15/05/2013 1 agosto/2012 - prof. simei · definição segundo a nr-13: “caldeiras a vapor são...

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Caldeiras

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Conceitos Fundamentais

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Um vapor é uma substância na fase de gás à uma temperatura inferior à sua

temperatura crítica. Isto significa que o vapor pode ser condensado para um líquido

ou para um sólido pelo aumento de sua pressão, sem ser necessário reduzir a

temperatura.

Por exemplo, a água tem uma temperatura crítica de 374ºC (ou 647 K) que é a

temperatura mais alta em que pode existir água no estado líquido. Na atmosfera, em

temperaturas normais, entretanto, água em estado gasosos é conhecida como vapor

de água e irá condensar para a fase líquida se sua pressão parcial for

suficientemente aumentada.

Um vapor pode coexistir com um líquido (ou sólido). Quando isto for verdade, as

duas fases estarão em equilíbrio, e a pressão de gás será igual à pressão de vapor

de equilíbrio do líquido (ou sólido).

O VAPOR

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É muito comum a confusão entre os termos “calor” e “temperatura” que normalmente

empregamos. Da termodinâmica, ciência que estuda o calor e os processos que o

envolvem, podemos estabelecer as seguintes definições:

Calor: É uma forma de energia térmica em trânsito, ou seja, está sempre se

transferindo de um corpo com maior temperatura para um corpo de menor

temperatura. O calor não pode ser armazenado; o que pode ser feito é apenas

facilitar ou dificultar sua transferência.

Temperatura: É uma medida da energia cinética, isto é, da vibração das

moléculas que compõem um certo corpo. Quanto maior é a vibração das

moléculas, maior será a temperatura do corpo em questão. É justamente a

diferença de temperatura entre dois corpos que promove a transferência de calor.

O VAPOR

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Dentro dos limites do conhecimento moderno, o vapor é o veículo de transferência

de calor mais econômico e conveniente, tanto para a produção de energia quanto

para a transferência de calor.

Em uma caldeira, a pressão aumenta a medida que o vapor vai se formando e sendo

acumulado, sendo limitado pelas condições de projeto.

Três conceitos caloríficos são aplicados, sendo:

Calor sensível;

Calor latente;

Entalpia total.

O VAPOR

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Calor Sensível (hs)

A Adição de Entalpia do Líquido (também chamado de calor sensível) é a

quantidade de calorias necessárias para elevar 1 kg de água de 0 ºC até a

sua temperatura de ebulição.

Calor Latente (hlat)

A Adição de Entalpia de Vaporização (também chamado de calor latente) é

a quantidade de calorias necessárias para converter 1 kg de água líquida

em vapor seco à mesma temperatura e pressão (o calor latente decresce

com o aumento da pressão absoluta do vapor).

O VAPOR

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Entalpia Total (hTOT)

Chama-se Entalpia Total do Vapor de Água, saturado, a relação de soma

do calor sensível e do calor latente:

hTOT = hs + hlat

Quando não se consegue o vapor seco, têm-se:

hTOT = hs+ x.hlat

→ onde x é o título (variando de 0,0 a 1,0).

O VAPOR

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Processos dimensionados para a utilização de:

Vapor saturado,

Vapor superaquecido.

USO DO VAPOR

O VAPOR

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Amplamente utilizado na grande maioria das industrias e processos, pois o

vapor saturado tem a grande vantagem em manter temperatura constante

durante a condensação a pressão constante. A temperatura pode variar

entre 130ºC a 350ºC, porém a faixa de temperatura até 170ºC com

8kgf/cm², corresponde a grande maioria de pequenos e médios

consumidores de vapor.

Maiores temperaturas são possíveis a custa do aumento da pressão de

saturação, o que implica num maior custo de investimento devido a

necessidade de aumento da resistência mecânica e requisitos de

fabricação e inspeção do gerador de vapor.

VAPOR SATURADO

O VAPOR

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Utilizado em grandes complexos industriais e na geração de energia

elétrica ou mecânica em ciclos termodinâmicos. Vapor superaquecido é

aquele que possui temperatura mais elevada geralmente na faixa de

400ºC a 560ºC. Para obtê-lo, é necessário aquecer o vapor saturado,

mantendo inalterada a sua pressão.

O vapor passa a condição de superaquecimento quando ultrapassa

temperaturas de saturação de uma determinada pressão. O vapor

superaquecido é isento de umidade e comporta-se nas tubulações como

gás. Na geração do vapor superaquecido a limitação de temperaturas de

trabalho fica por conta dos materiais de construção empregados.

