................60

5.3 ALIMENTAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA.............................................................60

5.4 VISOR DE NÍVEL........................................................................................................61

5.5 MANÔMETROS...........................................................................................................62

5.6 DISPOSITIVOS DE SEGURANÇA.............................................................................64

5.6.1 VÁLVULAS DE SEGURANÇA...............................................................................64

5.6.2 PROTEÇÃO E CONTROLE DE CHAMA................................................................67

5.7 DISPOSITIVOS DE CONTROLE................................................................................68

5.7.1 PRESSOSTATOS.......................................................................................................68

5.7.2 CHAVE SEQÜÊNCIAL.............................................................................................69

5.7.3 VÁLVULAS E TUBULAÇÕES................................................................................69

5.7.4 OUTROS ACESSÓRIOS...........................................................................................74

5.7.4.1 PREAQUECEDOR DE AR.....................................................................................74

5.7.4.2 ECONOMIZADOR.................................................................................................76


CALDEIRAS -                                                                                                                         3
CALDEIRAS




5.7.4.3 SUPERAQUECEDORES........................................................................................78

5.7.4.4 PURGADORES.......................................................................................................80

6. TIRAGEM........................................................................................................................81

6.1 TIRAGEM NATURAL.................................................................................................81

6.2 TIRAGEM FORÇADA E INDUZIDA.........................................................................81

6.3 TIRAGEM MISTA OU BALANCEADA.....................................................................82

6.4 CONTROLE DE TIRAGEM.........................................................................................83

6.5 CHAMINÉ.....................................................................................................................83

7. COMBUSTÃO E COMBUSTÍVEL................................................................................84

7.1 DEFINIÇÕES................................................................................................................84

7.2 CÁLCULO DO AR NECESSÁRIO À COMBUSTÃO - COMBUSTÍVEL
     LÍQUIDOS................................................................................................................85

7.3 ESTEQUIOMETRIA DA COMBUSTÃO....................................................................87

7.4 CONTROLE DE AR EM EXCESSO E EM FALTA...................................................87

8. ÁGUA DE ALIMENTAÇÃO DAS CALDEIRAS.........................................................89

8.1 UNIDADES ADOTADAS............................................................................................89

8.2 ANÁLISE DA ÁGUA...................................................................................................90

8.3 TRATAMENTOS E APARELHAGENS......................................................................92

8.3.1 TRATAMENTOS EXTERNOS.................................................................................92

8.3.1.1 ABRANDAMENTO................................................................................................95

8.3.1.2 DESMINERALIZAÇÃO.........................................................................................96

8.3.1.3 DESGASEIFICAÇÃO.............................................................................................96

8.3.1.4 REMOÇÃO DA SÍLICA.......................................................................................100

8.3.2 TRATAMENTO INTERNO.....................................................................................100

8.4 CONSIDERAÇÕES FINAIS.......................................................................................100


CALDEIRAS -                                                                                                                            4
CALDEIRAS




10. BIBLIOGRAFIA..........................................................................................................102




CALDEIRAS -                                                                                                                     5
CALDEIRAS




    1.        CONSIDERAÇÕES GERAIS


              Atualmente, graças a todos os aperfeiçoamentos e a intensificação da produção
              industrial, a caldeira ocupa um lugar muito importante pois gera o vapor
              indispensável a muitas atividades, não só para movimentar máquinas mas também
              para limpeza (esterilização), aquecimento, e participação direta no processo
              produtivo, como matéria-prima.

              Além da indústria, outras empresas, utilizam, cada vez mais vapor gerado pelas
              caldeiras, como por exemplo: restaurantes, hotéis, hospitais, frigoríficos.

              Caldeira é um trocador de calor que, trabalhando com pressão superior à pressão
              atmosférica, produz vapor, a partir da energia térmica fornecida por uma fonte
              qualquer. É constituída por diversos equipamentos integrados, para permitir a
              obtenção do maior rendimento térmico possível e maior segurança.

              Esta definição abrange todos os tipos de caldeiras, sejam as que vaporizam água,
              mercúrio ou outros fluídos e que utilizam qualquer tipo de energia, inclusive a
              elétrica.

              Quase sempre, a fonte produtiva de calor é um combustível especificamente
              utilizado com esta finalidade mas podem ser aproveitados, também, entre outros
              calores residuais de processos industriais, escape de motores Diesel ou turbinas a
              gás. Neste caso, o equipamento é chamado "Caldeira de Recuperação".

              Algumas vezes, o fluído permanece no estado líquido, apenas com temperatura
              elevada para ser aproveitado nos processos de aquecimento (calefação), formando,
              deste modo, a linha de caldeiras de água quente.

              A produção de vapor pode ser conseguida, também, pela absorção da energia térmica
              desprendida pela fissão do urânio.

              O material contido neste trabalho, se refere, principalmente, às caldeiras que
              produzem vapor d’água, a partir de combustíveis sólidos ou líquidos.

              Para produzir o vapor d'água, é necessário que haja a combustão na caldeira.

              Quanto mais alta a viscosidade do combustível, mais difícil será a sua nebulização,
              ou seja, mais difícil será a sua divisão em gotículas. O preaquecimento do óleo
              combustível é fundamental para atingir os limites adequados de viscosidade
              necessários para uma boa pulverização.

              Tendo em vista a variação de viscosidade do óleo combustível, a temperatura de
              aquecimento não é fixa, devendo ser ajustada quando necessário. É importante
              salientar que esta temperatura não deve aproximar-se muito do ponto de fulgor do
              óleo combustível.



CALDEIRAS -                                                                                   6
CALDEIRAS




    1.1.      TERMOS LIGADOS AOS GERADORES DE VAPOR

              • CAPACIDADE DO GERADOR DE VAPOR

              É o quanto a caldeira produz de vapor, podendo ser representada por:
              a) quilo de vapor ou tonelada de vapor por hora (kgv/h,.tv/h).
              b) BHP - “boiler horse-power”, onde 1BHP ≅ 15,65 kg/h.
              c) Quilo de vapor por metro quadrado (kgv/m2 )de superfície de aquecimento.

              • SUPERFÍCIE DE AQUECIMENTO

              É a área de tubulação (placa metálica) que recebe o calor dos gases quentes
              responsável por vaporizar a água (m2).

              • CALOR ÚTIL

              É a parcela de calor produzida pelo combustível que se transferiu para a água
              formando vapor.

              • EFICIÊNCIA TÉRMICA

              É a relação entre o calor útil e o conteúdo térmico total do combustível queimado.
                            .
                           m v ( hv      s   − hv   e   )
                       =
                                     .

              ηT                    m c ⋅ PCI

                   ⋅            ⋅
              m V ,m C = vazão em massa de vapor fornecido, vazão em massa de combustível
              (kg/h).

              hvs, hve = entalpia do vapor de saída, entrada (kJ/kg)

              PCI = poder calorífico inferior do combustível queimado (kJ/kg).




CALDEIRAS -                                                                                        7
CALDEIRAS




    2.        COMPONENTES CLÁSSICOS

              Atualmente os geradores de vapor de grande porte são constituídos de uma
              associação de componentes, de maneira a constituírem um aparelho complexo,
              principalmente quando destinados a queima de combustível sólidos que incluem
              superaquecedores, economizadores, préaquecedores de ar, captadores de fuligem,
              extratores mecânicos de cinza, e outros. As unidades menores destinadas a gerar
              vapor de calefação em pequenas e médias indústrias dispensam a quase totalidade
              dos componentes citados anteriormente. Assim sendo, os componentes clássicos das
              caldeiras são listados a seguir, com a ressalva que nem todos os componentes abaixo,
              necessariamente, fazem parte de todos os geradores de vapor.

              A. Cinzeiro
                 Lugar onde depositam as cinzas e ou eventualmente restos de combustíveis que
                 atravessam o suporte de queima sem completarem sua combustão.

              B. Fornalha
                 Local onde se instala a início do processo de queima, seja para a queima de
                 combustíveis sólidos, líquidos ou gasosos.

              C. Câmara de combustão
                 Volume onde se deve extinguir toda a matéria combustível antes dos produtos de
                 combustão atingirem e penetrarem no feixe de absorção do calor por convecção.
                 Esta câmara por vezes se confunde com a própria fornalha dela fazendo parte,
                 Outras vezes separa-se completamente. A câmara de combustão pode ser
                 constituída pela própria alvenaria refratária, ou revestida de tubos (parede de
                 água), ou integralmente irradiada.

              D. Caldeira de vapor
                 Corresponde ao vaso fechado, à pressão, com tubos, contendo a água no seu
                 interior, que ao receber calor se transforma em vapor

              E. Superaquecedor
                 Responsável pela elevação da temperatura do vapor saturado gerado na caldeira.
                 Todo o vapor ao passar por este aparelho se superaquece.

              F. Economizador
                 Onde a temperatura da água de alimentação sofre elevação, aproveitando o calor
                 sensível residual dos gases da combustão, antes de serem eliminados pela
                 chaminé.

              G. Aquecedor de ar
                 Também conhecido como pré-aquecedor de ar, cuja função é aquecer o ar de
                 combustão para a seguir introduzi-lo na fornalha, graças ao aproveitamento do
                 calor sensível dos gases da combustão.




CALDEIRAS -                                                                                    8
CALDEIRAS




              H. Canais de gases
                 São trechos intermediários ou finais de circulação dos gases de combustão até a
                 chaminé. Estes canais podem ser de alvenaria ou de chapas de aço conforme a
                 temperatura dos gases que neles circulam.

              I. Chaminé
                 É a parte que garante a circulação dos gases quentes da combustão através de todo
                 o sistema pelo chamado efeito de tiragem. Quando a tiragem, porém, é
                 promovida por ventilador exaustor, sua função se resume no dirigir os gases da
                 combustão para a atmosfera. Neste caso se diz que a tiragem é induzida. A
                 circulação dos gases também poderá ser assegurada por um ventilador soprador de
                 ar de combustão com pressão suficiente para vencer toda a perda de carga do
                 circuito. Neste exemplo, a tiragem se diz forçada.

              Tomando por base a unidade mais complexa, a figura 2.1 permite identificar os
              componentes clássicos e o princípio de funcionamento da instalação.




              Princípio de funcionamento de uma unidade complexa com fornalha para queima de
                                              lenhas em toras

                                                    Fig.2.1




CALDEIRAS -                                                                                    9
CALDEIRAS




    3.        TIPOS DE CALDEIRAS


              Existem diversas formas para se classificar as caldeiras. Por exemplo, elas podem ser
              classificadas sob os seguintes aspectos:
              • Quanto à Localização Água-Gases:

                   A) Flamotubulares
                       Verticais
                       Horizontais
                       Fornalhas corrugadas
                       Traseira seca
                       Traseira molhada

              Observação: Todos os tipos acima com 1,2 ou 3 passes.

                    B) Aquotubulares
                       Tubos retos
                       Tubos curvos
                       Perfil A
                       Perfil D
                       Perfil O
                       Lâmina, cortina ou parede de água

                    C) Mistas

              • Quanto à Energia Empregada para o Aquecimento:

                   A) Combustíveis
                       Sólidos
                       Líquidos
                       Gases


                   B) Elétricas
                       Jatos-de-água
                       Eletrodos submersos
                       Resistores



CALDEIRAS -                                                                                    10
CALDEIRAS




                   C) Caldeiras de Recuperação
                      Gases de outros processos
                      Produção de soda ou licor negro


                   D) Nuclear

              • Quanto à Montagem:

                   A) Caldeiras pré-montadas (compactas)

                   B) Caldeiras montadas em campo

              • Quanto à Sustentação:

                   A) Caldeiras auto-sustentadas

                   B) Caldeiras suspensas

                   C) Sustentação mista

              • Quanto à Circulação de Água:

                   A) Circulação natural

                   B) Circulação forçada

                   C) Combinada

              • Quanto ao Sistema de Tiragem:

                   A) Tiragem natural

                   B) Tiragem forçada

                   C) Tiragem balanceada ou induzida

              Aguardaremos, neste trabalho, a classificação quanto à localização relativa água-
              gases e, à parte, as Caldeiras Elétricas:




CALDEIRAS -                                                                                11
CALDEIRAS




    3.1       CALDEIRAS FLAMOTUBULARES

              Este foi o primeiro tipo de caldeira construída. É também chamada de tubo-de-fogo,
              tubo-de-fumaça ou pirotubular, por causa dos gases quentes provenientes da
              combustão que circulam no interior dos tubos em um ou mais passes, ficando a água
              por fora dos mesmos. É o tipo de caldeira mais simples. Muito usada em
              locomotivas e navios, mesmo com o aparecimento de caldeiras mais modernas, este
              tipo ainda continua em uso.Posteriormente, com alguns aperfeiçoamentos, passou a
              chamar-se caldeira escocesa.

              Segundo o esquema, notamos que a caldeira tipo flamotubular não passa de um
              cilindro externo que contém a água e um cilindro interno destinado à fornalha. Sua
              tiragem ou saída de gases é normal. A carcaça é construída de chapas que variam de
              espessura de acordo com o porte da caldeira e a sua pressão pode variar entre 5 a 10
              quilogramas-força por centímetro quadrado, sendo que as maiores unidades atingem
              a produção de 6 tv/h, saturado e pressões não superiores a 17 kgf/cm 2. Maiores
              produções e pressões determinam a utilização de caldeiras aquotubulares.

              Sucessivos estudos visando ao aperfeiçoamento das caldeiras revelaram que a
              temperatura oscilava entre 316 a 4270 (graus Celsius), que era perdida na chaminé.
              Resolveram aproveitar esta perda, a fim de reduzir o custo do combustível que, na
              época era o carvão mineral.

              O problema foi resolvido, aumentando a superfície de aquecimento da água
              colocando tubos em quantidade suficiente e forçando os gases quentes a passarem
              pelos tubos em passes, depois, pela tiragem na chaminé. Com isso, o rendimento foi
              aumentado, embora esse tipo de caldeiras não tivesse eficiência superior a 60%.

              Podemos, ainda classificar as caldeiras flamotubulares em:     HORIZONTAIS E
              VERTICAIS.




                                                    Fig.3.1




CALDEIRAS -                                                                                   12
CALDEIRAS




    3.1.1     CALDEIRAS HORIZONTAIS

              A) Caldeira Cornuália:

               Consta de um cilindro colocado inteiramente no sentido horizontal, ligando a
               fornalha até o local de saída dos gases. Seu funcionamento é simples, apresenta
               baixo rendimento e sua pressão não ultrapassa 10 Kg/cm2 (figura 3.1).

              B) Caldeira Lancaster:

              Sua construção é idêntica à Conuália, podendo apresentar de dois a quatro tubos
              internos.(figura 3.2)




                            Caldeira Cornuália e tipos de caldeiras lancaster, corte transversal
                                                        Figura 3.2

                Estes tipos de caldeiras são chamados de tubo-de-fogo-direto; porque os gases
                percorrem os tubos da caldeira uma única vez.

                Dentro ainda das caldeiras flamotubulares horizontais de fogo direto existem as
                multitubulares, que contam com vários tubos internos conforme pode ser visto na
                figura 3.3.

                Há caldeiras que apresentam Tubos-de-fogo e de retorno; os gases desprendidos
                durante a combustão na fornalha, circulam por tubos que os fazem retornar ao
                lado da fornalha e em seguida para a chaminé.




CALDEIRAS -                                                                                        13
CALDEIRAS




                                Caldeira flamotubular horizontal - multitubular
                                                   Fig.3.3


              C) Caldeiras Multitubulares de Fornalha Externa:

                O aquecimento é feito diretamente na base do cilindro e os gases retornam pelos
                tubos-de-fogo. A fornalha pode ser construída em alvenaria e ocupa quase a
                extensão do cilindro (figura 3.4).




CALDEIRAS -                                                                                14
CALDEIRAS




                                                     Fig.3.4

              D) Caldeiras Locomotivas ou Locomóveis:

                Também é do tipo multitubular. Sua característica principal é a fornalha que
                apresenta uma dupla parede em chapa, por onde circula a água. Quando o
                combustível é lenha ou carvão, possui, na parte inferior um conjunto de grelhas
                que servem para manter a lenha em posição de queima e dar escoamento às
                cinzas. Estas são captadas em uma caixa colocada logo abaixo das grelhas,
                chamadas de cinzeiro.

                Quando se trata de locomotivas, o cinzeiro, além de ser um dispositivo de
                segurança, é também, um regulador de tiragem, tanto na locomotiva parada como
                em marcha. (Fig.3.5)

                O largo emprego deste tipo de caldeira se deve à facilidade de transferência de um
                local para outro, podendo ser acionada mecanicamente onde não houver energia
                elétrica.




                                                    Fig.3.5




              E) Caldeiras Escocesas ou Compactas:

                Este tipo de caldeira teve largo emprego na Marinha, por ser construída de forma
                que todos os equipamentos colocados formam uma única peça. Seu diâmetro é
                bastante reduzido, sendo de fácil transporte e pode ser operada de imediato. Os
                gases produzidos na fornalha circulam várias vezes pela tubulação, sendo
                impulsionados por ventiladores. O combustível usado é unicamente óleo ou gás,



CALDEIRAS -                                                                                   15
CALDEIRAS




              podendo seu rendimento atingir a 83%. A figura 3.6 da um exemplo de caldeira
              escocesas com 3 voltas de chama.

              As caldeiras escocesas apresentam diversas disposições construtivas (figura 3.7)
              contando com traseira molhada, traseira seca, dois e três passes, fornalha
              corrugada, para aumentar a superfície de troca térmica, podendo ter queima de
              óleo, gás ou combustível sólido.




                                                  Fig.3.6




CALDEIRAS -                                                                               16
CALDEIRAS




              Fluxo de gás em caldeiras tipo escocesa

                             Fig. 3.7




CALDEIRAS -                                             17
CALDEIRAS




    3.1.2     CALDEIRAS VERTICAIS

              Este tipo de caldeira tem as mesmas características da caldeira horizontal
              multitubular.

              Os tubos são colocados verticalmente dentro do cilindro e a fornalha interna fica no
              corpo do cilindro. Existem tipos cuja fornalha é externa.

              Esta caldeira é usada em locais onde o espaço é reduzido e não requer grande
              quantidade de vapor, mas alta pressão.

              Os gases resultantes da queima na fornalha sobem pelos tubos e aquecem a água que
              se encontra por fora dos mesmos.




                                                    Fig. 3.8

              Podem ser de fornalha interna (figura 3.8) ou de fornalha externa. Geralmente as
              fornalhas internas são envolvidas por uma câmara de água formada pelo
              prolongamento do corpo cilíndrico, já as caldeiras verticais de fornalha externa são
              aplicadas principalmente quando é usado combustível de baixo PCI (bagaço de cana,
              casca de laranja, madeira, carvão, etc.)




CALDEIRAS -                                                                                   18
CALDEIRAS




              Atualmente a grande maioria das caldeiras flamotubulares em operação são
              automáticas ou semi-automáticas embora se encontre ainda pequenas caldeiras
              pirotubulares operando normalmente. Os dispositivos automáticos mais comumente
              encontrados são os alimentadores de água e de óleo..


    3.2       CALDEIRAS AQUOTUBULARES

              Somente foi possível a obtenção de maiores produções de vapor, a pressões elevadas
              e altas temperaturas com o aparecimento das caldeiras aquotubulares (tubos de
              água). O fato dos tubulões estarem situados fora dos corpos das caldeiras, a eles se
              unindo para constituírem um feixe tubular de água que compõe a parte principal de
              absorção de calor, permite a obtenção de grandes superfícies de aquecimento. A
              figura 3.9 representa uma seção transversal de feixe aquotubular unindo dois
              tambores, no interior dos tubos circula a água e por fora os gases quentes através do
              caminho formado pela alvenaria e chicanas internas.


                                                              Vapor
                                  nível de água
                                                          tubulão de vapor




                                                            tubulão de lama
                                                        descarga



                                                                                       Circulação
                                     de água em uma caldeira aquotubular

                                                    Fig.3.9

              A água é vaporizada nos tubos que constituem a parede mais interna. Recebendo
              calor primeiro, vaporiza e sobe até o tambor superior, dando lugar à nova quantidade
              de água fria que será vaporizada e assim sucessivamente. Esse tipo de circulação de
              água, provocada apenas pela diferença de peso específico entre a água ascendente e
              descendente, é característica das chamadas caldeiras com circulação natural.




CALDEIRAS -                                                                                    19
CALDEIRAS




              A medida que a caldeira aquotubular aumenta sua capacidade, aumenta também seu
              tamanho, quantidade de tubos e por conseqüência as perdas de cargas no circuito
              hidráulico tornando a circulação por meio de bombas necessária, são as chamadas
              caldeiras de circulação forçada.

              A produção de vapor nestes tipos de caldeiras pode atingir capacidades de 600 até
              750 tv/h com pressões de 150 a 200 kgt/cm 2, temperaturas de 450 - 500 oC existindo
              unidades com pressões críticas (226 atm) e supercríticas (350 kgf/cm2).

              A flexibilidade permitida pelo arranjo dos tubos que constituem os feixes ou parede
              d’água possibilitam um vasta variedade de tipos construtivos conforme veremos na
              classificação a seguir:

              - caldeiras aquotubulares de tubos retos, podendo, os tambores estarem colocados no
                sentido longitudinal ou transversal.

              - caldeiras aquotubulares de tubos curvos, que podem apresentar de um a mais de
                quatro tambores, no sentido longitudinal ou transversal.

              - Caldeiras aquotubulares de circulação positiva.


    3.2.1     CALDEIRAS AQUOTUBULARES DE TUBOS RETOS

              Essas foram as primeiras caldeiras tubo-de-água que surgiram e tinham uma
              capacidade de produção de 3 a 30 toneladas-vapor/hora com pressões de até 45
              Kg/cm2. Os projetos foram apresentados pelas firmas Babcok & Wilcox e a Steam
              Muller Corp.

              Consiste em um feixe de tubos retos e paralelos que se interligam com o tambor de
              vapor, através de câmaras, sendo que através dos espaços existentes entre os tubos
              circulam os gases quentes. As figuras 3.10 e 3.11 são dois exemplos deste tipo de
              gerador de vapor com tambor longitudinal e transversal respectivamente




CALDEIRAS -                                                                                  20
Caldeira de tubos retos e tambor longitudional
                                   Fig.3.10




            Caldeira aquotubular de tubos retos e tambor transversal

                                   Fig.3.11




A figura 3.12 apresenta uma das formas de fixação dos tubos mais usadas na
fabricação de caldeiras.
Feixe de tubos expandidos nas câmaras onduladas (coletores ondulados)
                                            Fig.3.12




3.2.2   CALDEIRAS AQUOTUBULARES DE TUBOS CURVOS

        A principal característica deste tipo, são os tubos curvos que se unem aos tambores
        por solda ou madrilamento, o que representa grande economia na fabricação e
        facilidade na manutenção. Além de serem bastantes práticas para limpar,
        possibilitam a produção de grande quantidade de vapor.

        As primeiras caldeiras deste tipo foram idealizadas por Stirling. Apresentavam um
        número de tambores variados, e um grande volume de água. Na figura 3.13
        apresentamos um esquema desse tipo de caldeira, com três tambores superiores e
        um inferior, existindo modelos com dois tambores inferiores.

        Partindo deste modelo, foram projetadas novas caldeiras. Com o objetivo de se
        aproveitar melhor o calor irradiado na fornalha, reduziu-se o número e o diâmetro
        dos tubos, e acresceu-se uma parede de água em volta da fornalha o que serviu
        como meio de proteção ao refratário da mesma, diminuição da caldeira, eliminação
        total dos refratários de alta qualidade e vaporização mais rápida.
Fig.3.13

A figura 3.14 representa uma caldeira com dois tambores transversais e parede de
água, enquanto a figura 3.15 mostra uma caldeira com três tambores transversais.




                                    Fig.3.14
Fig.3.15

Dentro da categoria de tubos curvos cabe analizar em separado, uma versão que
mantém grande projeção no mercado consumidor: a caldeira aquotubular compacta
de operação totalmente automatizada, conforme esquema da figura 3.16.




                 Corte de uma caldeira aquotubular compacta
                                  Fig.3.16
Com produções até 100 toneladas de vapor por hora e obtenção de eficiência
        térmica elevada (até 80%), estas unidades são oferecidas para pronto
        funcionamento, dispensado a montagem no campo, fazendo apenas as interligações
        e instalações elétricas-eletrônicas e hidráulicas.

        Unidades não transportáveis num único pacote são fornecidas ou em blocos semi-
        compactos ou em componentes unitários desmontados, de tal maneira que no local
        de instalação estes componentes são unidos para completar a unidade.


3.2.3   CIRCULAÇÃO DA ÁGUA EM CALDEIRAS AQUOTUBULARES.

        Os aços aplicados na construção das caldeiras expostas aos gases quentes precisam
        ser continuamente resfriados por água ou mistura água-vapor para conservarem
        suas qualidades de resistência, pois até a temperatura limite de 450ºC para os aços
        carbonos comuns, 590ºC para os aços martensíticos e 650ºC para outras ligas
        martensíticas, estes materiais conservam suas propriedades mecânicas.
        Ultrapassando estes limites as propriedades destes materiais utilizados na
        construção de caldeiras começam a diminuir sua resistência mecânica.

        Assim sendo o resfriamento da superfície metálica que é submetida a tais
        temperaturas é vital para a segurança do equipamento. Cabe, portanto, a água este
        papel, seja no estado líquido, seja vapor, mediante uma circulação permanente,
        controlada e orientada.

        Numa unidade convencional a circulação da água se processa livremente, graças a
        tendência natural provocada pela diferença de pesos específicos existentes entre a
        água situada nas partes mais frias da caldeira e aquela contida nas zonas de alta
        temperatura dos gases. A figura 3.17 apresenta quatro diferentes esquemas, cada
        um esclarecendo como se processa a circulação natural da água no interior dos
        tubos.

        Sabe-se que a circulação natural da água fica mais comprometida a medida que a
        pressão se eleva. Constata-se que o vapor a pressão de 35 kgf/cm2 pesa por
        unidade de volume 45 vezes menos que a água; à 140 kgf/cm2 7,5 vezes menos e a
        210 kgf/cm2 apenas 2,5 vezes. Dai concluí-se que a circulação controlada por
        meios forçados é fundamental nas caldeiras e altíssimas pressões, normalmente
        acima de 160 kgf/cm2.
Circulação Natural de água no interior dos tubos, diferentes concepções.

                                            Fig.3.17


3.2.4   CALDEIRAS DE CIRCULAÇÃO POSITIVA FORÇADA

        Há dois tipos de concepções que se destinguem pelo sistema de circulação, todas
        utilizando como meio de circulação uma bomba centrífuga de construção especial,
        para resistir às altas pressões de operação das unidades.

        No 1º tipo, toda água introduzida na caldeira circula uma só vez, através do
        economizador, caldeira e superaquecedor, transformando-se diretamente em vapor.
        A bomba de alimentação injeta na caldeira exatamente a quantidade de vapor a
        produzir.

        No 2º tipo, além da bomba de alimentação existe outra destinada a recirculação da
        água na caldeira.
As caldeiras de circulação positiva apresentam inúmeras vantagens como a
ausência de limite de pressão, e de capacidade, conhecendo-se exemplos com
pressões supercríticas. Além disso apresentam dimensões menores, aplicam tubos
de pequeno diâmetro (da ordem de 25 a 28mm), ausência de formação de depósitos
internos, geram vapor instantaneamente, exibem rendimentos altos e dispensam
grandes tambores. Em contrapartida exigem apurado controle da água de
alimentação e manutenção cuidadosa na bomba de circulação associado a
aperfeiçoados e sensíveis instrumentos de controle.

A primeira concepção de caldeira de circulação forçada foi dada por Benson, a qual
se caracteriza pela construção monotubular, através da qual circula a água
unidirecionalmente, desde a entrada até a saída, já no estado de vapor, conforme
esquema da figura 3.18




                                    Fig.3.18



Existe também a caldeira Belser ou Sulzer, que é a mesma caldeira Benson
acrescida de um tambor separador intermediário entre a seção geradora de vapor e
o super aquecedor conforme figura 3.19. Este coleta cerca de 4% da água
evaporada para aquecimento da água de alimentação.

A caldeira “Le Mont” aproveitou a idéia do tambor separador com bomba de
recirculação (figura 3.20). A bomba de circulação opera com pressão superior a da
caldeira consumindo de 0,5 a 0,6% da energia produzida pela própria caldeira.
Principio Sulzer                                Princípio Le Mont

              Fig.3.19                                           Fig.3.20


3.3   CALDEIRAS ELÉTRICAS

      São basicamente constituídas pelo casco ou tambor, contendo uma cuba interna e
      os eletrodos, um por fase. O casco é um vaso de pressão, cilíndrico-vertical, isolado
      termicamente e convenientemente aterrado. A cuba é isolada elétricamente por
      meio de porcelanas adequadas.

      A alimentação de energia elétrica é feita através de três eletrodos-suportes, sendo
      um por fase, dispostos a 1200 e fixados com isoladores na parte superior do tambor.
      Na extremidade inferior das eletrodos suporte estão montados os eletrodos de
      contato, os quais ficam dentro da cuba imersos em água.

      A corrente elétrica, passando através da água, no interior da cuba, provoca seu
      aquecimento e vaporização.

      A água pura é considerada um mau condutor de CORRENTE ELÉTRICA,
      portanto devem-se adicionar determinados sais à mesma para que se possa obter
      uma determinada CONDUTIVIDADE.
Alguns fabricantes recomendam a adição cáustica ou fosfato trisódico na água de
        alimentação (observe que esta deve ser calculada e colocada após o tratamento
        químico da água de alimentação).

        A quantidade se vapor gerada (Kg/h) depende diretamente dos seguintes
        parâmetros:

           - condutividade da água;
           - nível da água;
           - distância entre os eletrodos.

3.3.1   TIPOS DE CALDEIRAS ELÉTRICAS

          a) Tipo Eletrodo Submerso: geralmente destinado a trabalhar com pressões de
             vapor não muito elevadas (aproximadamente 15 Kgf/cm2.). A figura 3.21
             mostra um dos possíveis esquemas, utilizando o sistema de eletrodos
             submersos a baixa tensão (220 a 440 V), existe também nessa modalidade a
             alta tensão (3800 a 13800 V).

          b) Tipo Jato de Água (cascata): destinada a pressões de vapor elevadas e
             grandes quantidades de vapor. Observe um dos possíveis esquemas na figura
             3.22, disponíveis apenas para alta tensão (3,8 a 13,8 kV).

          c) Tipo Resistência: destinada, geralmente, a pequenas produções de vapor. Na
             maioria das vezes são do tipo horizontal, utilizando resistências de imersão.



        • PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DAS CALDEIRAS ELÉTRICAS

                   - não necessita de área para estocagem de combustível;

                   - ausência total de poluição (não há emissão de gases);

                   - baixo nível de ruído;

                   - modulação da produção de vapor de forma rápida e precisa;

                   - alto rendimento térmico (aproximadamente 98,0%);

                   - melhora do Fator de Potência e Fator de Carga;

                   - área reduzida para instalação da caldeira;

                   - necessidade de aterramento da caldeira de forma rigorosa;

                   - tratamento de água rigoroso.
1 - Corpo da Caldeira

                                                  2 - Eletrodo

                                                  3 - Câmara de Vapor

                                                  4 - Bomba de Circulação

                                                  5 - Bomba de Alimentação de
                                                          Água

                                                  6 - Eliminador de Água

                                                  7 - Válvula de Segurança

Caldeira elétrica tipo eletrodo submerso (baixa
                     tensão)
                     Fig.3.21
Caldeira Elétrica tipo eletrodo jateado
                                    Fig.3.22



Legenda:

1- Válvula de Descarga de Fundo           8 - Eletrodo
2 - Bomba de Circulação                   9 - Cilindro com Injetores
3 - Válvula Controle de Vazão             10- Injetores
4 -Válvula de Segurança                   11- Contra eletrodos
5 - Haste do Condutor                     12- Aquecedor de Partida
6 - Isoladores                            13- Entrada de Água de Alimentação
7 - Válvula de Saída de vapor
4.    FORNALHAS


      Fornalha é a denominação genérica que se dá para o local onde se queima o
      combustível e donde partem os produtos desta combustão. É formada por duas
      partes distintas:

      1- O aparelho de combustão

      2- A câmara de combustão

      O aparelho de combustão compreende um conjunto de componentes que oferecem
      as condições necessárias para a queima de combustível. Exemplos de aparelhos de
      combustão são as grelhas rotativas, as grelhas basculante, o queimador a óleo, a
      gás, etc.

      A câmara de combustão é representada por um volume adequadamente
      dimensionado onde se desenvolve a chama e se completa a combustão, além de
      propiciar a proteção e os suportes necessários para o aparelho de combustão.

      A fornalha deve evaporar toda a umidade do combustível e destilar suas substâncias
      voláteis, elevar a temperatura do combustível até a combustão espontânea
      proporcionando uma combustão completa, criar turbulência para misturar o ar e o
      combustível e finalmente impedir a troca de calor entre os gases quentes
      produzidos e o ambiente.

      No interior da fornalha as paredes devem ser revestidas com uma camada de tijolos
      refratários responsáveis por reter o calor no interior da fornalha, por isso devem ter
      refratariedade e alto ponto de fusão, resistência ao choque térmico e dilatação quase
      nula.

      A fixação desses tijolos é feita com argamassa refratária. Os principais
      componentes dos materiais refratários são o óxido de sílica, óxido de magnésio,
      grafite e silício. Recomenda-se, quando da utilização de tijolos refratários novos,
      que se aplique pouco calor nos primeiros momentos e se vá aumentando
      gradativamente, até atingirem suas características de operação.


4.1   CLASSIFICAÇÃO DAS FORNALHAS

      Várias são as maneiras de se classificar este componente importante dos geradores
      de vapor, sendo assim optou-se pela classificação que engloba todas as fornalhas
      em apenas duas categorias:



      1- Fornalhas que queimam sobre suporte

      2- Fornalhas de queima em suspensão
A primeira categoria engloba todas as fornalhas que queimam combustíveis sólidos
        à granel, grosseiramente divididos, picados e britados.

        A segunda se preocupa com a queima de combustíveis líquidos, gasosos ou sólidos
        finamente pulverizados que podem ser queimados em suspensão.


4.2     FORNALHAS SOB SUPORTE

        As fornalhas sob suporte congregam uma série de concepções construtivas
        especificamente projetadas para a obtenção das melhores condições necessárias aos
        variados combustíveis disponíveis para a queima.

        Segundo a quantidade de combustível manipulado, seu grau de divisão e
        mecanização da alimentação, as fornalhas sobre suporte são subdividas em dois
        grupos:

        • fornalhas de suporte estático

        • fornalhas de suporte movimentado


4.2.1   FORNALHA DE SUPORTE ESTÁTICO

        Neste grupo incluímos todas as fornalhas onde o combustível introduzido,
        permanece praticamente em repouso sob o suporte até sua completa extinção. Se
        enquadram nesse grupo, as seguintes fornalhas:

        • Fornalha de Grelhas Planas

        São adequadas para a queima de lenha em toras de um metro. A figura 4.1 mostra a
        instalação de uma grelha plana em caldeira flamotubular.

        O suporte todo costuma possuir ligeira inclinação para a parte posterior de 10 a 15
        graus para facilitar o manuseio do combustível durante os períodos de
        movimentação das toras a que são submetidos.

        A aplicação deste tipo de grelha é limitado à caldeiras com capacidade de gerar até
        15 tv/h. A partir desta capacidade o suprimento manual do combustível se complica
        o ponto de inviabilizá-lo. Projetos maiores, jamais deveriam adotar este sistema de
        queima sob pena de contribuir para o desperdício de reversas florestais
        comprometidas com outros programas mais coerentes com a economia da Nação.
Grelha Plana : a- caixa de fogo; b- suporte da grelha; c- barras de grelha; d- ponte
                                    de fornalha
                                     Figura 4.1

Fornalha de Grelha em Escada

Como o nome sugere, esta grelha é construída por placas de FOFO, formando
degraus, apoiados em travessões inclinados. O combustível é arrastado ou projetado
no início do plano inclinado, desce até formar um monte equilibrado, preenchendo
todo o suporte. A figura 4.2 apresenta quatro exemplos de grelha tipo escada. Em
seguida na figura 4.3, apresenta-se algumas disposições construtivas dos travessões
inclinados que servem de apoio às placas que compõem os degraus.

Estas grelhas, quando alimentadas mecanicamente se prestam para caldeiras de até
20 tv/h. Acima deste valor, há outros processos mais adequados e de mais fácil
manutenção.
Quatro exemplos de grelhas em escada

              Fig. 4.2
Componentes da grelha de escada

                                     Fig. 4.3



• Grelha Resfriada Inclinada

É uma variante da grelha anterior e consta de um plano inclinado constituído pelos
próprios tubos de circulação de água da caldeira. Esses tubos, afastados um do
outro, cerca de 60 a 120 mm são soldados em dois coletores, um alimenta o feixe
inclinado e o outro que recebe a água em circulação conectado com o resto da
caldeira (figura 4.4).

Aplicam-se em unidades geradoras de até 100 tv/h para a queima de qualquer
biomassa, mesmo aquelas contendo teores de umidade superiores a 50%. Se
prestam pois, para queimar cavacos de lenhas, resíduos florestais, resíduos
industriais, cascas de cereais e outras bio-massas.
Gerador de Vapor com Grelhas Inclinadas

                                    Fig. 4.4

• Fornalhas Celulares

Extremamente simples, versáteis e satisfatória quanto a performance, são
verdadeiras câmaras de alvenaria refratária, sobre cujo piso, o combustível é
despejado, formando um monte que recebe ar insuflado em todos os planos,
proporcionando a secagem parcial e queima. São utilizados para queima de
diferentes bio-combustíveis, como: cavacos, casca de madeira, serragem, cascas de
cereais e de lenha, porém a aplicação mais generalizada tem sido na queima de
bagaço de cana. A figura 4.5 mostra como opera uma fornalha deste tipo,
identificando os tubeiros sopradores de ar, geralmente introduzidos com uma
velocidade entre 8 a 15 m/s.
Fornalha celular

                                      Fig. 4.5

• Fornalhas com Grelhas Basculantes

A figura 4.6 apresenta um projeto de caldeira com grelhas basculantes para queima
de casca de arroz. As fornalhas desta categoria se aplicam para caldeiras de até 150
tv/h

Como se observa no desenho, a grelha é formada por piso plano constituído por
placas perfuradas, observe que o ar ingressa por baixo do piso basculante. As
placas se apoiam em travessões lisos que giram em torno de mancais laterais
mediante a ação de um pistão pneumático, que também pode ser visto pela figura
4.7. A cada ação do pistão corresponde um basculante, durante o qual as cinzas
caem no cinzeiro. Esta concepção construtiva possui alimentação de combustível
sempre por projeção. Há dois tipos de distribuidores, um denominado aspegidor
pneumático e outro mecânico (figura 4.7).
Caldeira Aquotubular com Grelha Basculante
                  Fig.4.6




Aspegidor de Combustível Sólido Tipo Mecânico

                  Fig. 4.7
4.2.2   FORNALHA DE SUPORTE MOVIMENTADO

        Grande número de concepções construtivas se enquadram nesta segunda sub-
        divisão de fornalhas de suporte. As principais características que se distinguem das
        anteriores, reside no seguinte:

        - alimentação contínua e mecanizada do combustível

        - suportes constituídos por componentes que percorrem toda extensão do plano
          inferior da fornalha com movimento contínuo assegurado por acionamento
          mecânico.

        De acordo com o mecanismo aplicado para provocar o deslocamento do
        combustível, distingui-se os seguintes tipos:

        - grelha caminhante por arraste;

        - grelha com alimentação por baixo;

        - grelha oscilante;

        - grelha com esteira contínua.

        • Grelha Caminhante por Arraste

        Trata-se de uma grelha inclinada constituída de elementos articulados que
        promovem um movimento alternativo das placas de suporte. Há placas móveis e
        fixas, todas apoiadas por estruturas de ferro fundido. As placas móveis, mediante
        ação de um mecanismo correm guiadas sobre as fibras, deslocando o leito do
        combustível no sentido do plano inclinado no movimento de vai e vem. O
        movimento é lento, de forma a provocar um deslocamento com velocidade de
        queima necessária à caldeira, esta grelha também é conhecida pelo nome de grelha
        vai e vem.

         A figura 4.8 ilustra este tipo de grelha com inclinação aproximada de 20 o em que a
        rosca sem fim (a) força o carvão sobre as barras de suporte (b) apoiadas nas vigas
        de acionamento (c) movimentadas por uma engrenagem regulável (d) que lhe
        confere o movimento de vai e vem. O cilindro (e) é responsável por projetar a
        escória mais leve ao reservatório de escória (i) que recebe também detritos da
        grelha pela saída (k). O ventilador (f) introduz o ar de combustão que penetra na
        grelha pelas câmaras de corrente de ar inferior (g); regulado por “dampers” através
        do controle da corrente de ar inferior (h). Bocais de ar (l), localizados acima da
        grelha, auxiliam na queima do pó de carvão em suspensão e do coque volátil.
Fig. 4.8

• Grelha de Alimentação por Baixo

O combustível é admitido por meio de uma rosca (a), acionada por motor elétrico
(h) com transmissão por engrenagens (g), que continuamente projeta o combustível
na parte inferior da grelha. A grelha (c) propriamente dita é inclinada e
transversalmente apresenta dupla inclinação de ambos os lados do, canal central
(b), de forma que o combustível caminhe do centro para os lados, onde é
totalmente queimado sobre a grelha de combustão (d), conforme representação na
figura 4.9 (seção A-B).