VAPOR SUPERAQUECIDO

O VAPOR

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Definição segundo os conceito técnicos:

“Caldeira é todo e qualquer recipiente metálico cuja função é, entre

muitas, a produção de vapor através do aquecimento da água. As

caldeiras produzem vapor para alimentar máquinas térmicas, sistemas

e instalações, e outras aplicações do calor utilizando-se o vapor”.

Definição segundo a NR-13:

“Caldeiras a vapor são equipamentos destinados a produzir e

acumular vapor sob pressão superior à atmosférica, utilizando

qualquer fonte de energia, excetuando-se os refervedores e

equipamentos similares utilizados em unidades de processo”.

CALDEIRAS

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A combustão é um fenômeno já bastante conhecido da humanidade há

milênios. Desde a pré-história, o homem já domina (às vezes nem tanto!)

as práticas de se fazer e controlar o fogo. Sem dúvida, esta tarefa permitiu

um grande desenvolvimento da espécie, fazendo com que o homem se

adaptasse às diferentes condições climáticas, melhor uso dos alimentos,

etc.

A combustão nada mais é do que uma reação de oxidação de um material

denominado “combustível” com o oxigênio (comburente), liberando calor. A

equação genérica para o processo é:

COMBUSTÍVEL + OXIGÊNIO → CALOR + Produtos (CO2, H2O, CO, etc.)

COMBUSTÃO

O VAPOR

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Diversos combustíveis são usados para queima em caldeiras de produção de

vapor. Entre eles destacam-se: lenha, óleos pesados, gasóleos, gás (natural e

GLP), gases de alto forno ou de hulha, gases de escape de turbinas a gás, carvão

mineral, bagaço de cana, palha de arroz, resíduos em geral, cavacos e cascas de

madeira, licor negro (caldeira de recuperação de C&P), entre outros.

Para a produção de vapor também podem ser usadas fontes não combustíveis de

calor, tais como a energia elétrica (caldeiras de eletrodos submersos e de jatos

d’água), a energia nuclear (urânio, plutônio, etc.) e o calor de reações exotérmicas

de processos químicos, tais como: Sox resultantes da produção de ácido sulfúrico,

etc.).

Evidentemente, a escolha do tipo de combustível ou energia para a geração de vapor deve

levar em conta a aplicação, o tipo de caldeira, a disponibilidade do combustível/ energia, o

custo fixo e operacional do processo e o impacto ambiental provocado.

COMBUSTÃO

O VAPOR

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1698 - O inglês Thomas Savery patenteou um sistema de bombeamento de água utilizando

vapor como força motriz.

1711 – Newcomen desenvolveu outro equipamento com a mesma finalidade. Sua caldeira

era apenas um reservatório esférico, com aquecimento direto no fundo, também conhecida

como caldeira de Haycock.

1769 - James Watt modificou o projeto, alterando o formato, desenhando a caldeira Vagão,

a precursora das caldeiras utilizadas em locomotivas a vapor.

1856 - Stephen Wilcox, projetou um gerador de vapor com tubos inclinados, e da

associação com George Babcock tais caldeiras passaram a ser produzidas, com grande

sucesso comercial.

1880 - Alan Stirling desenvolveu uma caldeira de tubos curvados, cuja concepção básica é

ainda hoje utilizada nas grandes caldeiras de tubos de água.

CALDEIRAS

HISTÓRICO

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Vários registros históricos e relatórios de missões de exploração submarina apontam

o uso das primeiras caldeiras em navios, datados do final do século XIV. No entanto,

após a revolução industrial iniciada na Inglaterra em meados do século XVIII,

disseminou-se o uso de caldeiras nas mais variadas aplicações: fábricas,

embarcações, locomotivas, veículos, etc. Nestes engenhos, o vapor era usado para

aquecimento e, principalmente, para acionamento das máquinas e movimentação

dos veículos, utilizando-se um sistema de cilindro e pistão desenvolvido pelo escocês

James Watt por volta de 1765.

Com o passar dos anos, as caldeiras foram se desenvolvendo e novas aplicações

apareceram. O desenvolvimento da indústria metalúrgica e da ciência dos materiais,

bem como o aprimoramento dos conhecimentos de engenharia, permitiram a

construção de equipamentos mais leves, resistentes, seguros e muito mais

eficientes. Nas páginas seguintes faremos uma breve descrição de suas

características.