O carvão, a medida que é forçado a subir para as partes superiores do leito, vai se
aquecendo eliminando os voláteis e incandescendo-se. Atingindo o topo do leito, o
carvão rola sobre si mesmo lateralmente até sua extinção total na grelha de
combustão. As laterais recebem as cinzas que são basculadas por meio de alavancas
(e), caindo em seguida nos cinzeiros. A escória é direcionada para a saída f da
figura 4.9.
Fig. 4.9

• Grelha Oscilante

São grelhas que provocam o caminhamento do combustível sob o suporte, graças a
impulsos produzidos por mecanismo oscilante (figura 4.10).




                      Grelha com Movimento Oscilatório

                                  Fig. 4.10
O suporte é constituído por placas perfuradas, uma ao lado da outra, formando um
piso ligeiramente inclinado para o fundo. Estas placas são fixadas em barras, as
quais, por sua vez, se reúnem a lâminas flexíveis.

Estas lâminas flexíveis, no lado oposto às barras, são rigidamente fixadas a uma
estrutura solidamente chumbada no concreto da fundação. A grelha é adaptável
para a queima de qualquer combustível de biomassa e do carvão com médio e
baixo teor de cinzas. Carvão com alto poder calorífico, fundem as placas e
inutilizam a fornalha, fato este que tem limitado sua aplicação.

Modelo mais avançado é a grelha oscilante resfriada que queima carvão com alto
poder calorífico pois contém, junto ao piso da grelha tubos resfriados pela própria
água da caldeira além de apresentar na sua parte inferior compartimentos por onde
passa o ar de combustão.

• Grelha com Esteira Contínua

Também conhecidas como grelha rotativa, lembra um transportador, onde os óleos
das correntes recebem as placas perfuradas que formam o piso do leito. Foram
concebidos com a finalidade de desempenhar automaticamente boas condições de
carregamento, distribuição do combustível e extração de cinzas (figura 4.11).




                    Fig. 4.11
Entre todas é a de montagem mais complexa porque envolve uma mecanização mais
        elaborada, são utilizadas para aplicação em caldeiras de produção superiores a 39 t/h até
        150 t/h.



4.3     FORNALHA DE QUEIMA EM SUSPENSÃO

        São as fornalhas usadas quando se queima óleos , gases ou combustíveis sólidos
        pulverizados, utilizando para tal, equipamento especial chamado maçarico ou
        combustor, responsável pela dispersão do combustível na fornalha de forma
        homogênea. Cada classe de fornalha emprega queimadores especiais para proporcionar
        as condições de queima adequada. Conforme o tipo de combustível empregado,
        podemos ter:

        - queimadores de combustíveis líquidos;

        - queimadores de combustíveis gasosos;

        - queimadores de combustíveis sólidos pulverizados.


4.3.1   QUEIMADORES DE COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS

        Os combustíveis líquidos são queimados nas câmaras de combustão, sempre em
        suspensão, na forma pulverizada por meio de vários processos.

        a) Pulverização a ar - O óleo escoa por gravidade ou por impulsão de uma bomba de
           baixa pressão, o ar é insuflado por ventilador, sendo o veículo responsável pela
           pulverização do óleo em gotículas (figura 4.12)




                                Maçarico a Óleo Com Pulverização a Ar

                                                Fig. 4.12

        Conforme a pressão do ar, os queimadores são denominados de baixa pressão (até 500
        mmca) ou de média pressão (da ordem de 100 mmca). São indicados para unidades de
pequeno porte, queimando uma quantidade máxima de 50 kg óleo/h. O ar de
pulverização, denominado ar primário, representa 20% do ar total necessário à
combustão. Opera com 30 a 40% de excesso de ar e apresentam uma pulverização não
uniforme, dificultando a regulagem da queima. Uma concepção mais moderna deste
tipo, procura dar uma rotação aos dois fluxos, o que tem permitido uma melhora na sua
performance (figura 4.13).




       Queimador de Ar Comprimido com Rotação do Fluido Auxiliar Primário
                                   Fig. 4.13



b) Pulverização a vapor - Substituem o ar pelo vapor produzido na própria caldeira,
promovendo uma pulverização mais fina e fortemente acentuada pelo aquecimento.
Tem o inconveniente de parte do calor produzido na combustão ser consumido pelo
vapor, quando este for saturado (figura 4.14).
Maçarico a Óleo com Atomização a Vapor
                                     Fig. 4.14




                            Queimador de Copo Rotativo

                                      Fig. 4.15

Uma versão melhorada do princípio acima exposto é o queimador de “copo rotativo”,
largamente aplicado nos geradores de vapor limitados à capacidade de queima de 500
kg óleo/h, embora alguns tipos especiais com alta rotação (10000 rpm) chegam a
capacidade de 3000 kg óleo/h. O funcionamento baseia-se na formação de um filme de
óleo no interior de um copo tronco cônico girando a alta rotação (3600 rpm), que
projeta o combustível na forma de um anel cônico de encontro a um fluxo de ar rotativo
de alta pressão. A colisão de ambos fluidos provocam simultaneamente a pulverização e
a mistura do combustível com o comburente (figura 4.15).

c) Pulverização mecânica: Caracterizados pela ausência completa de peças rotativas,
garantindo a pulverização do óleo por escoamento estrangulado em alta velocidade
através de orifícios de pequenas dimensões (figura 4.16). A energia necessária para o
líquido atravessar o orifício em alta velocidade é mantida por uma bomba de
engrenagens.
Fig.4.16


4.3.2   QUEIMADORES DE COMBUSTÍVEIS GASOSOS

        Graças ao estado gasosos, o gás é o combustível mais simples de ser queimado pois a
        mistura com o comburente se processa de forma muito mais fácil do que com qualquer
        outro combustível, podendo ter sua velocidade de ignição consideravelmente aumentada
        mediante pré aquecimento do suprimento do comburente. Basicamente distinguem-se
        dois tipos:



        • queimadores de mistura
        • queimadores de difusão.

        Os primeiros promovem a mistura do ar com o gás antes de injetá-los na câmara de
        combustão (figura 4.17), já os queimadores de difusão tem por princípio injetar ambos
        os fluidos separadamente, proporcionando a mistura de ambos no interior da câmara de
        combustão, tendo concepções que insuflam cada fluido em correntes paralelas (figura
        4.18.a), cruzadas (figura 4.18.b) ou ainda turbulentas (figura 4.18.c).
Queimador de Mistura, Esquemático
                                             Fig.4.17




               (a)                        (b)                        (c)

           Esquema dos tres tipos de Queimadores de difusão: a) em correntes paralelas, b)
                                      cruzadas e c) turbulentas.
                                              Fig.4.18

        Existem também queimadores de difusão para queimar a combinação de gás e óleo é até
        carvão pulverizado, encontrados nas grandes unidades geradoras de vapor.




4.3.3   QUEIMADORES DE COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS PULVERIZADOS

        A utilização dos combustíveis sólidos apresentam como exemplo mais importante o
        carvão mineral utilizado nas grandes unidades geradoras de vapor das centrais Termo
        Elétricas. Há contudo, outras matérias orgânicas pulverizadas e resíduos de processos
        industriais que servem a queima, como é o caso do bagaço de cana, o bagacilho, a borra
        de café, a serragem e resíduos florestais macerados, que são reduzidos a tamanhos de
        alguns milímetros e queimados em suspensão, quando insuflados na câmara de
        combustão.
A figura 4.19 mostra, de forma esquemática um queimador a carvão pulverizado tipo
ciclone que associa a injeção pneumática com a formação de forte movimento vorticoso
no interior da câmara de combustão, existindo concepções mais modernas que distribui
os queimadores (geralmente em número de quatro) tangencialmente à câmara de
combustão.

O processo possibilita a queima de combustíveis sólidos finos de carvão com alto teor
de cinzas, aproveita os finos resultantes da preparação do próprio carvão e admite a
queima de grandes quantidades, assegurando sua aplicação nas grandes caldeiras,
possibilitando uma larga faixa de controle de combustão.




                                      Fig.4.19

Em contrapartida apresenta algumas desvantagens, a principal representada pela maior
facilidade das partículas escaparem para o meio ambiente, acompanhada da
complexidade da aparelhagem de preparação do combustível, do consumo de energia
para acionamento das máquinas e do calor dispendido na secagem do carvão.

A redução parcial do tamanho das pedras de carvão para 10 a 20mm de diâmetro se
processa com britadores de martelo. Após a britagem segue-se a secagem do carvão
pelos mais variados aparelhos cilindrícos rotativos. Para a pulverização definitiva
usam-se moinhos de rolos, de bolas ou cônicos e o transporte do pó de carvão efetua-se
normalmente por via pneumática geralmente a alta pressão.
ELETRONUCLEAR                                                     Gerência de Treinamento- GTR.O




5.         ACESSÓRIOS E DISPOSITIVOS DE CALDEIRAS


5.1        APARELHOS DE ALIMENTAÇÃO DE ÁGUA

           A cada quilograma de vapor extraído da caldeira, deve corresponder equivalente quantidade
           de água injetada. Não se verificando a reposição, o nível de água, no interior da caldeira,
           começa a baixar. Enquanto, as superfícies metálicas, expostas ao contato dos gases quentes,
           estiverem banhados pela água, nenhum dano ocorre ao equipamento.

           No momento porém, que o nível ultrapassar o limite mínimo ao estabelecido, compromete-
           se a segurança da unidade. Criam-se condições de ruptura das paredes metálicas ou mesmo
           de explosões devido o superaquecimento da placa metálica.Por essa razão, cabe ao operador,
           embora auxiliado pela automação do processo de alimentação, vigiar permanentemente o
           nível exibido pelo visor transparente existente na caldeira.

           A introdução da água, nos Geradores de Vapor, se faz com os aparelhos de Alimentação.

           Sob o ponto de vista termodinâmico, o aparelho de alimentação, realiza um trabalho
           representado pelo deslocamento de uma massa de água associada a uma pressão capaz de
           vencer as resistências oferecidas pelo circuito.A figura 5.1, apresenta um esquema típico de
           instalação de alimentação de água, com bomba centrífuga, controlada automaticamente por
           uma válvula.




                               Tubulão de vapor

                                                  Válvula de controle
                       Bomba de alimentação




                               Esquema de uma Linha de Alimentação de Água de Caldeira

                                                                    Fig 5.1


5.1.1      INJETORES


      TGM- 42 – CALDEIRAS - Apostila                                            Fevereiro/ 98            50
ELETRONUCLEAR                                                     Gerência de Treinamento- GTR.O




         São equipamentos para alimentação de água usados em pequenas caldeiras de comando
         manual e também foram muito empregados em locomotivas a vapor. Seu princípio,
         simples, baseia-se no uso do próprio vapor de caldeira ou de ar comprimido que é injetado
         dentro do aparelho, onde existem os cônicos divergentes e as válvulas de retenção, de
         controle, e de sobrecarga, conforme figura 5.2.

         Quando o ar ou vapor passa pelos cônicos divergentes, forma vácuo, faz com que a válvula
         de admissão seja aberta e arrasta por sucção a água do reservatório para dentro da caldeira.
         Se a água entra em excesso, sai através de uma válvula de sobrecarga.




                                               Injetor de Água

                                                   Fig.5.2


5.1.2    BOMBAS ALTERNATIVA

         Também conhecidas como bombas de pistões, de ação direta ou de deslocamento positivo,
         podem ser acionadas por motores elétricos ou a vapor.

         A bomba acionada eletricamente tem sido aplicada em pequenas caldeiras que operam em
         pressões elevadas, pois as bombas centrífugas para altas pressões dificilmente atingem
         pequenas capacidades.

         Sua constituição esquemática, representada na figura 5.3, conta com uma câmara, duas
         válvulas de retenção e um êmbolo.




    TGM- 42 – CALDEIRAS - Apostila                                            Fevereiro/ 98            51
ELETRONUCLEAR                                                    Gerência de Treinamento- GTR.O




                                     Bomba Alternativa ou de Êmbolo

                                                   Fig.5.3

         As bombas acionadas a vapor mais difundidas são as denominadas Bombas duplex a vapor
         ou também conhecidas por Burrinhos, disponíveis no mercado para atender geradores com
         produções de vapor até 50 t/hora e pressões até 21 kgf/cn 2. Nestas o vapor aciona o par de
         pistões de maior diâmetro movimentando assim os pistões menores de injeção de água.

         Estes tipos de bombas, devido a presença de lubrificação contínua dos cilindros, apresentam
         o inconveniente de arrastarem óleo para o interior da caldeira, por isso, geralmente,
         cumprem o papel de bomba de reserva.


5.1.3    BOMBAS CENTRÍFUGAS


         São bombas que têm dado os melhores resultados, pela simplicidade de seus componentes,
         facilidade de manutenção, pela grande vazão que nos oferece, atingindo até 500.000 litros
         de água por hora, e por operar em regime contínuo, ao contrário das bombas alternativas
         onde a alimentação se processa em golpes contínuos.

         Seu funcionamento consiste em um disco com um jogo de palhetas que giram em alta
         velocidade e fazem a sucção da água. Cada disco forma um estágio, cuja quantidade pode
         variar de acordo com a capacidade da bomba. Nas caldeiras de baixa pressão empregam-se
         bombas com apenas um estágio e nas de alta pressão são usados multiestágios.

         As bombas centrífugas são passíveis de serem acionadas por motores elétricos ou por
         turbinas a vapor, estas últimas aplicáveis apenas em geradores de maiores capacidades e
         pressões. Podem, ainda, ter carcaça cilíndrica e bipartida.


5.1.4    CONTROLE AUTOMÁTICO DE ÁGUA DE ALIMENTAÇÃO

    TGM- 42 – CALDEIRAS - Apostila                                           Fevereiro/ 98            52
ELETRONUCLEAR                                                     Gerência de Treinamento- GTR.O




       Os aparelhos de controle automático de alimentação dividem-se em dois grupos,
       identificados pelo critério de funcionamento (liga-desliga) ou modulante.


5.1.4.1 APARELHO DE CONTROLE DE ALIMENTAÇÃO DE ÁGUA LIGA-DESLIGA.

       Há dois aparelhos básicos que respondem por esta característica; um denominado Regulador
       de Nível com Eletrodo e o outro Regulador de Nível com Bóia.

       • Regulador De Nível Com Eletrodos

     Este sistema consiste em aproveitar a condutividade elétrica da água, através de três eletrodos
     que podem ser de aço inoxidável e tamanhos diferentes, correspondendo, cada tamanho, a um
     nível de água: o central, o máximo e o mínimo. Este dispositivo é montado na parte superior
     do tambor de vapor, e os eletrodos estão ligados a um relé de nível de água que, através de
     seus contatos, comandará a bomba de alimentação de água.

     A bomba entrará em funcionamento quando a água atingir a ponta de eletrodo central e
     deverá parar quando a água atingir o eletrodo de nível máximo ( o menor eletrodo). Se o
     nível da água atingir a ponta do eletrodo maior o relé desligará o queimador ou em alguns
     sistemas poderá fazer funcionar um alarme que dará ao operador a indicação do defeito
     (figura 5.4).

       • Regulador De Nível Com Bóia

       Poderão ser construídos de várias formas mas os principais constam de uma garrafa que é
       ligada ao tambor de vapor e uma bóia que flutua no seu interior. Qualquer flutuação do
       nível interno é transmitidos a esta bóia, presa na parte superior por uma haste (3), conforme
       fig. 5.5.

       A haste movimenta-se dentro do recipiente (5), e ao passar pelo campo magnético (2)
       produzido pelo imã permanente (1) faz movimentar a célula de mercúrio (4) pelo pino
       pivotado (A). A bomba assim fica dependendo do sistema liga-desliga, das chaves de
       mercúrio, alimentando ou não a caldeira.




  TGM- 42 – CALDEIRAS - Apostila                                             Fevereiro/ 98           53
ELETRONUCLEAR                                                Gerência de Treinamento- GTR.O




     Indicador De Nível Com Eletrodo, onde: E = Eletrodo; VVN -1 e 2 = Válvula do visor de
     nível superior e inferior; VDN = Válvula do dreno de nível; VDRN = Válvula de dreno
     reguladora de nível; CN = Coluna de nível e TP-1 e 2 = Torneiras de prova 1 e 2.
                                              Fig.5.4




             Demonstração Esquemática de um Regulador de Nível com Bóia usando Chaves de
                                             Mercúrio

                                               Fig.5.5


5.1.4.2 APARELHOS DE CONTROLE DE ALIMENTAÇÃO DE ÁGUA MODULANTE
  TGM- 42 – CALDEIRAS - Apostila                                       Fevereiro/ 98            54
ELETRONUCLEAR                                                   Gerência de Treinamento- GTR.O




     • Elemento Termostático Para Controle De Nível

     Tem a finalidade de controlar o fluxo da água na caldeira. Seu funcionamento baseia-se no
     principio da dilatação dos corpos pelo calor (figura 5.6).

     Sua construção é bastante simples. É formado por dois tubos concêntricos, sendo que o
     tubo externo é o tubo de expansão e o interno serve para fazer a ligação com o tambor de
     vapor pela sua parte superior, onde recebe uma quantidade de vapor. Faz também a ligação
     com o tambor de vapor em um ponto correspondente ao nível mínimo, recebendo, portanto,
     pela parte de baixo, água do tambor de vapor.

     O tubo termostático abrange quase toda a extensão da fornalha, sendo que em uma das
     extremidades é rigidamente ligado a serpentina de aquecimento e a outra extremidade
     permanece livre, a fim de poder dilatar-se e mover a válvula de admissão da água.

     Quando a caldeira está com uma queima total, a extremidade livre do tubo termostático
     mantém a válvula de admissão em posição que passe, apenas, a água para repor a quantidade
     que está sendo evaporada.

     Se houver uma baixa no nível de água, aumentará a temperatura do elemento termostático,
     devido ao aumento da quantidade do vapor dentro do tubo. Com isso, o tubo se dilata
     movimentando o conjunto de comando da válvula de admissão da água, fazendo com que a
     mesma se abra dando passagem à água de alimentação.

     À medida que a água vai entrando no tambor, a quantidade de vapor dentro do tubo
     termostático também vai diminuindo, dando lugar à água que é bem mais fria que o vapor,
     fazendo, desta forma, com que o tubo, que se havia expandido pelo calor, agora se contraia
     em virtude da mudança de temperatura: à medida que a temperatura diminui no interior do
     tubo, este se contrai, fazendo com que o conjunto de comando faça a redução da entrada de
     água até que o nível seja equilibrado.

     O nível normal de água na caldeira poderá ser elevado ou baixado à vontade, dentro de
     limites razoáveis. Uma porca de regulagem, localizada na extremidade do tubo, pode ser
     girada para proporcionar o nível desejado mesmo com a caldeira em funcionamento.

     Um amortecedor protege o regulador contra esforços bruscos quando a válvula está fechada
     e o tubo de expansão está contraído




TGM- 42 – CALDEIRAS - Apostila                                           Fevereiro/ 98           55
ELETRONUCLEAR                                                     Gerência de Treinamento- GTR.O




                            Controle De Nível Proporcional A Um Elemento De Ação Mecânica Por Efeito Termostático
                                                                   Fig.5.6




TGM- 42 – CALDEIRAS - Apostila                                             Fevereiro/ 98           56
ELETRONUCLEAR                                                      Gerência de Treinamento- GTR.O




          • Elemento Termohidráulico Para Controle De Nível

          Uma outra concepção, conforme figura 5.7, denomina-se controle de nível
          termohidráulico, que opera agora graças à dilatação e contração da água contida
          numa câmara cilíndrica anelar fechada.




            Controle de Nível Proporcional a um Elemento com Princípio de Atuador Termo-
                                              Hidráulico
                                                Fig.5.7

          O sistema compreende um duplo cilindro concêntrico, instalado com uma
          inclinação pré definida em relação ao nível interno da caldeira. O primeiro, aletado
          em toda extensão, forma uma camisa fechada, enquanto o interno une-se ao tambor
          de forma a receber as oscilações do nível de água.



TGM- 42 – CALDEIRAS - Apostila                                             Fevereiro/ 98           57
ELETRONUCLEAR                                                      Gerência de Treinamento- GTR.O




          O tubo externo, por sua vez, liga-se pela parte inferior ao diafragma de uma válvula
          de controle. Pela conexão superior desta camisa introduz-se água limpa até o
          fluido transbordar.

          A caldeira entrando em operação, apenas uma parcela desta câmara entra em
          contato com o vapor o qual promove o aquecimento e conseqüente dilatação da
          parte correspondente de água. O aumento de volume reflete sobre o diafragma da
          válvula de controle, portanto sobre o orifício de passagem de água de alimentação.

          À medida que o nível oscila, a água contida na câmara recebe contato com maior
          ou menor superfície de aquecimento, respondendo com variações nas dilatações e
          contrações do fluido de maneira a transmitir à válvula de controle, posições
          diferentes de ingresso ou interrupção da passagem da água.

          • Controle de Nível Pneumático

          A figura 5.8 exibe uma versão mais moderna de controle de nível em caldeiras,
          introduzindo o ar comprimido como fluido auxiliar.