CALDEIRAS

HISTÓRICO

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CALDEIRAS

HISTÓRICO

http://www.google.com.br/url?sa=i&rct=j&q=barco+a+vapor&source=images&cd=&cad=rja&docid=oi9gNGeJyAZslM&tbnid=NVOytAvm2CZVJM:&ved=0CAUQjRw&url=http://factos-passados.blogspot.com/2011/03/barco-vapor.html&ei=_7gqUeSLMIW49QTv14DYBw&bvm=bv.42768644,d.eWU&psig=AFQjCNEEtxgcGdg0V3hRkIRFOixDkGCxZw&ust=1361840748073493

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No Brasil a norma mais adotada é o código ASME (American Society of Mechanical

Engineers) seção I, Div. I e II.

ABNT: NB 227 código para projeto e construção de geradores de vapor estacionários.

ABNT: NBR ISO 16528-1 caldeiras e vasos de pressão - requisitos de desempenho

N-2309 C - Caldeira Flamotubular a vapor;

• N-2249 D 1ª emenda - Caldeira Aquotubular - folha de dados;

• N-2250 C - Caldeira Famotubular - folha de dados;

• N-2252 D - Gerador de vapor para injeção em poço de petróleo

CALDEIRAS

NORMAS PARA PROJETO E FABRICAÇÃO

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ABNT: NB 12177-1 para caldeiras flamotubulares.

ABNT: NB 12177-2 para caldeiras aquotubulares.

CALDEIRAS

NORMAS PARA INSPEÇÃO

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CÓDIGOS ASME.

I. Power Boilers;

II. Materials;

III. Rules for Construction of Nuclear Facility Components;

IV. Heating Boilers;

V. Nondestructive Examination;

VI. Recommended Rules for the Care and Operation of Heating Boilers;

VII. Recommended Guidelines for the Care of Power Boilers;

VIII. Pressure Vessels;

IX. Welding Process.

CALDEIRAS

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Caldeiras são basicamente trocadores de calor que trabalham com

pressão superior à pressão atmosférica, produzindo vapor a partir da

energia térmica fornecida à um liquido, por uma fonte qualquer

(combustiveis sólidos, líquidos, gasosos e resistência elétrica).

São constituidas por diversos sistemas, com diversos equipamentos

integrados para permitir a obtenção do maior rendimento térmico possível

e maior segurança.

CALDEIRAS

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Tipos de Caldeiras

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Existem inúmeros tipos de caldeiras a vapor, sendo que muitos delas são

de aplicações restritas (pesquisa e desenvolvimento, ou modelos para

fundamentação de pesquisa). Na indústria porém, quanto ao formato de

construção e aplicação, destacam-se 5 (cinco) grupos de caldeiras, e das

quais se farão nosso estudo. São elas:

Caldeiras Flamotubulares;

Caldeiras Aquatubulares (ou Aquotubulares);

Caldeiras Mistas;

Caldeiras Elétricas;

Caldeiras de Recuperação.

CALDEIRAS

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Na essencia, as caldeiras são divididas em 2 (dois) grandes grupos,

quanto à disposição da água em relação aos gases de queima.

Flamotubulares Aquatubulares

CALDEIRAS

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Nas caldeiras flamotubulares (ou

fogotubulares), os gases quentes passam

por dentro de tubos, ao redor dos quais

está a água a ser aquecida e evaporada.

Os tubos são montados à maneira dos

feixes de permutadores de calor, com um

ou mais passos dos gases quentes

através do mesmo. As caldeiras

flamotubulares são empregadas apenas

para pequenas capacidades e quando se

quer apenas vapor saturado de baixa

pressão.

Há 2 (dois) tipos de caldeiras

flamotubulares – verticais e horizontais.

Os tipos mais comumente encontrados

nas indústrias são as horizontais.

CALDEIRAS FLAMOTUBULARES

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Caldeira do tipo

Flamotubuar Vertical


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Caldeira do tipo

Flamotubuar Vertical

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Caldeira do tipo

Flamotubuar Horizontal (em corte)

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Caldeira do tipo

Flamotubuar Horizontal (em corte)

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Caldeira do tipo

Flamotubuar Horizontal à GN

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Compartimento de Queima de uma Caldeira

Flamotubuar Horizontal

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As caldeiras flamotubulares geram somente vapor saturado, uma vez que este sai

de um vaso com água líquida, até pelo menos a sua metade, sem receber qualquer

aquecimento posterior. As pressões não são elevadas (da ordem de até 25,00

kgf/cm²) e estão limitadas pela espessura da parede externa (chapa cilíndrica) do

costado, pois quanto maior a espessura, mais elevada será a pressão.

Por serem de operação mais simples, lideram as estatísticas de acidentes. Dessa

forma, as principais características deste tipo de caldeira podem ser resumidas

conforme segue:

1. A transferência de calor ocorre em toda a área circunferencial dos tubos.

2. Verticais ou horizontais.

3. Fornalha cilíndrica corrugada.


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4. Número de passes de gases (1, 2, 3 ou 4).

5. Traseira seca ou molhada.

6.Geram somente vapor saturado, pois não tem aquecimento posterior

(superaquecedor).

7. Capacidade de geração de vapor e pressão limitadas.

8. Até aprox. 20 ton/h de vapor possuem menor custo de geração em relação

às caldeiras aquotubulares.

9. Melhor eficiência de transferência de calor por área de troca térmica.

10. Utilizam o vapor geralmente para aquecimento (maior aproveitamento do

calor latente em relação ao calor sensível).

11. Operação mais simples.


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As caldeiras do tipo aquatubulares (ou aquotubulares), como o próprio nome indica, tem circulação de água por dentro dos tubos e os gases quentes envolvendo-os.

Estas caldeiras são usadas para instalações de maior porte e na obtenção de vapor superaquecido.

Normalmente encontradas em usinas termoelétricas, siderúrgicas, refinarias, e ou em plantas industriais com necessidade de geração de grande volume de vapor.

CALDEIRAS AQUOTUBULARES

15/05/2013 37 Infograma do funcionamento da combustão de

uma Caldeira do tipo Aquotubular


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Caldeira do tipo Aquotubular

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Câmara de uma Caldeira do tipo Aquotubular

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Caldeira do tipo

Aquotubular

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As principais características deste tipo de caldeira podem ser resumidas conforme segue:

1. Formada por tubos de troca térmica e tubulões de vapor e lama.

2. A geração de vapor se processa nos tubos da parede d’água;

3. Projetadas para operar em médias e altas pressões;

4. Possuem maior capacidade de geração de vapor;

5. Projeto térmico mais elaborado;

6. Trabalham com vapor saturado ou superaquecido;

7. Utilizam vapor tanto para aquecimento quanto para geração de trabalho mecânico;

8. Circulação de Água;

8.1. Circulação natural (diferença de densidade da água);

8.2. Circulação forçada (pequenas diferenças de densidade entre água e vapor

inviabilizam a circulação).


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Caldeira do tipo

Aquotubular

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Câmara de uma Caldeira do tipo Aquotubular

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Estas caldeiras são consideradas como caldeiras híbridas, pois possuem uma parte aquotubular e outra flamotubular.

São caldeiras de alta eficiência, já que possuem um misto das vantagens de ambos os tipos de caldeiras (aquotubulares e flamotubulares). No geral, são empregadas em sistemas onde o apelo de economia de combustível e muito difundido, e quando necessita-se de maior eficiência energética, num menor espaço.

CALDEIRAS MISTAS

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CALDEIRAS MISTAS

Caldeira do tipo

Mista

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CALDEIRAS MISTAS

Caldeira do tipo

Mista

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Nas caldeiras elétricas, o

aquecimento da água, com

resultante geração do vapor, é feita

por meio de aquecimento (direto ou

indireto) de uma resistência elétrica

sobre esta.

Mais utilizadas em menores

instalações, principalmente quando

risco para com o armazenamento

de combustíveis é um problema.

São consideradas caldeiras de

baixa eficiência e alto custo, já que

o consumo de energia elétrica e

alto, e a obtenção de vapor acaba-

se tornando cara (relação custo x

beneficio duvidosa).

CALDEIRAS ELÉTRICAS

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Caldeira do tipo

Elétrica

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Caldeira do tipo

Elétrica (Direta)

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Caldeira do tipo

Elétrica, com sistema Jet Flow

(Indireta)

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São caldeiras que aproveitam o poder calorífico de um processo ou da combustão

de um material (combustível sólido ou gasoso), proveniente de um resíduo ou

sub-produto,. Em alguns destes casos a caldeira pode ser tanto aquotubular,

como flamotubular, ou ainda mistas, valendo ainda a escolha pela capacidade de

produção de vapor.

As unidades de recuperação ocupam hoje uma posição importante na tecnologia

do aproveitamento e racionalização da energia.

Estas unidades podem ser divididas em:

Caldeiras de Recuperação de Calor Sensível;

Caldeiras de Recuperação de Gases Combustíveis Residuais de Processos

Industriais;

Caldeiras de Recuperação de Calor e de Produtos Químicos em Fábricas de

Celulose;

Caldeiras de Recuperação de Calor nos Ciclos Combinados;

Caldeiras para Aproveitamento de Incineração de Lixo Urbano.