                                                Fig.5.8


TGM- 42 – CALDEIRAS - Apostila                                             Fevereiro/ 98           58
ELETRONUCLEAR                                                    Gerência de Treinamento- GTR.O




5.2       ALIMENTAÇÃO DE COMBUSTÍVEL

          No caso de combustível líquido o fornecimento não deve ser feito diretamente do
          tanque principal para o consumo e sim passar por um reservatório intermediário,
          evitando-se problemas de flutuação de carga e baixa temperatura do combustível no
          bombeamento. Esse reservatório deve ser instalado no circuito mais próximo da
          bomba de óleo tendo antes um filtro da bomba, uma válvula de gaveta e a linha de
          retorno do excedente ao depósito, sendo sua principal finalidade o aquecimento de
          óleo (figura 5.9).

          Devido à quantidade do “Fuel oil” fornecido com alto teor de parafina o sistema de
          aquecimento deve ser misto (eletricidade e vapor), a fim de elevar e manter a
          temperatura do óleo acima do ponto de fluidez (ponto de baixa viscosidade).

          Caso o óleo combustível seja muito viscoso, ele deve ser recirculado no sistema de
          preaquecimento até atingir a temperatura ideal, antes de ser admitido na caldeira
          para não entupir o pulverizador, em razão da viscosidade imprópria.

          No início de funcionamento, quando o óleo não está ainda a uma temperatura ótima
          de pulverização, deve-se usar querosene.




                                     Bomba de óleo combustível

                                               Fig.5.9



TGM- 42 – CALDEIRAS - Apostila                                            Fevereiro/ 98          59
ELETRONUCLEAR                                                     Gerência de Treinamento- GTR.O




          No caso dos combustível sólidos a alimentação pode ser manual ou mecanizada
          No caso de alimentação manual de combustível sólido deve ser armazenada na casa
          da caldeira uma quantidade suficiente para até duas horas, evitando-se o acúmulo
          de combustível que retira a liberdade de ampla circulação que o operador deve ter..


5.2.1     CONTROLE AUTOMÁTICO DE COMBUSTÃO

          Três são as grandezas relacionadas com o problema de malha aberta que responde
          pela regulagem automática da combustão:

          • o consumo de combustível
          • o consumo de ar para a combustão
          • a extração dos gases formados

          O controle destas três grandezas visam:

          • manter o suprimento de calor da fonte supridora, de acordo com a demanda do
            processo.
          • assegurar um mínimo de consumo de combustível para atingir as condições
            propostas, ou seja, alcançar a máxima eficiência;
          • manter as condições de operação da fornalha dentro de parâmetros satisfatórios.

          No fundo os objetivo são os mesmos. A quantidade de combustível se ajusta com a
          pressão da caldeira, de modo que uma queda na pressão significa falta de
          combustível, e excesso, significa combustível a mais. Portanto a regulagem da
          pressão de forma a mantê-la dentro dos limites fixados na operação, implica
          necessariamente na modificação do suprimente de combustível.
          A intervenção nesta fonte de calor determina a modificação do volume de ar
          necessário à sua queima, dentro dos parâmetros compatíveis com uma combustão
          perfeita. Esta variação provocada na formação de volumes de gases de combustão,
          deve ser vigiada por uma ação paralela, que garanta a sua (gases) extração
          completa de forma a assegurar uma pressão definida na câmara de combustão da
          caldeira.

5.3       ALIMENTAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

          É feita através do quadro de comando que é o componente da caldeira onde estão
          os dispositivos elétricos que permitem a operação da caldeira. Para o caso das
          caldeiras com alimentação a combustível líquido eles são mais complexos pois
          comandam o acendimento automático e o controle da chama, além de outros
          comandos como o de nível de água que controla as bombas de alimentação e os
          relés de alta pressão.

          No caso de caldeiras de alimentação por combustível sólido (lenha) os quadros de
          comando são mais simples pois basicamente possuem apenas o comando de nível


TGM- 42 – CALDEIRAS - Apostila                                            Fevereiro/ 98           60
ELETRONUCLEAR                                                    Gerência de Treinamento- GTR.O




          automático que controla o funcionamento das bombas de alimentação de água e o
          aumento de pressão.

          Os comandos são colocados em um armário que os abrigam da poeira e umidade,
          tais comandos são basicamente:

          •   seleção do comando manual ou automático;
          •   chave de ligar e desligar a bomba d’água;
          •   chave de liga e desliga o ventilador de exaustão;
          •   alarme sonoro de advertência;
          •   lâmpada piloto;
          •   chaves magnéticas de ligação do nível automático.


5.4       VISOR DE NÍVEL

          Consiste em um tubo de vidro colocado no tambor de vapor (figura 5.10) e que tem
          a finalidade de dar ao operador a noção exata da altura onde se encontra a água da
          caldeira. Na maioria das caldeiras o nível de água é exatamente no centro do tubo
          de vidro, o que corresponde ao centro do tambor de vapor. Existem, porém,
          caldeiras que não seguem esta regra cabendo ao operador certificar-se do quanto
          corresponde a marca de nível dos indicadores.




                                             Visor de nível
                                               Fig.5.10

          Manter o nível de água da caldeira é um importante papel do operador que terá que
          dispensar-lhe uma especial atenção.



TGM- 42 – CALDEIRAS - Apostila                                            Fevereiro/ 98          61
ELETRONUCLEAR                                                         Gerência de Treinamento- GTR.O




          Antes de se iniciar a operação da caldeira, deve ser feita uma drenagem no nível, a
          fim de que se eliminem algumas impurezas que por ventura tenha-se localizado no
          nível ou nas conexões do mesmo. Nas caldeiras manuais, o nível é importantíssimo
          porque dará ao operador uma noção exata de quanto a água deverá ser introduzida
          na caldeira.


5.5       MANÔMETROS

          Aparelho com o qual se mede a pressão de gases, de vapores e de outros fluídos. É
          muito utilizado na indústria, entre outros fins, para verificar a pressão de caldeiras e
          de vasos sob pressão.

          O conhecimento desta pressão é obrigatório, não só sob o ponto de vista de
          segurança, como também, para a operação econômica e segura da caldeira.

          A figura 5.11 mostra as partes Internas, de forma esquemática, de um manômetro
          de Bourdon padrão cujo funcionamento baseia-se na tendência de flexão, que
          experimenta um tubo de bronze curvado, de seção elíptica, quando é aplicada, em
          seu interior, uma pressão superior à atmosfera. Geralmente o tubo se curva em
          arco de circunferência. Ao atuar a pressão no interior do tubo, sua extremidade
          livre descreve um pequeno movimento, que é ampliado mediante um sistema de
          alavancas que atuam sobre o setor dentado, fazendo girar a agulha indicadora.

          Existem vários tipos de manômetros: manômetro tubular, manômetro com líquido
          amortecedor (glicerina ou silicone), manômetro diferencial, e outros tipos que são
          abordados em instrumentação e controle não constituíndo objetivo principal do
          presente curso.

          A escala de uma manômetro pode ser graduada em quilograma, força por
          centímetro quadrado (Kgf/cm2), em atmosferas (atm), em libras-força por
          polegada quadrada (lbf/pol2 ou psi), ou em qualquer outra unidade de pressão. A
          tabela abaixo dá a correspondência entre estas unidades.

                                 atm        Kgf/cm2               psi

                                  1           1,033             14,22

                                 0,96           1                14,7

                                 0,065        0,068                1




TGM- 42 – CALDEIRAS - Apostila                                                Fevereiro/ 98           62
ELETRONUCLEAR                                                         Gerência de Treinamento- GTR.O




                                 Partes internas de um manômetro de Bourdon

                                                  Fig.5.11


          A indicação em psi é usual no sistema inglês e no Brasil utiliza-se mais
          correntemente indicações em kgf/cm2.

          Os manômetros, de um modo geral, indicam a pressão relativa (também
          denominada pressão manométrica) e não a “pressão absoluta”. Isso quer dizer que,
          para se obter a pressão dita “absoluta”, tem-se que somar à pressão indicada no
          manômetro, a pressão atmosférica local (pressão absoluta = pressão manométrica +
          pressão atmosférica).

          Cada caldeira tem uma capacidade de pressão determinada. Sendo assim, os
          manômetros utilizados em cada caldeira devem ter a escala apropriada. A pressão
          máxima de funcionamento da caldeira deverá estar sempre marcada sobre a escala
          do manômetro, com um traço feito a tinta vermelha, para servir de alerta ao
          operador no controle da pressão.




TGM- 42 – CALDEIRAS - Apostila                                                Fevereiro/ 98           63
ELETRONUCLEAR                                                      Gerência de Treinamento- GTR.O




5.6       DISPOSITIVOS DE SEGURANÇA



5.6.1     VÁLVULAS DE SEGURANÇA

          Sua função é de promover o escape de excesso do vapor, caso a pressão máxima do
          trabalho permitida da caldeira venha a ser ultrapassada, e os outros dispositivos de
          segurança venha a falhar.

          Quando uma caldeira possui duas válvulas de segurança, uma delas deverá abrir
          com 5% acima da pressão máxima de trabalho permitida e a outra com 10% acima
          da pressão máxima permitida.

          Para garantir um perfeito funcionamento da válvula de segurança, deve-se observar
          o seguinte:

          • Todas as válvulas de segurança deverão ser experimentadas uma vez ao dia,
            acionando-se a alavanca de teste manual.
          • Promover a inspeção das sedes das válvulas pelo menos uma vez por ano.
          • Fazer periodicamente um teste de funcionamento da válvula. Isto se faz
            colocando uma manômetro aferido na caldeira e, em seguida, fechando todas as
            saídas de vapor até que a válvula comece a funcionar. Para a aferição da válvula
            devem ser observadas as porcentagens acima indicadas, e também deve-se
            observar que durante o teste a pressão máxima da caldeira não deve ultrapassar
            10% da pressão máxima permitida.

          As válvulas de contrapeso são as mais simples, porém não atendem os requisitos
          atrás anunciados. Sua vedação nem sempre impede vazamentos contínuos.

          As válvulas de mola predominam nos dias de hoje. Há dois tipos de válvulas de
          mola:

          • de baixo curso;
          • de alto curso.

          No primeiro tipo, a pressão do vapor atuando sobre a área do disco de vedação,
          abre totalmente a válvula.

          No segundo tipo, a ação de pressão abre parcialmente a válvula. O vapor
          escapando, projeta-se sobre um disco provido de anel de regulagem que provoca a
          mudança de direção do fluido. A força de reação completa a abertura da válvula.




          Estas válvulas são muito mais perfeitas, abrindo e fechando instantaneamente.


TGM- 42 – CALDEIRAS - Apostila                                             Fevereiro/ 98           64
ELETRONUCLEAR                                                     Gerência de Treinamento- GTR.O




          Os fabricantes fornecem estas válvulas nas dimensões adequadas, desde que se
          forneçam a vazão e pressão do vapor.

          As válvulas de segurança exigem cuidados especiais desde a sua instalação.

          Na instalação deve-se:

          • evitar choques;
          • acertar o prumo (velocidade da válvula)
          • evitar alterar a regulagem original do fabricante.

          Na operação:

          • não permitir acréscimo de peso na válvula;
          • testar diariamente seu funcionamento;
          • eliminar vazamentos contínuos.

          As válvulas de segurança evitam, portanto, a contínua elevação da pressão no
          gerador de vapor. Válvulas de segurança corretamente dimensionadas devem:

          1. Abrir totalmente a um pressão definida, evitando o desprendimento de vapor
             antecipadamente.
          2. Permanecer aberta enquanto não houver queda de pressão ou seja, retorno da
             pressão para as condições de trabalho do gerador.
          3. Fechar instantaneamente e com perfeita vedação logo após a queda de pressão.
          4. Permanecer perfeitamente vedada para pressões inferiores à sua regulagem.

          Para assegurar esta performance, as válvulas de segurança devem ser fabricadas,
          sob controle de qualidade, instaladas corretamente e ser submetidas a sistemáticas
          inspeções e mantidas em condições de funcionamento perfeito.

          Podemos encontrar, basicamente, dois tipos de válvulas de segurança:

          a) de contrapeso (figura 5.12)

          b) de mola (figura 5.13)




TGM- 42 – CALDEIRAS - Apostila                                            Fevereiro/ 98           65
ELETRONUCLEAR                       Gerência de Treinamento- GTR.O




                                 Fig.5.12




                                 Fig.5.13


TGM- 42 – CALDEIRAS - Apostila              Fevereiro/ 98           66
ELETRONUCLEAR                                                     Gerência de Treinamento- GTR.O




5.6.2     PROTEÇÃO E CONTROLE DE CHAMA

          Caldeiras que usam queimadores de sólidos pulverizados (carvão), líquidos (BPF,
          diesel,...) ou gasosos (gás de gasogênio, GLP,...) necessitam de um sistema de
          proteção e controle de chama para supervisionar principalmente:

          • procedimento incorreto de ligação;
          • falta de chama por qualquer motivo.

          Ocorrendo uma destas falhas, a fornalha da caldeira ficaria sujeita a uma explosão,
          caso não houvesse a interrupção imediata do fornecimento do combustível.

          Conforme a concentração da mistura (ar/combustível), a magnitude de explosão
          poderá se tornar perigosa, causando danos ao equipamento e provocando risco de
          vida ao seu operador.

          A maior parte dos casos de explosão, ocorrem durante o acendimento da chama.

          Os dispositivos usualmente empregados nestes sistemas de proteção são dos
          seguintes tipos:

          POR TERMOELÉTRICOS

          São formados por lâminas bimetálicas (lâminas de metais diferentes) e de uma
          chave elétrica. As lâminas bimetálicas ficam instaladas no caminho dos gases e
          também estão ligadas ao circuito, de tal modo, que não é possível acender o
          queimador com a chave aberta. Acendendo a caldeira, o calor dos gases
          desprendidos dilata as lâminas, queimando-se a caldeira as lâminas e se contraem
          abrindo e interrompendo o circuito elétrico do queimador.

          POR CÉLULAS FOTOELÉTRICAS

          Trata-se de um sistema bem aperfeiçoado que trabalha com uma célula fotoelétrica,
          um amplificador e um relé. O seu funcionamento é baseado na coloração das
          chamas. Se estas se apagarem a luminosidade no interior da fornalha será
          diminuída, a célula fotoelétrica comandará o amplificador e o relé que abrirá seus
          contatos, interrompendo o circuito dos queimadores.

          Os sistemas fotocondutivos para segurança de chama tem quase o mesmo
          funcionamento dos fotoelétricos, sendo modificado o tipo de célula. Utiliza-se das
          irradiações infravemelhas das chamas e faz uso de amplificadores especial.

          Os amplificadores conseguem estabelecer diferenças entre o calor das chamas e o
          calor dos refratários da fornalha.

          Estes controladores funcionam como equipamentos de segurança, fazendo com que
          a caldeira seja parada e religada automaticamente, controlando perfeitamente a
          água de alimentação e os limites de pressão.


TGM- 42 – CALDEIRAS - Apostila                                             Fevereiro/ 98          67
ELETRONUCLEAR                                                     Gerência de Treinamento- GTR.O




          Também efetua a parada de emergência comandada pelo circuito de segurança.


5.7       DISPOSITIVOS DE CONTROLE
          Estes dispositivos são projetados para garantir que a caldeira funcione em perfeita
          segurança.


5.7.1     PRESSOSTATOS

          PRESSOSTATO DE CONTROLE DE MÁXIMA PRESSÃO DA CALDEIRA

          Tem a finalidade de controlar a pressão interna da caldeira por meio de um
          comando para os queimadores (figura 5.14).

          É constituído de um fole metálico (ou de um diafragma) que comanda uma chave
          elétrica por meio de um dispositivo de regulagem da pressão. À medida que
          diminui a pressão dentro da caldeira o fole (ou diafragma) se contrai, fechando o
          circuito elétrico, dando partida ao queimador. Quando a pressão for restabelecida o
          fole (ou diafragma) se dilata e fará a abertura dos contatos, interrompendo o
          funcionamento dos queimadores.           Nas caldeiras semi-automática e chave
          interrompe o circuito do queimador, quando atingida a pressão de corte e mantém o
          circuito travado, impedindo que seja reacendido manualmente, até que seja atingida
          a pressão de operação.




                                               Fig.5.14

          • Pressostato Modular

          De construção quase idêntica ao pressostato de máxima pressão, faz a regulagem
          do óleo e do ar para os queimadores. A sua diferença para o pressostato acima, é

TGM- 42 – CALDEIRAS - Apostila                                             Fevereiro/ 98          68
Caldeiras   apostila
Caldeiras   apostila
Caldeiras   apostila
Caldeiras   apostila
Caldeiras   apostila
Caldeiras   apostila
Caldeiras   apostila
Caldeiras   apostila
Caldeiras   apostila
Caldeiras   apostila
Caldeiras   apostila
Caldeiras   apostila
Caldeiras   apostila
Caldeiras   apostila
Caldeiras   apostila
Caldeiras   apostila
Caldeiras   apostila
Caldeiras   apostila
Caldeiras   apostila
Caldeiras   apostila
Caldeiras   apostila
Caldeiras   apostila
Caldeiras   apostila
Caldeiras   apostila
Caldeiras   apostila
Caldeiras   apostila
Caldeiras   apostila
Caldeiras   apostila
Caldeiras   apostila
Caldeiras   apostila
Caldeiras   apostila
Caldeiras   apostila
Caldeiras   apostila
Caldeiras   apostila

Mais conteúdo relacionado

Mais procurados

Fornos - Estudante Do Curso Inspetor De Equipamentos
Fornos - Estudante Do Curso Inspetor De Equipamentos Fornos - Estudante Do Curso Inspetor De Equipamentos
Fornos - Estudante Do Curso Inspetor De Equipamentos Mário Sérgio Mello
 
Apostila de permutadores de calor
Apostila de permutadores de calorApostila de permutadores de calor
Apostila de permutadores de calorvitormazzini
 
Manual caldeira flamotubular
Manual caldeira flamotubular Manual caldeira flamotubular
Manual caldeira flamotubular Erico Polizer
 
Caldeiras - Estudante Do Curso Inspetor De Equipamentos
Caldeiras  - Estudante Do Curso Inspetor De EquipamentosCaldeiras  - Estudante Do Curso Inspetor De Equipamentos
Caldeiras - Estudante Do Curso Inspetor De EquipamentosMário Sérgio Mello
 
Apostila cálculo de reatores i
Apostila cálculo de reatores iApostila cálculo de reatores i
Apostila cálculo de reatores iOnildo Lima
 
Parte 03 distribuição vapor
Parte 03   distribuição vaporParte 03   distribuição vapor
Parte 03 distribuição vaporconfidencial
 
Aula 14 balanço de energia em processos químicos - 06.05.11
Aula 14   balanço de energia em processos químicos - 06.05.11Aula 14   balanço de energia em processos químicos - 06.05.11
Aula 14 balanço de energia em processos químicos - 06.05.11Nelson Virgilio Carvalho Filho
 
Caldeira (c lculo vapor por g-s)
Caldeira (c lculo vapor por g-s)Caldeira (c lculo vapor por g-s)
Caldeira (c lculo vapor por g-s)consultor tecnico
 
5-Treinamento Fermentação /Destilação
5-Treinamento Fermentação /Destilação5-Treinamento Fermentação /Destilação
5-Treinamento Fermentação /DestilaçãoLeandro Cândido
 
Apostila de-formação-operações-unitárias
Apostila de-formação-operações-unitáriasApostila de-formação-operações-unitárias
Apostila de-formação-operações-unitáriastabVlae
 

Mais procurados (20)

Caldeiras
CaldeirasCaldeiras
Caldeiras
 
PERMUTADORES DE CALOR
PERMUTADORES DE CALORPERMUTADORES DE CALOR
PERMUTADORES DE CALOR
 
Fornos - Estudante Do Curso Inspetor De Equipamentos
Fornos - Estudante Do Curso Inspetor De Equipamentos Fornos - Estudante Do Curso Inspetor De Equipamentos
Fornos - Estudante Do Curso Inspetor De Equipamentos
 
Caldeiras
CaldeirasCaldeiras
Caldeiras
 
Apostila de permutadores de calor
Apostila de permutadores de calorApostila de permutadores de calor
Apostila de permutadores de calor
 
Gv 03 caldeiras componentes
Gv 03 caldeiras componentesGv 03 caldeiras componentes
Gv 03 caldeiras componentes
 
Caldeiras 1
Caldeiras 1Caldeiras 1
Caldeiras 1
 
Manual caldeira flamotubular
Manual caldeira flamotubular Manual caldeira flamotubular
Manual caldeira flamotubular
 
Caldeiras - Estudante Do Curso Inspetor De Equipamentos
Caldeiras  - Estudante Do Curso Inspetor De EquipamentosCaldeiras  - Estudante Do Curso Inspetor De Equipamentos
Caldeiras - Estudante Do Curso Inspetor De Equipamentos
 
Apostila cálculo de reatores i
Apostila cálculo de reatores iApostila cálculo de reatores i
Apostila cálculo de reatores i
 
Gv 02 caldeiras definições tipos
Gv 02 caldeiras definições tiposGv 02 caldeiras definições tipos
Gv 02 caldeiras definições tipos
 