CALDEIRAS DE RECUPERAÇÃO (APROVEITAMENTO)

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Caldeira do tipo

Recuperação

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Caldeira do tipo

Recuperação

(utiliza gás de coqueria)

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PRESSÃO DE PROJETO (PP);

PRESSÃO DE OPERAÇÃO (PO);

PRESSÃO MÁXIMA DE TRABALHO ADMISSÍVEL (PMTA);

PRESSÃO DE AJUSTE DO DISPOSITIVO DE ALÍVIO DE PRESSÃO (Ppsv);

PRESSÃO DE TESTE HIDROSTÁTICO (Pth);

PRESSÃO DE TESTE DE ACUMULAÇÃO (PTA).

CALDEIRAS – Parâmetros Importantes

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PRESSÃO DE PROJETO (PP).

É a pressão definida no ato de projeto, levando em conta aspectos físicos e

termodinâmicos do vaso, onde os aspectos mecânicos são os principais focos

(critérios de normas de fabricação).

PRESSÃO DE OPERAÇÃO (PO).

É a pressão definida no ato do projeto para com o processo levando em conta

aspectos físicos do fluído em processamento, e principalmente do equipamento.

Este valor visa a conformidade para com o processo químico, isto é, real pressão

desejada no processo de fabricação/trabalho do fluido (armazenamento, reação,

troca, difusão, diluição, etc).


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PRESSÃO DE MÁXIMA DE TRABALHO ADMISSÍVEL (PMTA);

PMTA = S . F . t

R + 0,6 t

Onde:

PMTA = pressão máxima de trabalho admissível, referente à tensão

primária de membrana;

S = tensão admissível do material;

F = eficiência de junta;

t = espessura real;

R = raio interno do cilindro (caso a geometria seja cilíndrica).


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PRESSÃO DISPOSITIVO DE ALIVIO DE PRESSÃO (Ppsv);

Ppsv = PMTA

PRESSÃO DE TESTE HIDROSTÁTICO (Pth);

Pth = 1,5 . PMTA (Samb/Sproj)

Onde:

Pteste = pressão de teste a uma dada temperatura;

PMTA = pressão máxima de trabalho admissível;

Samb = tensão admissível do material na temperatura de teste;

Sproj = tensão admissível do material na temperatura de projeto.


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Acidentes com Caldeiras

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Groover Co. Shoe Factory.

Fábrica de Sapatos, Brockton,

Massachusetts - USA (1905). Antes

do acidente

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Groover Co. Shoe Factory.

Fábrica de Sapatos, Brockton,

Massachusetts - USA (1905). Após

acidente.

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http://www.google.com.br/url?sa=i&source=images&cd=&cad=rja&docid=0h_NgeTh4kcYOM&tbnid=P89WHwnfTe0s4M:&ved=0CAgQjRwwAA&url=http%3A%2F%2Fwww.flogao.com.br%2Ftecseg%2F60611123&ei=FgeTUbrGD6u70AHWuYDACA&psig=AFQjCNHhnv-h4rYAmgaUGmaxV19LhqP3bg&ust=1368676502299657

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Explosão de Caldeira NO Hotel Plaza Blumenal em SC.

No hotel Plaza do estado de Santa Catarina, com endereço na rua Curt Hering de Blumenau

uma caldeira explodiu e acabou destruindo 2 pisos. Segundo as informações dos Bombeiros o

acidente teria acontecido aproximadamente as 6h da terça-feira. As causas do ocorrido é alvo

de investigação por parte dos Peritos que se apresentaram no hotel para tais fins .

Não teria se reportado nenhum ferido e um vazamento de gás seria a informação prévia mais

precisa que teria motivado a explosão. Os hóspedes estariam se retirando junto com seus

pertences, informou um empregado do hotel, devido a que o prédio espera um laudo do Corpo

de Bombeiros para achar se eles vão poder ficar hospedados. Atletas e turistas estrangeiros

seriam os hospedes que presenciaram a explosão; sendo que eles vinham a participar de um

torneio de tênis marcado na cidade esta semana.

Fonte: http://jornalbrasileirosgratuito.over-blog.com/article-explosao-de-caldeira-no-hotel-plaza-

blumenau-santa-catarina-71578724.html

http://jornalbrasileirosgratuito.over-blog.com/article-explosao-de-caldeira-no-hotel-plaza-blumenau-santa-catarina-71578724.html































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Fim!!!

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