Apostila de vapor spirax sarco
Apostila de vapor spirax sarcoApostila de vapor spirax sarco
Apostila de vapor spirax sarco
 
Parte 03 distribuição vapor
Parte 03   distribuição vaporParte 03   distribuição vapor
Parte 03 distribuição vapor
 
Aula 14 balanço de energia em processos químicos - 06.05.11
Aula 14   balanço de energia em processos químicos - 06.05.11Aula 14   balanço de energia em processos químicos - 06.05.11
Aula 14 balanço de energia em processos químicos - 06.05.11
 
Caldeira (c lculo vapor por g-s)
Caldeira (c lculo vapor por g-s)Caldeira (c lculo vapor por g-s)
Caldeira (c lculo vapor por g-s)
 
5-Treinamento Fermentação /Destilação
5-Treinamento Fermentação /Destilação5-Treinamento Fermentação /Destilação
5-Treinamento Fermentação /Destilação
 
Apostila de-formação-operações-unitárias
Apostila de-formação-operações-unitáriasApostila de-formação-operações-unitárias
Apostila de-formação-operações-unitárias
 
Tubulações industriais
Tubulações industriais Tubulações industriais
Tubulações industriais
 
Turbina a Vapor
Turbina a VaporTurbina a Vapor
Turbina a Vapor
 
Maquinas de Fluxo
Maquinas de FluxoMaquinas de Fluxo
Maquinas de Fluxo
 

Semelhante a Caldeiras apostila

Transformadores Weg
Transformadores WegTransformadores Weg
Transformadores WegPCSLZ2010
 
Apostila geradores de vapor
Apostila geradores de vaporApostila geradores de vapor
Apostila geradores de vaporMendry
 
Pdf 2 apostila - equipamentos para o processamento de graos
Pdf 2   apostila - equipamentos para o processamento de graosPdf 2   apostila - equipamentos para o processamento de graos
Pdf 2 apostila - equipamentos para o processamento de graosWaters Roll
 
Biossegurança FACID
Biossegurança   FACIDBiossegurança   FACID
Biossegurança FACIDkandarpagalas
 
Ihcat rvtar004 rev04-out2010_splitão_splitop_(fixo_inverter)
Ihcat rvtar004 rev04-out2010_splitão_splitop_(fixo_inverter)Ihcat rvtar004 rev04-out2010_splitão_splitop_(fixo_inverter)
Ihcat rvtar004 rev04-out2010_splitão_splitop_(fixo_inverter)Agassis Rodrigues
 
Apostilatericacosmetologia
ApostilatericacosmetologiaApostilatericacosmetologia
ApostilatericacosmetologiaJossama Lima
 
Traduodolivro howtobrew-johnpalmer-130114174640-phpapp02
Traduodolivro howtobrew-johnpalmer-130114174640-phpapp02Traduodolivro howtobrew-johnpalmer-130114174640-phpapp02
Traduodolivro howtobrew-johnpalmer-130114174640-phpapp02Antonio Verde Souza Junior
 
Avaliação catalisadoresreação
Avaliação catalisadoresreaçãoAvaliação catalisadoresreação
Avaliação catalisadoresreaçãoconsultor tecnico
 
Apostilaspetrobras instrumentacaobsica-131017203534-phpapp02
Apostilaspetrobras instrumentacaobsica-131017203534-phpapp02Apostilaspetrobras instrumentacaobsica-131017203534-phpapp02
Apostilaspetrobras instrumentacaobsica-131017203534-phpapp02AIRTON JUNIOR GERMANO
 
mecanização agrícola - 1º volume - motores e tractores.pdf
mecanização agrícola - 1º volume - motores e tractores.pdfmecanização agrícola - 1º volume - motores e tractores.pdf
mecanização agrícola - 1º volume - motores e tractores.pdfCELSO PEREIRA DE OLIVEIRA
 
Catálogo-2020-Completo.pdf
Catálogo-2020-Completo.pdfCatálogo-2020-Completo.pdf
Catálogo-2020-Completo.pdfFellipeMedeiros8
 
Corp conjugado manual
Corp conjugado manualCorp conjugado manual
Corp conjugado manualbene piscinas
 

Semelhante a Caldeiras apostila (20)

Transformadores Weg
Transformadores WegTransformadores Weg
Transformadores Weg
 
Apostila geradores de vapor
Apostila geradores de vaporApostila geradores de vapor
Apostila geradores de vapor
 
Apostila de sistemas térmicos
Apostila de sistemas térmicosApostila de sistemas térmicos
Apostila de sistemas térmicos
 
Pdf 2 apostila - equipamentos para o processamento de graos
Pdf 2   apostila - equipamentos para o processamento de graosPdf 2   apostila - equipamentos para o processamento de graos
Pdf 2 apostila - equipamentos para o processamento de graos
 
Biossegurança FACID
Biossegurança   FACIDBiossegurança   FACID
Biossegurança FACID
 
Ihcat rvtar004 rev04-out2010_splitão_splitop_(fixo_inverter)
Ihcat rvtar004 rev04-out2010_splitão_splitop_(fixo_inverter)Ihcat rvtar004 rev04-out2010_splitão_splitop_(fixo_inverter)
Ihcat rvtar004 rev04-out2010_splitão_splitop_(fixo_inverter)
 
Geradores de vapor
Geradores de vaporGeradores de vapor
Geradores de vapor
 
Sumário
SumárioSumário
Sumário
 
Apostilatericacosmetologia
ApostilatericacosmetologiaApostilatericacosmetologia
Apostilatericacosmetologia
 
Apostila Cosmetologia Teórica 2015 02
Apostila Cosmetologia Teórica 2015 02Apostila Cosmetologia Teórica 2015 02
Apostila Cosmetologia Teórica 2015 02
 
Traduodolivro howtobrew-johnpalmer-130114174640-phpapp02
Traduodolivro howtobrew-johnpalmer-130114174640-phpapp02Traduodolivro howtobrew-johnpalmer-130114174640-phpapp02
Traduodolivro howtobrew-johnpalmer-130114174640-phpapp02
 
Itur Manual
Itur ManualItur Manual
Itur Manual
 
Avaliação catalisadoresreação
Avaliação catalisadoresreaçãoAvaliação catalisadoresreação
Avaliação catalisadoresreação
 
Apostilaspetrobras instrumentacaobsica-131017203534-phpapp02
Apostilaspetrobras instrumentacaobsica-131017203534-phpapp02Apostilaspetrobras instrumentacaobsica-131017203534-phpapp02
Apostilaspetrobras instrumentacaobsica-131017203534-phpapp02
 
mecanização agrícola - 1º volume - motores e tractores.pdf
mecanização agrícola - 1º volume - motores e tractores.pdfmecanização agrícola - 1º volume - motores e tractores.pdf
mecanização agrícola - 1º volume - motores e tractores.pdf
 
Pesquisa
PesquisaPesquisa
Pesquisa
 
Apostila hidraulica
Apostila hidraulicaApostila hidraulica
Apostila hidraulica
 
Apostila hidraulica
Apostila hidraulicaApostila hidraulica
Apostila hidraulica
 
Catálogo-2020-Completo.pdf
Catálogo-2020-Completo.pdfCatálogo-2020-Completo.pdf
Catálogo-2020-Completo.pdf
 
Corp conjugado manual
Corp conjugado manualCorp conjugado manual
Corp conjugado manual
 

Caldeiras apostila

  • 1. ELETRONUCLEAR Gerência de Treinamento - GTR.O CALDEIRAS
  • 2. CALDEIRAS ÍNDICE 1. Considerações Gerais.........................................................................................................6 1.1. TERMOS LIGADOS AOS GERADORES DE VAPOR...............................................7 2. COMPONENTES CLÁSSICOS........................................................................................8 3. TIPOS DE CALDEIRAS.................................................................................................10 3.1 CALDEIRAS FLAMOTUBULARES...........................................................................12 3.1.1 CALDEIRAS HORIZONTAIS..................................................................................13 3.1.2 CALDEIRAS VERTICAIS........................................................................................18 3.2 Caldeiras Aquotubulares................................................................................................19 3.2.1 CALDEIRAS AQUOTUBULARES DE TUBOS RETOS........................................20 3.2.2 CALDEIRAS AQUOTUBULARES DE TUBOS CURVOS....................................22 3.2.3 CIRCULAÇÃO DA ÁGUA EM CALDEIRAS AQUOTUBULARES.....................25 3.2.4 CALDEIRAS DE CIRCULAÇÃO POSITIVA FORÇADA......................................26 3.3 CALDEIRAS ELÉTRICAS...........................................................................................28 3.3.1 TIPOS DE CALDEIRAS ELÉTRICAS.....................................................................29 4. FORNALHAS..................................................................................................................32 4.1 CLASSIFICAÇÃO DAS FORNALHAS......................................................................32 4.2 Fornalhas sob Suporte....................................................................................................33 4.2.1 Fornalha de Suporte Estático......................................................................................33 4.2.2 Fornalha de Suporte Movimentado.............................................................................40 4.3 Fornalha de Queima em Suspensão...............................................................................44 4.3.1 Queimadores de Combustíveis Líquidos.....................................................................44 4.3.2 QUEIMADORES DE COMBUSTÍVEIS GASOSOS...............................................47 CALDEIRAS - 2
  • 3. CALDEIRAS 4.3.3 QUEIMADORES DE COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS PULVERIZADOS.................48 5. ACESSÓRIOS E DISPOSITIVOS DE CALDEIRAS....................................................50 5.1 APARELHOS DE ALIMENTAÇÃO DE ÁGUA.........................................................50 5.1.1 INJETORES................................................................................................................50 5.1.2 BOMBAS ALTERNATIVA.......................................................................................51 5.1.3 BOMBAS CENTRÍFUGAS.......................................................................................52 5.1.4 CONTROLE AUTOMÁTICO DE ÁGUA DE ALIMENTAÇÃO............................52 5.1.4.1 APARELHO DE CONTROLE DE ALIMENTAÇÃO DE ÁGUA LIGA- DESLIGA.................................................................................................................53 5.1.4.2 APARELHOS DE CONTROLE DE ALIMENTAÇÃO DE ÁGUA MODULANTE.........................................................................................................54 5.2 ALIMENTAÇÃO DE COMBUSTÍVEL.......................................................................59 5.2.1 CONTROLE AUTOMÁTICO DE COMBUSTÃO...................................................60 5.3 ALIMENTAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA.............................................................60 5.4 VISOR DE NÍVEL........................................................................................................61 5.5 MANÔMETROS...........................................................................................................62 5.6 DISPOSITIVOS DE SEGURANÇA.............................................................................64 5.6.1 VÁLVULAS DE SEGURANÇA...............................................................................64 5.6.2 PROTEÇÃO E CONTROLE DE CHAMA................................................................67 5.7 DISPOSITIVOS DE CONTROLE................................................................................68 5.7.1 PRESSOSTATOS.......................................................................................................68 5.7.2 CHAVE SEQÜÊNCIAL.............................................................................................69 5.7.3 VÁLVULAS E TUBULAÇÕES................................................................................69 5.7.4 OUTROS ACESSÓRIOS...........................................................................................74 5.7.4.1 PREAQUECEDOR DE AR.....................................................................................74 5.7.4.2 ECONOMIZADOR.................................................................................................76 CALDEIRAS - 3
  • 4. CALDEIRAS 5.7.4.3 SUPERAQUECEDORES........................................................................................78 5.7.4.4 PURGADORES.......................................................................................................80 6. TIRAGEM........................................................................................................................81 6.1 TIRAGEM NATURAL.................................................................................................81 6.2 TIRAGEM FORÇADA E INDUZIDA.........................................................................81 6.3 TIRAGEM MISTA OU BALANCEADA.....................................................................82 6.4 CONTROLE DE TIRAGEM.........................................................................................83 6.5 CHAMINÉ.....................................................................................................................83 7. COMBUSTÃO E COMBUSTÍVEL................................................................................84 7.1 DEFINIÇÕES................................................................................................................84 7.2 CÁLCULO DO AR NECESSÁRIO À COMBUSTÃO - COMBUSTÍVEL LÍQUIDOS................................................................................................................85 7.3 ESTEQUIOMETRIA DA COMBUSTÃO....................................................................87 7.4 CONTROLE DE AR EM EXCESSO E EM FALTA...................................................87 8. ÁGUA DE ALIMENTAÇÃO DAS CALDEIRAS.........................................................89 8.1 UNIDADES ADOTADAS............................................................................................89 8.2 ANÁLISE DA ÁGUA...................................................................................................90 8.3 TRATAMENTOS E APARELHAGENS......................................................................92 8.3.1 TRATAMENTOS EXTERNOS.................................................................................92 8.3.1.1 ABRANDAMENTO................................................................................................95 8.3.1.2 DESMINERALIZAÇÃO.........................................................................................96 8.3.1.3 DESGASEIFICAÇÃO.............................................................................................96 8.3.1.4 REMOÇÃO DA SÍLICA.......................................................................................100 8.3.2 TRATAMENTO INTERNO.....................................................................................100 8.4 CONSIDERAÇÕES FINAIS.......................................................................................100 CALDEIRAS - 4
  • 6. CALDEIRAS 1. CONSIDERAÇÕES GERAIS Atualmente, graças a todos os aperfeiçoamentos e a intensificação da produção industrial, a caldeira ocupa um lugar muito importante pois gera o vapor indispensável a muitas atividades, não só para movimentar máquinas mas também para limpeza (esterilização), aquecimento, e participação direta no processo produtivo, como matéria-prima. Além da indústria, outras empresas, utilizam, cada vez mais vapor gerado pelas caldeiras, como por exemplo: restaurantes, hotéis, hospitais, frigoríficos. Caldeira é um trocador de calor que, trabalhando com pressão superior à pressão atmosférica, produz vapor, a partir da energia térmica fornecida por uma fonte qualquer. É constituída por diversos equipamentos integrados, para permitir a obtenção do maior rendimento térmico possível e maior segurança. Esta definição abrange todos os tipos de caldeiras, sejam as que vaporizam água, mercúrio ou outros fluídos e que utilizam qualquer tipo de energia, inclusive a elétrica. Quase sempre, a fonte produtiva de calor é um combustível especificamente utilizado com esta finalidade mas podem ser aproveitados, também, entre outros calores residuais de processos industriais, escape de motores Diesel ou turbinas a gás. Neste caso, o equipamento é chamado "Caldeira de Recuperação". Algumas vezes, o fluído permanece no estado líquido, apenas com temperatura elevada para ser aproveitado nos processos de aquecimento (calefação), formando, deste modo, a linha de caldeiras de água quente. A produção de vapor pode ser conseguida, também, pela absorção da energia térmica desprendida pela fissão do urânio. O material contido neste trabalho, se refere, principalmente, às caldeiras que produzem vapor d’água, a partir de combustíveis sólidos ou líquidos. Para produzir o vapor d'água, é necessário que haja a combustão na caldeira. Quanto mais alta a viscosidade do combustível, mais difícil será a sua nebulização, ou seja, mais difícil será a sua divisão em gotículas. O preaquecimento do óleo combustível é fundamental para atingir os limites adequados de viscosidade necessários para uma boa pulverização. Tendo em vista a variação de viscosidade do óleo combustível, a temperatura de aquecimento não é fixa, devendo ser ajustada quando necessário. É importante salientar que esta temperatura não deve aproximar-se muito do ponto de fulgor do óleo combustível. CALDEIRAS - 6
  • 7. CALDEIRAS 1.1. TERMOS LIGADOS AOS GERADORES DE VAPOR • CAPACIDADE DO GERADOR DE VAPOR É o quanto a caldeira produz de vapor, podendo ser representada por: a) quilo de vapor ou tonelada de vapor por hora (kgv/h,.tv/h). b) BHP - “boiler horse-power”, onde 1BHP ≅ 15,65 kg/h. c) Quilo de vapor por metro quadrado (kgv/m2 )de superfície de aquecimento. • SUPERFÍCIE DE AQUECIMENTO É a área de tubulação (placa metálica) que recebe o calor dos gases quentes responsável por vaporizar a água (m2). • CALOR ÚTIL É a parcela de calor produzida pelo combustível que se transferiu para a água formando vapor. • EFICIÊNCIA TÉRMICA É a relação entre o calor útil e o conteúdo térmico total do combustível queimado. . m v ( hv s − hv e ) = . ηT m c ⋅ PCI ⋅ ⋅ m V ,m C = vazão em massa de vapor fornecido, vazão em massa de combustível (kg/h). hvs, hve = entalpia do vapor de saída, entrada (kJ/kg) PCI = poder calorífico inferior do combustível queimado (kJ/kg). CALDEIRAS - 7
  • 8. CALDEIRAS 2. COMPONENTES CLÁSSICOS Atualmente os geradores de vapor de grande porte são constituídos de uma associação de componentes, de maneira a constituírem um aparelho complexo, principalmente quando destinados a queima de combustível sólidos que incluem superaquecedores, economizadores, préaquecedores de ar, captadores de fuligem, extratores mecânicos de cinza, e outros. As unidades menores destinadas a gerar vapor de calefação em pequenas e médias indústrias dispensam a quase totalidade dos componentes citados anteriormente. Assim sendo, os componentes clássicos das caldeiras são listados a seguir, com a ressalva que nem todos os componentes abaixo, necessariamente, fazem parte de todos os geradores de vapor. A. Cinzeiro Lugar onde depositam as cinzas e ou eventualmente restos de combustíveis que atravessam o suporte de queima sem completarem sua combustão. B. Fornalha Local onde se instala a início do processo de queima, seja para a queima de combustíveis sólidos, líquidos ou gasosos. C. Câmara de combustão Volume onde se deve extinguir toda a matéria combustível antes dos produtos de combustão atingirem e penetrarem no feixe de absorção do calor por convecção. Esta câmara por vezes se confunde com a própria fornalha dela fazendo parte, Outras vezes separa-se completamente. A câmara de combustão pode ser constituída pela própria alvenaria refratária, ou revestida de tubos (parede de água), ou integralmente irradiada. D. Caldeira de vapor Corresponde ao vaso fechado, à pressão, com tubos, contendo a água no seu interior, que ao receber calor se transforma em vapor E. Superaquecedor Responsável pela elevação da temperatura do vapor saturado gerado na caldeira. Todo o vapor ao passar por este aparelho se superaquece. F. Economizador Onde a temperatura da água de alimentação sofre elevação, aproveitando o calor sensível residual dos gases da combustão, antes de serem eliminados pela chaminé. G. Aquecedor de ar Também conhecido como pré-aquecedor de ar, cuja função é aquecer o ar de combustão para a seguir introduzi-lo na fornalha, graças ao aproveitamento do calor sensível dos gases da combustão. CALDEIRAS - 8
  • 9. CALDEIRAS H. Canais de gases São trechos intermediários ou finais de circulação dos gases de combustão até a chaminé. Estes canais podem ser de alvenaria ou de chapas de aço conforme a temperatura dos gases que neles circulam. I. Chaminé É a parte que garante a circulação dos gases quentes da combustão através de todo o sistema pelo chamado efeito de tiragem. Quando a tiragem, porém, é promovida por ventilador exaustor, sua função se resume no dirigir os gases da combustão para a atmosfera. Neste caso se diz que a tiragem é induzida. A circulação dos gases também poderá ser assegurada por um ventilador soprador de ar de combustão com pressão suficiente para vencer toda a perda de carga do circuito. Neste exemplo, a tiragem se diz forçada. Tomando por base a unidade mais complexa, a figura 2.1 permite identificar os componentes clássicos e o princípio de funcionamento da instalação. Princípio de funcionamento de uma unidade complexa com fornalha para queima de lenhas em toras Fig.2.1 CALDEIRAS - 9
  • 10. CALDEIRAS 3. TIPOS DE CALDEIRAS Existem diversas formas para se classificar as caldeiras. Por exemplo, elas podem ser classificadas sob os seguintes aspectos: • Quanto à Localização Água-Gases: A) Flamotubulares Verticais Horizontais Fornalhas corrugadas Traseira seca Traseira molhada Observação: Todos os tipos acima com 1,2 ou 3 passes. B) Aquotubulares Tubos retos Tubos curvos Perfil A Perfil D Perfil O Lâmina, cortina ou parede de água C) Mistas • Quanto à Energia Empregada para o Aquecimento: A) Combustíveis Sólidos Líquidos Gases B) Elétricas Jatos-de-água Eletrodos submersos Resistores CALDEIRAS - 10
  • 11. CALDEIRAS C) Caldeiras de Recuperação Gases de outros processos Produção de soda ou licor negro D) Nuclear • Quanto à Montagem: A) Caldeiras pré-montadas (compactas) B) Caldeiras montadas em campo • Quanto à Sustentação: A) Caldeiras auto-sustentadas B) Caldeiras suspensas C) Sustentação mista • Quanto à Circulação de Água: A) Circulação natural B) Circulação forçada C) Combinada • Quanto ao Sistema de Tiragem: A) Tiragem natural B) Tiragem forçada C) Tiragem balanceada ou induzida Aguardaremos, neste trabalho, a classificação quanto à localização relativa água- gases e, à parte, as Caldeiras Elétricas: CALDEIRAS - 11
  • 12. CALDEIRAS 3.1 CALDEIRAS FLAMOTUBULARES Este foi o primeiro tipo de caldeira construída. É também chamada de tubo-de-fogo, tubo-de-fumaça ou pirotubular, por causa dos gases quentes provenientes da combustão que circulam no interior dos tubos em um ou mais passes, ficando a água por fora dos mesmos. É o tipo de caldeira mais simples. Muito usada em locomotivas e navios, mesmo com o aparecimento de caldeiras mais modernas, este tipo ainda continua em uso.Posteriormente, com alguns aperfeiçoamentos, passou a chamar-se caldeira escocesa. Segundo o esquema, notamos que a caldeira tipo flamotubular não passa de um cilindro externo que contém a água e um cilindro interno destinado à fornalha. Sua tiragem ou saída de gases é normal. A carcaça é construída de chapas que variam de espessura de acordo com o porte da caldeira e a sua pressão pode variar entre 5 a 10 quilogramas-força por centímetro quadrado, sendo que as maiores unidades atingem a produção de 6 tv/h, saturado e pressões não superiores a 17 kgf/cm 2. Maiores produções e pressões determinam a utilização de caldeiras aquotubulares. Sucessivos estudos visando ao aperfeiçoamento das caldeiras revelaram que a temperatura oscilava entre 316 a 4270 (graus Celsius), que era perdida na chaminé. Resolveram aproveitar esta perda, a fim de reduzir o custo do combustível que, na época era o carvão mineral. O problema foi resolvido, aumentando a superfície de aquecimento da água colocando tubos em quantidade suficiente e forçando os gases quentes a passarem pelos tubos em passes, depois, pela tiragem na chaminé. Com isso, o rendimento foi aumentado, embora esse tipo de caldeiras não tivesse eficiência superior a 60%. Podemos, ainda classificar as caldeiras flamotubulares em: HORIZONTAIS E VERTICAIS. Fig.3.1 CALDEIRAS - 12
  • 13. CALDEIRAS 3.1.1 CALDEIRAS HORIZONTAIS A) Caldeira Cornuália: Consta de um cilindro colocado inteiramente no sentido horizontal, ligando a fornalha até o local de saída dos gases. Seu funcionamento é simples, apresenta baixo rendimento e sua pressão não ultrapassa 10 Kg/cm2 (figura 3.1). B) Caldeira Lancaster: Sua construção é idêntica à Conuália, podendo apresentar de dois a quatro tubos internos.(figura 3.2) Caldeira Cornuália e tipos de caldeiras lancaster, corte transversal Figura 3.2 Estes tipos de caldeiras são chamados de tubo-de-fogo-direto; porque os gases percorrem os tubos da caldeira uma única vez. Dentro ainda das caldeiras flamotubulares horizontais de fogo direto existem as multitubulares, que contam com vários tubos internos conforme pode ser visto na figura 3.3. Há caldeiras que apresentam Tubos-de-fogo e de retorno; os gases desprendidos durante a combustão na fornalha, circulam por tubos que os fazem retornar ao lado da fornalha e em seguida para a chaminé. CALDEIRAS - 13
  • 14. CALDEIRAS Caldeira flamotubular horizontal - multitubular Fig.3.3 C) Caldeiras Multitubulares de Fornalha Externa: O aquecimento é feito diretamente na base do cilindro e os gases retornam pelos tubos-de-fogo. A fornalha pode ser construída em alvenaria e ocupa quase a extensão do cilindro (figura 3.4). CALDEIRAS - 14
  • 15. CALDEIRAS Fig.3.4 D) Caldeiras Locomotivas ou Locomóveis: Também é do tipo multitubular. Sua característica principal é a fornalha que apresenta uma dupla parede em chapa, por onde circula a água. Quando o combustível é lenha ou carvão, possui, na parte inferior um conjunto de grelhas que servem para manter a lenha em posição de queima e dar escoamento às cinzas. Estas são captadas em uma caixa colocada logo abaixo das grelhas, chamadas de cinzeiro. Quando se trata de locomotivas, o cinzeiro, além de ser um dispositivo de segurança, é também, um regulador de tiragem, tanto na locomotiva parada como em marcha. (Fig.3.5) O largo emprego deste tipo de caldeira se deve à facilidade de transferência de um local para outro, podendo ser acionada mecanicamente onde não houver energia elétrica. Fig.3.5 E) Caldeiras Escocesas ou Compactas: Este tipo de caldeira teve largo emprego na Marinha, por ser construída de forma que todos os equipamentos colocados formam uma única peça. Seu diâmetro é bastante reduzido, sendo de fácil transporte e pode ser operada de imediato. Os gases produzidos na fornalha circulam várias vezes pela tubulação, sendo impulsionados por ventiladores. O combustível usado é unicamente óleo ou gás, CALDEIRAS - 15
  • 16. CALDEIRAS podendo seu rendimento atingir a 83%. A figura 3.6 da um exemplo de caldeira escocesas com 3 voltas de chama. As caldeiras escocesas apresentam diversas disposições construtivas (figura 3.7) contando com traseira molhada, traseira seca, dois e três passes, fornalha corrugada, para aumentar a superfície de troca térmica, podendo ter queima de óleo, gás ou combustível sólido. Fig.3.6 CALDEIRAS - 16
  • 17. CALDEIRAS Fluxo de gás em caldeiras tipo escocesa Fig. 3.7 CALDEIRAS - 17
  • 18. CALDEIRAS 3.1.2 CALDEIRAS VERTICAIS Este tipo de caldeira tem as mesmas características da caldeira horizontal multitubular. Os tubos são colocados verticalmente dentro do cilindro e a fornalha interna fica no corpo do cilindro. Existem tipos cuja fornalha é externa. Esta caldeira é usada em locais onde o espaço é reduzido e não requer grande quantidade de vapor, mas alta pressão. Os gases resultantes da queima na fornalha sobem pelos tubos e aquecem a água que se encontra por fora dos mesmos. Fig. 3.8 Podem ser de fornalha interna (figura 3.8) ou de fornalha externa. Geralmente as fornalhas internas são envolvidas por uma câmara de água formada pelo prolongamento do corpo cilíndrico, já as caldeiras verticais de fornalha externa são aplicadas principalmente quando é usado combustível de baixo PCI (bagaço de cana, casca de laranja, madeira, carvão, etc.) CALDEIRAS - 18
  • 19. CALDEIRAS Atualmente a grande maioria das caldeiras flamotubulares em operação são automáticas ou semi-automáticas embora se encontre ainda pequenas caldeiras pirotubulares operando normalmente. Os dispositivos automáticos mais comumente encontrados são os alimentadores de água e de óleo.. 3.2 CALDEIRAS AQUOTUBULARES Somente foi possível a obtenção de maiores produções de vapor, a pressões elevadas e altas temperaturas com o aparecimento das caldeiras aquotubulares (tubos de água). O fato dos tubulões estarem situados fora dos corpos das caldeiras, a eles se unindo para constituírem um feixe tubular de água que compõe a parte principal de absorção de calor, permite a obtenção de grandes superfícies de aquecimento. A figura 3.9 representa uma seção transversal de feixe aquotubular unindo dois tambores, no interior dos tubos circula a água e por fora os gases quentes através do caminho formado pela alvenaria e chicanas internas. Vapor nível de água tubulão de vapor tubulão de lama descarga Circulação de água em uma caldeira aquotubular Fig.3.9 A água é vaporizada nos tubos que constituem a parede mais interna. Recebendo calor primeiro, vaporiza e sobe até o tambor superior, dando lugar à nova quantidade de água fria que será vaporizada e assim sucessivamente. Esse tipo de circulação de água, provocada apenas pela diferença de peso específico entre a água ascendente e descendente, é característica das chamadas caldeiras com circulação natural. CALDEIRAS - 19
  • 20. CALDEIRAS A medida que a caldeira aquotubular aumenta sua capacidade, aumenta também seu tamanho, quantidade de tubos e por conseqüência as perdas de cargas no circuito hidráulico tornando a circulação por meio de bombas necessária, são as chamadas caldeiras de circulação forçada. A produção de vapor nestes tipos de caldeiras pode atingir capacidades de 600 até 750 tv/h com pressões de 150 a 200 kgt/cm 2, temperaturas de 450 - 500 oC existindo unidades com pressões críticas (226 atm) e supercríticas (350 kgf/cm2). A flexibilidade permitida pelo arranjo dos tubos que constituem os feixes ou parede d’água possibilitam um vasta variedade de tipos construtivos conforme veremos na classificação a seguir: - caldeiras aquotubulares de tubos retos, podendo, os tambores estarem colocados no sentido longitudinal ou transversal. - caldeiras aquotubulares de tubos curvos, que podem apresentar de um a mais de quatro tambores, no sentido longitudinal ou transversal. - Caldeiras aquotubulares de circulação positiva. 3.2.1 CALDEIRAS AQUOTUBULARES DE TUBOS RETOS Essas foram as primeiras caldeiras tubo-de-água que surgiram e tinham uma capacidade de produção de 3 a 30 toneladas-vapor/hora com pressões de até 45 Kg/cm2. Os projetos foram apresentados pelas firmas Babcok & Wilcox e a Steam Muller Corp. Consiste em um feixe de tubos retos e paralelos que se interligam com o tambor de vapor, através de câmaras, sendo que através dos espaços existentes entre os tubos circulam os gases quentes. As figuras 3.10 e 3.11 são dois exemplos deste tipo de gerador de vapor com tambor longitudinal e transversal respectivamente CALDEIRAS - 20
  • 21. Caldeira de tubos retos e tambor longitudional Fig.3.10 Caldeira aquotubular de tubos retos e tambor transversal Fig.3.11 A figura 3.12 apresenta uma das formas de fixação dos tubos mais usadas na fabricação de caldeiras.
  • 22. Feixe de tubos expandidos nas câmaras onduladas (coletores ondulados) Fig.3.12 3.2.2 CALDEIRAS AQUOTUBULARES DE TUBOS CURVOS A principal característica deste tipo, são os tubos curvos que se unem aos tambores por solda ou madrilamento, o que representa grande economia na fabricação e facilidade na manutenção. Além de serem bastantes práticas para limpar, possibilitam a produção de grande quantidade de vapor. As primeiras caldeiras deste tipo foram idealizadas por Stirling. Apresentavam um número de tambores variados, e um grande volume de água. Na figura 3.13 apresentamos um esquema desse tipo de caldeira, com três tambores superiores e um inferior, existindo modelos com dois tambores inferiores. Partindo deste modelo, foram projetadas novas caldeiras. Com o objetivo de se aproveitar melhor o calor irradiado na fornalha, reduziu-se o número e o diâmetro dos tubos, e acresceu-se uma parede de água em volta da fornalha o que serviu como meio de proteção ao refratário da mesma, diminuição da caldeira, eliminação total dos refratários de alta qualidade e vaporização mais rápida.
  • 23. Fig.3.13 A figura 3.14 representa uma caldeira com dois tambores transversais e parede de água, enquanto a figura 3.15 mostra uma caldeira com três tambores transversais. Fig.3.14
  • 24. Fig.3.15 Dentro da categoria de tubos curvos cabe analizar em separado, uma versão que mantém grande projeção no mercado consumidor: a caldeira aquotubular compacta de operação totalmente automatizada, conforme esquema da figura 3.16. Corte de uma caldeira aquotubular compacta Fig.3.16
  • 25. Com produções até 100 toneladas de vapor por hora e obtenção de eficiência térmica elevada (até 80%), estas unidades são oferecidas para pronto funcionamento, dispensado a montagem no campo, fazendo apenas as interligações e instalações elétricas-eletrônicas e hidráulicas. Unidades não transportáveis num único pacote são fornecidas ou em blocos semi- compactos ou em componentes unitários desmontados, de tal maneira que no local de instalação estes componentes são unidos para completar a unidade. 3.2.3 CIRCULAÇÃO DA ÁGUA EM CALDEIRAS AQUOTUBULARES. Os aços aplicados na construção das caldeiras expostas aos gases quentes precisam ser continuamente resfriados por água ou mistura água-vapor para conservarem suas qualidades de resistência, pois até a temperatura limite de 450ºC para os aços carbonos comuns, 590ºC para os aços martensíticos e 650ºC para outras ligas martensíticas, estes materiais conservam suas propriedades mecânicas. Ultrapassando estes limites as propriedades destes materiais utilizados na construção de caldeiras começam a diminuir sua resistência mecânica. Assim sendo o resfriamento da superfície metálica que é submetida a tais temperaturas é vital para a segurança do equipamento. Cabe, portanto, a água este papel, seja no estado líquido, seja vapor, mediante uma circulação permanente, controlada e orientada. Numa unidade convencional a circulação da água se processa livremente, graças a tendência natural provocada pela diferença de pesos específicos existentes entre a água situada nas partes mais frias da caldeira e aquela contida nas zonas de alta temperatura dos gases. A figura 3.17 apresenta quatro diferentes esquemas, cada um esclarecendo como se processa a circulação natural da água no interior dos tubos. Sabe-se que a circulação natural da água fica mais comprometida a medida que a pressão se eleva. Constata-se que o vapor a pressão de 35 kgf/cm2 pesa por unidade de volume 45 vezes menos que a água; à 140 kgf/cm2 7,5 vezes menos e a 210 kgf/cm2 apenas 2,5 vezes. Dai concluí-se que a circulação controlada por meios forçados é fundamental nas caldeiras e altíssimas pressões, normalmente acima de 160 kgf/cm2.
  • 26. Circulação Natural de água no interior dos tubos, diferentes concepções. Fig.3.17 3.2.4 CALDEIRAS DE CIRCULAÇÃO POSITIVA FORÇADA Há dois tipos de concepções que se destinguem pelo sistema de circulação, todas utilizando como meio de circulação uma bomba centrífuga de construção especial, para resistir às altas pressões de operação das unidades. No 1º tipo, toda água introduzida na caldeira circula uma só vez, através do economizador, caldeira e superaquecedor, transformando-se diretamente em vapor. A bomba de alimentação injeta na caldeira exatamente a quantidade de vapor a produzir. No 2º tipo, além da bomba de alimentação existe outra destinada a recirculação da água na caldeira.
  • 27. As caldeiras de circulação positiva apresentam inúmeras vantagens como a ausência de limite de pressão, e de capacidade, conhecendo-se exemplos com pressões supercríticas. Além disso apresentam dimensões menores, aplicam tubos de pequeno diâmetro (da ordem de 25 a 28mm), ausência de formação de depósitos internos, geram vapor instantaneamente, exibem rendimentos altos e dispensam grandes tambores. Em contrapartida exigem apurado controle da água de alimentação e manutenção cuidadosa na bomba de circulação associado a aperfeiçoados e sensíveis instrumentos de controle. A primeira concepção de caldeira de circulação forçada foi dada por Benson, a qual se caracteriza pela construção monotubular, através da qual circula a água unidirecionalmente, desde a entrada até a saída, já no estado de vapor, conforme esquema da figura 3.18 Fig.3.18 Existe também a caldeira Belser ou Sulzer, que é a mesma caldeira Benson acrescida de um tambor separador intermediário entre a seção geradora de vapor e o super aquecedor conforme figura 3.19. Este coleta cerca de 4% da água evaporada para aquecimento da água de alimentação. A caldeira “Le Mont” aproveitou a idéia do tambor separador com bomba de recirculação (figura 3.20). A bomba de circulação opera com pressão superior a da caldeira consumindo de 0,5 a 0,6% da energia produzida pela própria caldeira.
  • 28. Principio Sulzer Princípio Le Mont Fig.3.19 Fig.3.20 3.3 CALDEIRAS ELÉTRICAS São basicamente constituídas pelo casco ou tambor, contendo uma cuba interna e os eletrodos, um por fase. O casco é um vaso de pressão, cilíndrico-vertical, isolado termicamente e convenientemente aterrado. A cuba é isolada elétricamente por meio de porcelanas adequadas. A alimentação de energia elétrica é feita através de três eletrodos-suportes, sendo um por fase, dispostos a 1200 e fixados com isoladores na parte superior do tambor. Na extremidade inferior das eletrodos suporte estão montados os eletrodos de contato, os quais ficam dentro da cuba imersos em água. A corrente elétrica, passando através da água, no interior da cuba, provoca seu aquecimento e vaporização. A água pura é considerada um mau condutor de CORRENTE ELÉTRICA, portanto devem-se adicionar determinados sais à mesma para que se possa obter uma determinada CONDUTIVIDADE.
  • 29. Alguns fabricantes recomendam a adição cáustica ou fosfato trisódico na água de alimentação (observe que esta deve ser calculada e colocada após o tratamento químico da água de alimentação). A quantidade se vapor gerada (Kg/h) depende diretamente dos seguintes parâmetros: - condutividade da água; - nível da água; - distância entre os eletrodos. 3.3.1 TIPOS DE CALDEIRAS ELÉTRICAS a) Tipo Eletrodo Submerso: geralmente destinado a trabalhar com pressões de vapor não muito elevadas (aproximadamente 15 Kgf/cm2.). A figura 3.21 mostra um dos possíveis esquemas, utilizando o sistema de eletrodos submersos a baixa tensão (220 a 440 V), existe também nessa modalidade a alta tensão (3800 a 13800 V). b) Tipo Jato de Água (cascata): destinada a pressões de vapor elevadas e grandes quantidades de vapor. Observe um dos possíveis esquemas na figura 3.22, disponíveis apenas para alta tensão (3,8 a 13,8 kV). c) Tipo Resistência: destinada, geralmente, a pequenas produções de vapor. Na maioria das vezes são do tipo horizontal, utilizando resistências de imersão. • PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DAS CALDEIRAS ELÉTRICAS - não necessita de área para estocagem de combustível; - ausência total de poluição (não há emissão de gases); - baixo nível de ruído; - modulação da produção de vapor de forma rápida e precisa; - alto rendimento térmico (aproximadamente 98,0%); - melhora do Fator de Potência e Fator de Carga; - área reduzida para instalação da caldeira; - necessidade de aterramento da caldeira de forma rigorosa; - tratamento de água rigoroso.
  • 30. 1 - Corpo da Caldeira 2 - Eletrodo 3 - Câmara de Vapor 4 - Bomba de Circulação 5 - Bomba de Alimentação de Água 6 - Eliminador de Água 7 - Válvula de Segurança Caldeira elétrica tipo eletrodo submerso (baixa tensão) Fig.3.21
  • 31. Caldeira Elétrica tipo eletrodo jateado Fig.3.22 Legenda: 1- Válvula de Descarga de Fundo 8 - Eletrodo 2 - Bomba de Circulação 9 - Cilindro com Injetores 3 - Válvula Controle de Vazão 10- Injetores 4 -Válvula de Segurança 11- Contra eletrodos 5 - Haste do Condutor 12- Aquecedor de Partida 6 - Isoladores 13- Entrada de Água de Alimentação 7 - Válvula de Saída de vapor
  • 32. 4. FORNALHAS Fornalha é a denominação genérica que se dá para o local onde se queima o combustível e donde partem os produtos desta combustão. É formada por duas partes distintas: 1- O aparelho de combustão 2- A câmara de combustão O aparelho de combustão compreende um conjunto de componentes que oferecem as condições necessárias para a queima de combustível. Exemplos de aparelhos de combustão são as grelhas rotativas, as grelhas basculante, o queimador a óleo, a gás, etc. A câmara de combustão é representada por um volume adequadamente dimensionado onde se desenvolve a chama e se completa a combustão, além de propiciar a proteção e os suportes necessários para o aparelho de combustão. A fornalha deve evaporar toda a umidade do combustível e destilar suas substâncias voláteis, elevar a temperatura do combustível até a combustão espontânea proporcionando uma combustão completa, criar turbulência para misturar o ar e o combustível e finalmente impedir a troca de calor entre os gases quentes produzidos e o ambiente. No interior da fornalha as paredes devem ser revestidas com uma camada de tijolos refratários responsáveis por reter o calor no interior da fornalha, por isso devem ter refratariedade e alto ponto de fusão, resistência ao choque térmico e dilatação quase nula. A fixação desses tijolos é feita com argamassa refratária. Os principais componentes dos materiais refratários são o óxido de sílica, óxido de magnésio, grafite e silício. Recomenda-se, quando da utilização de tijolos refratários novos, que se aplique pouco calor nos primeiros momentos e se vá aumentando gradativamente, até atingirem suas características de operação. 4.1 CLASSIFICAÇÃO DAS FORNALHAS Várias são as maneiras de se classificar este componente importante dos geradores de vapor, sendo assim optou-se pela classificação que engloba todas as fornalhas em apenas duas categorias: 1- Fornalhas que queimam sobre suporte 2- Fornalhas de queima em suspensão
  • 33. A primeira categoria engloba todas as fornalhas que queimam combustíveis sólidos à granel, grosseiramente divididos, picados e britados. A segunda se preocupa com a queima de combustíveis líquidos, gasosos ou sólidos finamente pulverizados que podem ser queimados em suspensão. 4.2 FORNALHAS SOB SUPORTE As fornalhas sob suporte congregam uma série de concepções construtivas especificamente projetadas para a obtenção das melhores condições necessárias aos variados combustíveis disponíveis para a queima. Segundo a quantidade de combustível manipulado, seu grau de divisão e mecanização da alimentação, as fornalhas sobre suporte são subdividas em dois grupos: • fornalhas de suporte estático • fornalhas de suporte movimentado 4.2.1 FORNALHA DE SUPORTE ESTÁTICO Neste grupo incluímos todas as fornalhas onde o combustível introduzido, permanece praticamente em repouso sob o suporte até sua completa extinção. Se enquadram nesse grupo, as seguintes fornalhas: • Fornalha de Grelhas Planas São adequadas para a queima de lenha em toras de um metro. A figura 4.1 mostra a instalação de uma grelha plana em caldeira flamotubular. O suporte todo costuma possuir ligeira inclinação para a parte posterior de 10 a 15 graus para facilitar o manuseio do combustível durante os períodos de movimentação das toras a que são submetidos. A aplicação deste tipo de grelha é limitado à caldeiras com capacidade de gerar até 15 tv/h. A partir desta capacidade o suprimento manual do combustível se complica o ponto de inviabilizá-lo. Projetos maiores, jamais deveriam adotar este sistema de queima sob pena de contribuir para o desperdício de reversas florestais comprometidas com outros programas mais coerentes com a economia da Nação.
  • 34. Grelha Plana : a- caixa de fogo; b- suporte da grelha; c- barras de grelha; d- ponte de fornalha Figura 4.1 Fornalha de Grelha em Escada Como o nome sugere, esta grelha é construída por placas de FOFO, formando degraus, apoiados em travessões inclinados. O combustível é arrastado ou projetado no início do plano inclinado, desce até formar um monte equilibrado, preenchendo todo o suporte. A figura 4.2 apresenta quatro exemplos de grelha tipo escada. Em seguida na figura 4.3, apresenta-se algumas disposições construtivas dos travessões inclinados que servem de apoio às placas que compõem os degraus. Estas grelhas, quando alimentadas mecanicamente se prestam para caldeiras de até 20 tv/h. Acima deste valor, há outros processos mais adequados e de mais fácil manutenção.
  • 35. Quatro exemplos de grelhas em escada Fig. 4.2
  • 36. Componentes da grelha de escada Fig. 4.3 • Grelha Resfriada Inclinada É uma variante da grelha anterior e consta de um plano inclinado constituído pelos próprios tubos de circulação de água da caldeira. Esses tubos, afastados um do outro, cerca de 60 a 120 mm são soldados em dois coletores, um alimenta o feixe inclinado e o outro que recebe a água em circulação conectado com o resto da caldeira (figura 4.4). Aplicam-se em unidades geradoras de até 100 tv/h para a queima de qualquer biomassa, mesmo aquelas contendo teores de umidade superiores a 50%. Se prestam pois, para queimar cavacos de lenhas, resíduos florestais, resíduos industriais, cascas de cereais e outras bio-massas.
  • 37. Gerador de Vapor com Grelhas Inclinadas Fig. 4.4 • Fornalhas Celulares Extremamente simples, versáteis e satisfatória quanto a performance, são verdadeiras câmaras de alvenaria refratária, sobre cujo piso, o combustível é despejado, formando um monte que recebe ar insuflado em todos os planos, proporcionando a secagem parcial e queima. São utilizados para queima de diferentes bio-combustíveis, como: cavacos, casca de madeira, serragem, cascas de cereais e de lenha, porém a aplicação mais generalizada tem sido na queima de bagaço de cana. A figura 4.5 mostra como opera uma fornalha deste tipo, identificando os tubeiros sopradores de ar, geralmente introduzidos com uma velocidade entre 8 a 15 m/s.
  • 38. Fornalha celular Fig. 4.5 • Fornalhas com Grelhas Basculantes A figura 4.6 apresenta um projeto de caldeira com grelhas basculantes para queima de casca de arroz. As fornalhas desta categoria se aplicam para caldeiras de até 150 tv/h Como se observa no desenho, a grelha é formada por piso plano constituído por placas perfuradas, observe que o ar ingressa por baixo do piso basculante. As placas se apoiam em travessões lisos que giram em torno de mancais laterais mediante a ação de um pistão pneumático, que também pode ser visto pela figura 4.7. A cada ação do pistão corresponde um basculante, durante o qual as cinzas caem no cinzeiro. Esta concepção construtiva possui alimentação de combustível sempre por projeção. Há dois tipos de distribuidores, um denominado aspegidor pneumático e outro mecânico (figura 4.7).
  • 39. Caldeira Aquotubular com Grelha Basculante Fig.4.6 Aspegidor de Combustível Sólido Tipo Mecânico Fig. 4.7
  • 40. 4.2.2 FORNALHA DE SUPORTE MOVIMENTADO Grande número de concepções construtivas se enquadram nesta segunda sub- divisão de fornalhas de suporte. As principais características que se distinguem das anteriores, reside no seguinte: - alimentação contínua e mecanizada do combustível - suportes constituídos por componentes que percorrem toda extensão do plano inferior da fornalha com movimento contínuo assegurado por acionamento mecânico. De acordo com o mecanismo aplicado para provocar o deslocamento do combustível, distingui-se os seguintes tipos: - grelha caminhante por arraste; - grelha com alimentação por baixo; - grelha oscilante; - grelha com esteira contínua. • Grelha Caminhante por Arraste Trata-se de uma grelha inclinada constituída de elementos articulados que promovem um movimento alternativo das placas de suporte. Há placas móveis e fixas, todas apoiadas por estruturas de ferro fundido. As placas móveis, mediante ação de um mecanismo correm guiadas sobre as fibras, deslocando o leito do combustível no sentido do plano inclinado no movimento de vai e vem. O movimento é lento, de forma a provocar um deslocamento com velocidade de queima necessária à caldeira, esta grelha também é conhecida pelo nome de grelha vai e vem. A figura 4.8 ilustra este tipo de grelha com inclinação aproximada de 20 o em que a rosca sem fim (a) força o carvão sobre as barras de suporte (b) apoiadas nas vigas de acionamento (c) movimentadas por uma engrenagem regulável (d) que lhe confere o movimento de vai e vem. O cilindro (e) é responsável por projetar a escória mais leve ao reservatório de escória (i) que recebe também detritos da grelha pela saída (k). O ventilador (f) introduz o ar de combustão que penetra na grelha pelas câmaras de corrente de ar inferior (g); regulado por “dampers” através do controle da corrente de ar inferior (h). Bocais de ar (l), localizados acima da grelha, auxiliam na queima do pó de carvão em suspensão e do coque volátil.
  • 41. Fig. 4.8 • Grelha de Alimentação por Baixo O combustível é admitido por meio de uma rosca (a), acionada por motor elétrico (h) com transmissão por engrenagens (g), que continuamente projeta o combustível na parte inferior da grelha. A grelha (c) propriamente dita é inclinada e transversalmente apresenta dupla inclinação de ambos os lados do, canal central (b), de forma que o combustível caminhe do centro para os lados, onde é totalmente queimado sobre a grelha de combustão (d), conforme representação na figura 4.9 (seção A-B). O carvão, a medida que é forçado a subir para as partes superiores do leito, vai se aquecendo eliminando os voláteis e incandescendo-se. Atingindo o topo do leito, o carvão rola sobre si mesmo lateralmente até sua extinção total na grelha de combustão. As laterais recebem as cinzas que são basculadas por meio de alavancas (e), caindo em seguida nos cinzeiros. A escória é direcionada para a saída f da figura 4.9.
  • 42. Fig. 4.9 • Grelha Oscilante São grelhas que provocam o caminhamento do combustível sob o suporte, graças a impulsos produzidos por mecanismo oscilante (figura 4.10). Grelha com Movimento Oscilatório Fig. 4.10
  • 43. O suporte é constituído por placas perfuradas, uma ao lado da outra, formando um piso ligeiramente inclinado para o fundo. Estas placas são fixadas em barras, as quais, por sua vez, se reúnem a lâminas flexíveis. Estas lâminas flexíveis, no lado oposto às barras, são rigidamente fixadas a uma estrutura solidamente chumbada no concreto da fundação. A grelha é adaptável para a queima de qualquer combustível de biomassa e do carvão com médio e baixo teor de cinzas. Carvão com alto poder calorífico, fundem as placas e inutilizam a fornalha, fato este que tem limitado sua aplicação. Modelo mais avançado é a grelha oscilante resfriada que queima carvão com alto poder calorífico pois contém, junto ao piso da grelha tubos resfriados pela própria água da caldeira além de apresentar na sua parte inferior compartimentos por onde passa o ar de combustão. • Grelha com Esteira Contínua Também conhecidas como grelha rotativa, lembra um transportador, onde os óleos das correntes recebem as placas perfuradas que formam o piso do leito. Foram concebidos com a finalidade de desempenhar automaticamente boas condições de carregamento, distribuição do combustível e extração de cinzas (figura 4.11). Fig. 4.11
  • 44. Entre todas é a de montagem mais complexa porque envolve uma mecanização mais elaborada, são utilizadas para aplicação em caldeiras de produção superiores a 39 t/h até 150 t/h. 4.3 FORNALHA DE QUEIMA EM SUSPENSÃO São as fornalhas usadas quando se queima óleos , gases ou combustíveis sólidos pulverizados, utilizando para tal, equipamento especial chamado maçarico ou combustor, responsável pela dispersão do combustível na fornalha de forma homogênea. Cada classe de fornalha emprega queimadores especiais para proporcionar as condições de queima adequada. Conforme o tipo de combustível empregado, podemos ter: - queimadores de combustíveis líquidos; - queimadores de combustíveis gasosos; - queimadores de combustíveis sólidos pulverizados. 4.3.1 QUEIMADORES DE COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS Os combustíveis líquidos são queimados nas câmaras de combustão, sempre em suspensão, na forma pulverizada por meio de vários processos. a) Pulverização a ar - O óleo escoa por gravidade ou por impulsão de uma bomba de baixa pressão, o ar é insuflado por ventilador, sendo o veículo responsável pela pulverização do óleo em gotículas (figura 4.12) Maçarico a Óleo Com Pulverização a Ar Fig. 4.12 Conforme a pressão do ar, os queimadores são denominados de baixa pressão (até 500 mmca) ou de média pressão (da ordem de 100 mmca). São indicados para unidades de
  • 45. pequeno porte, queimando uma quantidade máxima de 50 kg óleo/h. O ar de pulverização, denominado ar primário, representa 20% do ar total necessário à combustão. Opera com 30 a 40% de excesso de ar e apresentam uma pulverização não uniforme, dificultando a regulagem da queima. Uma concepção mais moderna deste tipo, procura dar uma rotação aos dois fluxos, o que tem permitido uma melhora na sua performance (figura 4.13). Queimador de Ar Comprimido com Rotação do Fluido Auxiliar Primário Fig. 4.13 b) Pulverização a vapor - Substituem o ar pelo vapor produzido na própria caldeira, promovendo uma pulverização mais fina e fortemente acentuada pelo aquecimento. Tem o inconveniente de parte do calor produzido na combustão ser consumido pelo vapor, quando este for saturado (figura 4.14).
  • 46. Maçarico a Óleo com Atomização a Vapor Fig. 4.14 Queimador de Copo Rotativo Fig. 4.15 Uma versão melhorada do princípio acima exposto é o queimador de “copo rotativo”, largamente aplicado nos geradores de vapor limitados à capacidade de queima de 500 kg óleo/h, embora alguns tipos especiais com alta rotação (10000 rpm) chegam a capacidade de 3000 kg óleo/h. O funcionamento baseia-se na formação de um filme de óleo no interior de um copo tronco cônico girando a alta rotação (3600 rpm), que projeta o combustível na forma de um anel cônico de encontro a um fluxo de ar rotativo de alta pressão. A colisão de ambos fluidos provocam simultaneamente a pulverização e a mistura do combustível com o comburente (figura 4.15). c) Pulverização mecânica: Caracterizados pela ausência completa de peças rotativas, garantindo a pulverização do óleo por escoamento estrangulado em alta velocidade através de orifícios de pequenas dimensões (figura 4.16). A energia necessária para o líquido atravessar o orifício em alta velocidade é mantida por uma bomba de engrenagens.
  • 47. Fig.4.16 4.3.2 QUEIMADORES DE COMBUSTÍVEIS GASOSOS Graças ao estado gasosos, o gás é o combustível mais simples de ser queimado pois a mistura com o comburente se processa de forma muito mais fácil do que com qualquer outro combustível, podendo ter sua velocidade de ignição consideravelmente aumentada mediante pré aquecimento do suprimento do comburente. Basicamente distinguem-se dois tipos: • queimadores de mistura • queimadores de difusão. Os primeiros promovem a mistura do ar com o gás antes de injetá-los na câmara de combustão (figura 4.17), já os queimadores de difusão tem por princípio injetar ambos os fluidos separadamente, proporcionando a mistura de ambos no interior da câmara de combustão, tendo concepções que insuflam cada fluido em correntes paralelas (figura 4.18.a), cruzadas (figura 4.18.b) ou ainda turbulentas (figura 4.18.c).
  • 48. Queimador de Mistura, Esquemático Fig.4.17 (a) (b) (c) Esquema dos tres tipos de Queimadores de difusão: a) em correntes paralelas, b) cruzadas e c) turbulentas. Fig.4.18 Existem também queimadores de difusão para queimar a combinação de gás e óleo é até carvão pulverizado, encontrados nas grandes unidades geradoras de vapor. 4.3.3 QUEIMADORES DE COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS PULVERIZADOS A utilização dos combustíveis sólidos apresentam como exemplo mais importante o carvão mineral utilizado nas grandes unidades geradoras de vapor das centrais Termo Elétricas. Há contudo, outras matérias orgânicas pulverizadas e resíduos de processos industriais que servem a queima, como é o caso do bagaço de cana, o bagacilho, a borra de café, a serragem e resíduos florestais macerados, que são reduzidos a tamanhos de alguns milímetros e queimados em suspensão, quando insuflados na câmara de combustão.
  • 49. A figura 4.19 mostra, de forma esquemática um queimador a carvão pulverizado tipo ciclone que associa a injeção pneumática com a formação de forte movimento vorticoso no interior da câmara de combustão, existindo concepções mais modernas que distribui os queimadores (geralmente em número de quatro) tangencialmente à câmara de combustão. O processo possibilita a queima de combustíveis sólidos finos de carvão com alto teor de cinzas, aproveita os finos resultantes da preparação do próprio carvão e admite a queima de grandes quantidades, assegurando sua aplicação nas grandes caldeiras, possibilitando uma larga faixa de controle de combustão. Fig.4.19 Em contrapartida apresenta algumas desvantagens, a principal representada pela maior facilidade das partículas escaparem para o meio ambiente, acompanhada da complexidade da aparelhagem de preparação do combustível, do consumo de energia para acionamento das máquinas e do calor dispendido na secagem do carvão. A redução parcial do tamanho das pedras de carvão para 10 a 20mm de diâmetro se processa com britadores de martelo. Após a britagem segue-se a secagem do carvão pelos mais variados aparelhos cilindrícos rotativos. Para a pulverização definitiva usam-se moinhos de rolos, de bolas ou cônicos e o transporte do pó de carvão efetua-se normalmente por via pneumática geralmente a alta pressão.
  • 50. ELETRONUCLEAR Gerência de Treinamento- GTR.O 5. ACESSÓRIOS E DISPOSITIVOS DE CALDEIRAS 5.1 APARELHOS DE ALIMENTAÇÃO DE ÁGUA A cada quilograma de vapor extraído da caldeira, deve corresponder equivalente quantidade de água injetada. Não se verificando a reposição, o nível de água, no interior da caldeira, começa a baixar. Enquanto, as superfícies metálicas, expostas ao contato dos gases quentes, estiverem banhados pela água, nenhum dano ocorre ao equipamento. No momento porém, que o nível ultrapassar o limite mínimo ao estabelecido, compromete- se a segurança da unidade. Criam-se condições de ruptura das paredes metálicas ou mesmo de explosões devido o superaquecimento da placa metálica.Por essa razão, cabe ao operador, embora auxiliado pela automação do processo de alimentação, vigiar permanentemente o nível exibido pelo visor transparente existente na caldeira. A introdução da água, nos Geradores de Vapor, se faz com os aparelhos de Alimentação. Sob o ponto de vista termodinâmico, o aparelho de alimentação, realiza um trabalho representado pelo deslocamento de uma massa de água associada a uma pressão capaz de vencer as resistências oferecidas pelo circuito.A figura 5.1, apresenta um esquema típico de instalação de alimentação de água, com bomba centrífuga, controlada automaticamente por uma válvula. Tubulão de vapor Válvula de controle Bomba de alimentação Esquema de uma Linha de Alimentação de Água de Caldeira Fig 5.1 5.1.1 INJETORES TGM- 42 – CALDEIRAS - Apostila Fevereiro/ 98 50
  • 51. ELETRONUCLEAR Gerência de Treinamento- GTR.O São equipamentos para alimentação de água usados em pequenas caldeiras de comando manual e também foram muito empregados em locomotivas a vapor. Seu princípio, simples, baseia-se no uso do próprio vapor de caldeira ou de ar comprimido que é injetado dentro do aparelho, onde existem os cônicos divergentes e as válvulas de retenção, de controle, e de sobrecarga, conforme figura 5.2. Quando o ar ou vapor passa pelos cônicos divergentes, forma vácuo, faz com que a válvula de admissão seja aberta e arrasta por sucção a água do reservatório para dentro da caldeira. Se a água entra em excesso, sai através de uma válvula de sobrecarga. Injetor de Água Fig.5.2 5.1.2 BOMBAS ALTERNATIVA Também conhecidas como bombas de pistões, de ação direta ou de deslocamento positivo, podem ser acionadas por motores elétricos ou a vapor. A bomba acionada eletricamente tem sido aplicada em pequenas caldeiras que operam em pressões elevadas, pois as bombas centrífugas para altas pressões dificilmente atingem pequenas capacidades. Sua constituição esquemática, representada na figura 5.3, conta com uma câmara, duas válvulas de retenção e um êmbolo. TGM- 42 – CALDEIRAS - Apostila Fevereiro/ 98 51
  • 52. ELETRONUCLEAR Gerência de Treinamento- GTR.O Bomba Alternativa ou de Êmbolo Fig.5.3 As bombas acionadas a vapor mais difundidas são as denominadas Bombas duplex a vapor ou também conhecidas por Burrinhos, disponíveis no mercado para atender geradores com produções de vapor até 50 t/hora e pressões até 21 kgf/cn 2. Nestas o vapor aciona o par de pistões de maior diâmetro movimentando assim os pistões menores de injeção de água. Estes tipos de bombas, devido a presença de lubrificação contínua dos cilindros, apresentam o inconveniente de arrastarem óleo para o interior da caldeira, por isso, geralmente, cumprem o papel de bomba de reserva. 5.1.3 BOMBAS CENTRÍFUGAS São bombas que têm dado os melhores resultados, pela simplicidade de seus componentes, facilidade de manutenção, pela grande vazão que nos oferece, atingindo até 500.000 litros de água por hora, e por operar em regime contínuo, ao contrário das bombas alternativas onde a alimentação se processa em golpes contínuos. Seu funcionamento consiste em um disco com um jogo de palhetas que giram em alta velocidade e fazem a sucção da água. Cada disco forma um estágio, cuja quantidade pode variar de acordo com a capacidade da bomba. Nas caldeiras de baixa pressão empregam-se bombas com apenas um estágio e nas de alta pressão são usados multiestágios. As bombas centrífugas são passíveis de serem acionadas por motores elétricos ou por turbinas a vapor, estas últimas aplicáveis apenas em geradores de maiores capacidades e pressões. Podem, ainda, ter carcaça cilíndrica e bipartida. 5.1.4 CONTROLE AUTOMÁTICO DE ÁGUA DE ALIMENTAÇÃO TGM- 42 – CALDEIRAS - Apostila Fevereiro/ 98 52
  • 53. ELETRONUCLEAR Gerência de Treinamento- GTR.O Os aparelhos de controle automático de alimentação dividem-se em dois grupos, identificados pelo critério de funcionamento (liga-desliga) ou modulante. 5.1.4.1 APARELHO DE CONTROLE DE ALIMENTAÇÃO DE ÁGUA LIGA-DESLIGA. Há dois aparelhos básicos que respondem por esta característica; um denominado Regulador de Nível com Eletrodo e o outro Regulador de Nível com Bóia. • Regulador De Nível Com Eletrodos Este sistema consiste em aproveitar a condutividade elétrica da água, através de três eletrodos que podem ser de aço inoxidável e tamanhos diferentes, correspondendo, cada tamanho, a um nível de água: o central, o máximo e o mínimo. Este dispositivo é montado na parte superior do tambor de vapor, e os eletrodos estão ligados a um relé de nível de água que, através de seus contatos, comandará a bomba de alimentação de água. A bomba entrará em funcionamento quando a água atingir a ponta de eletrodo central e deverá parar quando a água atingir o eletrodo de nível máximo ( o menor eletrodo). Se o nível da água atingir a ponta do eletrodo maior o relé desligará o queimador ou em alguns sistemas poderá fazer funcionar um alarme que dará ao operador a indicação do defeito (figura 5.4). • Regulador De Nível Com Bóia Poderão ser construídos de várias formas mas os principais constam de uma garrafa que é ligada ao tambor de vapor e uma bóia que flutua no seu interior. Qualquer flutuação do nível interno é transmitidos a esta bóia, presa na parte superior por uma haste (3), conforme fig. 5.5. A haste movimenta-se dentro do recipiente (5), e ao passar pelo campo magnético (2) produzido pelo imã permanente (1) faz movimentar a célula de mercúrio (4) pelo pino pivotado (A). A bomba assim fica dependendo do sistema liga-desliga, das chaves de mercúrio, alimentando ou não a caldeira. TGM- 42 – CALDEIRAS - Apostila Fevereiro/ 98 53
  • 54. ELETRONUCLEAR Gerência de Treinamento- GTR.O Indicador De Nível Com Eletrodo, onde: E = Eletrodo; VVN -1 e 2 = Válvula do visor de nível superior e inferior; VDN = Válvula do dreno de nível; VDRN = Válvula de dreno reguladora de nível; CN = Coluna de nível e TP-1 e 2 = Torneiras de prova 1 e 2. Fig.5.4 Demonstração Esquemática de um Regulador de Nível com Bóia usando Chaves de Mercúrio Fig.5.5 5.1.4.2 APARELHOS DE CONTROLE DE ALIMENTAÇÃO DE ÁGUA MODULANTE TGM- 42 – CALDEIRAS - Apostila Fevereiro/ 98 54
  • 55. ELETRONUCLEAR Gerência de Treinamento- GTR.O • Elemento Termostático Para Controle De Nível Tem a finalidade de controlar o fluxo da água na caldeira. Seu funcionamento baseia-se no principio da dilatação dos corpos pelo calor (figura 5.6). Sua construção é bastante simples. É formado por dois tubos concêntricos, sendo que o tubo externo é o tubo de expansão e o interno serve para fazer a ligação com o tambor de vapor pela sua parte superior, onde recebe uma quantidade de vapor. Faz também a ligação com o tambor de vapor em um ponto correspondente ao nível mínimo, recebendo, portanto, pela parte de baixo, água do tambor de vapor. O tubo termostático abrange quase toda a extensão da fornalha, sendo que em uma das extremidades é rigidamente ligado a serpentina de aquecimento e a outra extremidade permanece livre, a fim de poder dilatar-se e mover a válvula de admissão da água. Quando a caldeira está com uma queima total, a extremidade livre do tubo termostático mantém a válvula de admissão em posição que passe, apenas, a água para repor a quantidade que está sendo evaporada. Se houver uma baixa no nível de água, aumentará a temperatura do elemento termostático, devido ao aumento da quantidade do vapor dentro do tubo. Com isso, o tubo se dilata movimentando o conjunto de comando da válvula de admissão da água, fazendo com que a mesma se abra dando passagem à água de alimentação. À medida que a água vai entrando no tambor, a quantidade de vapor dentro do tubo termostático também vai diminuindo, dando lugar à água que é bem mais fria que o vapor, fazendo, desta forma, com que o tubo, que se havia expandido pelo calor, agora se contraia em virtude da mudança de temperatura: à medida que a temperatura diminui no interior do tubo, este se contrai, fazendo com que o conjunto de comando faça a redução da entrada de água até que o nível seja equilibrado. O nível normal de água na caldeira poderá ser elevado ou baixado à vontade, dentro de limites razoáveis. Uma porca de regulagem, localizada na extremidade do tubo, pode ser girada para proporcionar o nível desejado mesmo com a caldeira em funcionamento. Um amortecedor protege o regulador contra esforços bruscos quando a válvula está fechada e o tubo de expansão está contraído TGM- 42 – CALDEIRAS - Apostila Fevereiro/ 98 55
  • 56. ELETRONUCLEAR Gerência de Treinamento- GTR.O Controle De Nível Proporcional A Um Elemento De Ação Mecânica Por Efeito Termostático Fig.5.6 TGM- 42 – CALDEIRAS - Apostila Fevereiro/ 98 56
  • 57. ELETRONUCLEAR Gerência de Treinamento- GTR.O • Elemento Termohidráulico Para Controle De Nível Uma outra concepção, conforme figura 5.7, denomina-se controle de nível termohidráulico, que opera agora graças à dilatação e contração da água contida numa câmara cilíndrica anelar fechada. Controle de Nível Proporcional a um Elemento com Princípio de Atuador Termo- Hidráulico Fig.5.7 O sistema compreende um duplo cilindro concêntrico, instalado com uma inclinação pré definida em relação ao nível interno da caldeira. O primeiro, aletado em toda extensão, forma uma camisa fechada, enquanto o interno une-se ao tambor de forma a receber as oscilações do nível de água. TGM- 42 – CALDEIRAS - Apostila Fevereiro/ 98 57
  • 58. ELETRONUCLEAR Gerência de Treinamento- GTR.O O tubo externo, por sua vez, liga-se pela parte inferior ao diafragma de uma válvula de controle. Pela conexão superior desta camisa introduz-se água limpa até o fluido transbordar. A caldeira entrando em operação, apenas uma parcela desta câmara entra em contato com o vapor o qual promove o aquecimento e conseqüente dilatação da parte correspondente de água. O aumento de volume reflete sobre o diafragma da válvula de controle, portanto sobre o orifício de passagem de água de alimentação. À medida que o nível oscila, a água contida na câmara recebe contato com maior ou menor superfície de aquecimento, respondendo com variações nas dilatações e contrações do fluido de maneira a transmitir à válvula de controle, posições diferentes de ingresso ou interrupção da passagem da água. • Controle de Nível Pneumático A figura 5.8 exibe uma versão mais moderna de controle de nível em caldeiras, introduzindo o ar comprimido como fluido auxiliar. Fig.5.8 TGM- 42 – CALDEIRAS - Apostila Fevereiro/ 98 58
  • 59. ELETRONUCLEAR Gerência de Treinamento- GTR.O 5.2 ALIMENTAÇÃO DE COMBUSTÍVEL No caso de combustível líquido o fornecimento não deve ser feito diretamente do tanque principal para o consumo e sim passar por um reservatório intermediário, evitando-se problemas de flutuação de carga e baixa temperatura do combustível no bombeamento. Esse reservatório deve ser instalado no circuito mais próximo da bomba de óleo tendo antes um filtro da bomba, uma válvula de gaveta e a linha de retorno do excedente ao depósito, sendo sua principal finalidade o aquecimento de óleo (figura 5.9). Devido à quantidade do “Fuel oil” fornecido com alto teor de parafina o sistema de aquecimento deve ser misto (eletricidade e vapor), a fim de elevar e manter a temperatura do óleo acima do ponto de fluidez (ponto de baixa viscosidade). Caso o óleo combustível seja muito viscoso, ele deve ser recirculado no sistema de preaquecimento até atingir a temperatura ideal, antes de ser admitido na caldeira para não entupir o pulverizador, em razão da viscosidade imprópria. No início de funcionamento, quando o óleo não está ainda a uma temperatura ótima de pulverização, deve-se usar querosene. Bomba de óleo combustível Fig.5.9 TGM- 42 – CALDEIRAS - Apostila Fevereiro/ 98 59
  • 60. ELETRONUCLEAR Gerência de Treinamento- GTR.O No caso dos combustível sólidos a alimentação pode ser manual ou mecanizada No caso de alimentação manual de combustível sólido deve ser armazenada na casa da caldeira uma quantidade suficiente para até duas horas, evitando-se o acúmulo de combustível que retira a liberdade de ampla circulação que o operador deve ter.. 5.2.1 CONTROLE AUTOMÁTICO DE COMBUSTÃO Três são as grandezas relacionadas com o problema de malha aberta que responde pela regulagem automática da combustão: • o consumo de combustível • o consumo de ar para a combustão • a extração dos gases formados O controle destas três grandezas visam: • manter o suprimento de calor da fonte supridora, de acordo com a demanda do processo. • assegurar um mínimo de consumo de combustível para atingir as condições propostas, ou seja, alcançar a máxima eficiência; • manter as condições de operação da fornalha dentro de parâmetros satisfatórios. No fundo os objetivo são os mesmos. A quantidade de combustível se ajusta com a pressão da caldeira, de modo que uma queda na pressão significa falta de combustível, e excesso, significa combustível a mais. Portanto a regulagem da pressão de forma a mantê-la dentro dos limites fixados na operação, implica necessariamente na modificação do suprimente de combustível. A intervenção nesta fonte de calor determina a modificação do volume de ar necessário à sua queima, dentro dos parâmetros compatíveis com uma combustão perfeita. Esta variação provocada na formação de volumes de gases de combustão, deve ser vigiada por uma ação paralela, que garanta a sua (gases) extração completa de forma a assegurar uma pressão definida na câmara de combustão da caldeira. 5.3 ALIMENTAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA É feita através do quadro de comando que é o componente da caldeira onde estão os dispositivos elétricos que permitem a operação da caldeira. Para o caso das caldeiras com alimentação a combustível líquido eles são mais complexos pois comandam o acendimento automático e o controle da chama, além de outros comandos como o de nível de água que controla as bombas de alimentação e os relés de alta pressão. No caso de caldeiras de alimentação por combustível sólido (lenha) os quadros de comando são mais simples pois basicamente possuem apenas o comando de nível TGM- 42 – CALDEIRAS - Apostila Fevereiro/ 98 60
  • 61. ELETRONUCLEAR Gerência de Treinamento- GTR.O automático que controla o funcionamento das bombas de alimentação de água e o aumento de pressão. Os comandos são colocados em um armário que os abrigam da poeira e umidade, tais comandos são basicamente: • seleção do comando manual ou automático; • chave de ligar e desligar a bomba d’água; • chave de liga e desliga o ventilador de exaustão; • alarme sonoro de advertência; • lâmpada piloto; • chaves magnéticas de ligação do nível automático. 5.4 VISOR DE NÍVEL Consiste em um tubo de vidro colocado no tambor de vapor (figura 5.10) e que tem a finalidade de dar ao operador a noção exata da altura onde se encontra a água da caldeira. Na maioria das caldeiras o nível de água é exatamente no centro do tubo de vidro, o que corresponde ao centro do tambor de vapor. Existem, porém, caldeiras que não seguem esta regra cabendo ao operador certificar-se do quanto corresponde a marca de nível dos indicadores. Visor de nível Fig.5.10 Manter o nível de água da caldeira é um importante papel do operador que terá que dispensar-lhe uma especial atenção. TGM- 42 – CALDEIRAS - Apostila Fevereiro/ 98 61
  • 62. ELETRONUCLEAR Gerência de Treinamento- GTR.O Antes de se iniciar a operação da caldeira, deve ser feita uma drenagem no nível, a fim de que se eliminem algumas impurezas que por ventura tenha-se localizado no nível ou nas conexões do mesmo. Nas caldeiras manuais, o nível é importantíssimo porque dará ao operador uma noção exata de quanto a água deverá ser introduzida na caldeira. 5.5 MANÔMETROS Aparelho com o qual se mede a pressão de gases, de vapores e de outros fluídos. É muito utilizado na indústria, entre outros fins, para verificar a pressão de caldeiras e de vasos sob pressão. O conhecimento desta pressão é obrigatório, não só sob o ponto de vista de segurança, como também, para a operação econômica e segura da caldeira. A figura 5.11 mostra as partes Internas, de forma esquemática, de um manômetro de Bourdon padrão cujo funcionamento baseia-se na tendência de flexão, que experimenta um tubo de bronze curvado, de seção elíptica, quando é aplicada, em seu interior, uma pressão superior à atmosfera. Geralmente o tubo se curva em arco de circunferência. Ao atuar a pressão no interior do tubo, sua extremidade livre descreve um pequeno movimento, que é ampliado mediante um sistema de alavancas que atuam sobre o setor dentado, fazendo girar a agulha indicadora. Existem vários tipos de manômetros: manômetro tubular, manômetro com líquido amortecedor (glicerina ou silicone), manômetro diferencial, e outros tipos que são abordados em instrumentação e controle não constituíndo objetivo principal do presente curso. A escala de uma manômetro pode ser graduada em quilograma, força por centímetro quadrado (Kgf/cm2), em atmosferas (atm), em libras-força por polegada quadrada (lbf/pol2 ou psi), ou em qualquer outra unidade de pressão. A tabela abaixo dá a correspondência entre estas unidades. atm Kgf/cm2 psi 1 1,033 14,22 0,96 1 14,7 0,065 0,068 1 TGM- 42 – CALDEIRAS - Apostila Fevereiro/ 98 62
  • 63. ELETRONUCLEAR Gerência de Treinamento- GTR.O Partes internas de um manômetro de Bourdon Fig.5.11 A indicação em psi é usual no sistema inglês e no Brasil utiliza-se mais correntemente indicações em kgf/cm2. Os manômetros, de um modo geral, indicam a pressão relativa (também denominada pressão manométrica) e não a “pressão absoluta”. Isso quer dizer que, para se obter a pressão dita “absoluta”, tem-se que somar à pressão indicada no manômetro, a pressão atmosférica local (pressão absoluta = pressão manométrica + pressão atmosférica). Cada caldeira tem uma capacidade de pressão determinada. Sendo assim, os manômetros utilizados em cada caldeira devem ter a escala apropriada. A pressão máxima de funcionamento da caldeira deverá estar sempre marcada sobre a escala do manômetro, com um traço feito a tinta vermelha, para servir de alerta ao operador no controle da pressão. TGM- 42 – CALDEIRAS - Apostila Fevereiro/ 98 63
  • 64. ELETRONUCLEAR Gerência de Treinamento- GTR.O 5.6 DISPOSITIVOS DE SEGURANÇA 5.6.1 VÁLVULAS DE SEGURANÇA Sua função é de promover o escape de excesso do vapor, caso a pressão máxima do trabalho permitida da caldeira venha a ser ultrapassada, e os outros dispositivos de segurança venha a falhar. Quando uma caldeira possui duas válvulas de segurança, uma delas deverá abrir com 5% acima da pressão máxima de trabalho permitida e a outra com 10% acima da pressão máxima permitida. Para garantir um perfeito funcionamento da válvula de segurança, deve-se observar o seguinte: • Todas as válvulas de segurança deverão ser experimentadas uma vez ao dia, acionando-se a alavanca de teste manual. • Promover a inspeção das sedes das válvulas pelo menos uma vez por ano. • Fazer periodicamente um teste de funcionamento da válvula. Isto se faz colocando uma manômetro aferido na caldeira e, em seguida, fechando todas as saídas de vapor até que a válvula comece a funcionar. Para a aferição da válvula devem ser observadas as porcentagens acima indicadas, e também deve-se observar que durante o teste a pressão máxima da caldeira não deve ultrapassar 10% da pressão máxima permitida. As válvulas de contrapeso são as mais simples, porém não atendem os requisitos atrás anunciados. Sua vedação nem sempre impede vazamentos contínuos. As válvulas de mola predominam nos dias de hoje. Há dois tipos de válvulas de mola: • de baixo curso; • de alto curso. No primeiro tipo, a pressão do vapor atuando sobre a área do disco de vedação, abre totalmente a válvula. No segundo tipo, a ação de pressão abre parcialmente a válvula. O vapor escapando, projeta-se sobre um disco provido de anel de regulagem que provoca a mudança de direção do fluido. A força de reação completa a abertura da válvula. Estas válvulas são muito mais perfeitas, abrindo e fechando instantaneamente. TGM- 42 – CALDEIRAS - Apostila Fevereiro/ 98 64
  • 65. ELETRONUCLEAR Gerência de Treinamento- GTR.O Os fabricantes fornecem estas válvulas nas dimensões adequadas, desde que se forneçam a vazão e pressão do vapor. As válvulas de segurança exigem cuidados especiais desde a sua instalação. Na instalação deve-se: • evitar choques; • acertar o prumo (velocidade da válvula) • evitar alterar a regulagem original do fabricante. Na operação: • não permitir acréscimo de peso na válvula; • testar diariamente seu funcionamento; • eliminar vazamentos contínuos. As válvulas de segurança evitam, portanto, a contínua elevação da pressão no gerador de vapor. Válvulas de segurança corretamente dimensionadas devem: 1. Abrir totalmente a um pressão definida, evitando o desprendimento de vapor antecipadamente. 2. Permanecer aberta enquanto não houver queda de pressão ou seja, retorno da pressão para as condições de trabalho do gerador. 3. Fechar instantaneamente e com perfeita vedação logo após a queda de pressão. 4. Permanecer perfeitamente vedada para pressões inferiores à sua regulagem. Para assegurar esta performance, as válvulas de segurança devem ser fabricadas, sob controle de qualidade, instaladas corretamente e ser submetidas a sistemáticas inspeções e mantidas em condições de funcionamento perfeito. Podemos encontrar, basicamente, dois tipos de válvulas de segurança: a) de contrapeso (figura 5.12) b) de mola (figura 5.13) TGM- 42 – CALDEIRAS - Apostila Fevereiro/ 98 65
  • 66. ELETRONUCLEAR Gerência de Treinamento- GTR.O Fig.5.12 Fig.5.13 TGM- 42 – CALDEIRAS - Apostila Fevereiro/ 98 66
  • 67. ELETRONUCLEAR Gerência de Treinamento- GTR.O 5.6.2 PROTEÇÃO E CONTROLE DE CHAMA Caldeiras que usam queimadores de sólidos pulverizados (carvão), líquidos (BPF, diesel,...) ou gasosos (gás de gasogênio, GLP,...) necessitam de um sistema de proteção e controle de chama para supervisionar principalmente: • procedimento incorreto de ligação; • falta de chama por qualquer motivo. Ocorrendo uma destas falhas, a fornalha da caldeira ficaria sujeita a uma explosão, caso não houvesse a interrupção imediata do fornecimento do combustível. Conforme a concentração da mistura (ar/combustível), a magnitude de explosão poderá se tornar perigosa, causando danos ao equipamento e provocando risco de vida ao seu operador. A maior parte dos casos de explosão, ocorrem durante o acendimento da chama. Os dispositivos usualmente empregados nestes sistemas de proteção são dos seguintes tipos: POR TERMOELÉTRICOS São formados por lâminas bimetálicas (lâminas de metais diferentes) e de uma chave elétrica. As lâminas bimetálicas ficam instaladas no caminho dos gases e também estão ligadas ao circuito, de tal modo, que não é possível acender o queimador com a chave aberta. Acendendo a caldeira, o calor dos gases desprendidos dilata as lâminas, queimando-se a caldeira as lâminas e se contraem abrindo e interrompendo o circuito elétrico do queimador. POR CÉLULAS FOTOELÉTRICAS Trata-se de um sistema bem aperfeiçoado que trabalha com uma célula fotoelétrica, um amplificador e um relé. O seu funcionamento é baseado na coloração das chamas. Se estas se apagarem a luminosidade no interior da fornalha será diminuída, a célula fotoelétrica comandará o amplificador e o relé que abrirá seus contatos, interrompendo o circuito dos queimadores. Os sistemas fotocondutivos para segurança de chama tem quase o mesmo funcionamento dos fotoelétricos, sendo modificado o tipo de célula. Utiliza-se das irradiações infravemelhas das chamas e faz uso de amplificadores especial. Os amplificadores conseguem estabelecer diferenças entre o calor das chamas e o calor dos refratários da fornalha. Estes controladores funcionam como equipamentos de segurança, fazendo com que a caldeira seja parada e religada automaticamente, controlando perfeitamente a água de alimentação e os limites de pressão. TGM- 42 – CALDEIRAS - Apostila Fevereiro/ 98 67
  • 68. ELETRONUCLEAR Gerência de Treinamento- GTR.O Também efetua a parada de emergência comandada pelo circuito de segurança. 5.7 DISPOSITIVOS DE CONTROLE Estes dispositivos são projetados para garantir que a caldeira funcione em perfeita segurança. 5.7.1 PRESSOSTATOS PRESSOSTATO DE CONTROLE DE MÁXIMA PRESSÃO DA CALDEIRA Tem a finalidade de controlar a pressão interna da caldeira por meio de um comando para os queimadores (figura 5.14). É constituído de um fole metálico (ou de um diafragma) que comanda uma chave elétrica por meio de um dispositivo de regulagem da pressão. À medida que diminui a pressão dentro da caldeira o fole (ou diafragma) se contrai, fechando o circuito elétrico, dando partida ao queimador. Quando a pressão for restabelecida o fole (ou diafragma) se dilata e fará a abertura dos contatos, interrompendo o funcionamento dos queimadores. Nas caldeiras semi-automática e chave interrompe o circuito do queimador, quando atingida a pressão de corte e mantém o circuito travado, impedindo que seja reacendido manualmente, até que seja atingida a pressão de operação. Fig.5.14 • Pressostato Modular De construção quase idêntica ao pressostato de máxima pressão, faz a regulagem do óleo e do ar para os queimadores. A sua diferença para o pressostato acima, é TGM- 42 – CALDEIRAS - Apostila Fevereiro/ 98 68