56984941 apostila-caldeiras

Download 56984941 apostila-caldeiras

Post on 05-Jun-2015

5.123 views

Category:

Documents

1 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

  • 1. SENAI-CTALFACULDADE DE TECNOLOGIA Chapec - SC TECNOLOGIA EM MANUTENOINDUSTRIALMQUINAS TRMICASGERADORES DE VAPOR DE GUA1Manuteno em Sistemas Trmicos IndustriaisProf. Esp. Engo Marcellus Fontenellemarcellus@sc.senai.br

2. SENAI-CTAL FACULDADE DE TECNOLOGIAChapec - SCGERADORES DE VAPOR1 - IntroduoVapor de gua usado como meio de gerao, transporte e utilizao deenergia desde os primrdios do desenvolvimento industrial. Inmeras razescolaboraram para a gerao de energia atravs do vapor. A gua o compostomais abundante da Terra e portanto de fcil obteno e baixo custo. Na formade vapor tem alto contedo de energia por unidade de massa e volume. Asrelaes temperatura e presso de saturao permitem utilizao como fontede calor a temperaturas mdias e de larga utilizao industrial com presses detrabalho perfeitamente tolerveis pela tecnologia disponvel, j h muito tempo.Grande parte da gerao de energia eltrica do hemisfrio norte utiliza vaporde gua como fludo de trabalho em ciclos termodinmicos, transformando aenergia qumica de combustveis fsseis ou nucleares em energia mecnica, eem seguida, energia eltrica.Toda indstria de processo qumico tem vapor como principal fonte deaquecimento: reatores qumicos, trocadores de calor, evaporadores, secadorese inmeros processos e equipamentos trmicos. Mesmo outros setoresindustriais, como metalrgico, metal-mecnico, eletrnica, etc., pode-se utilizarde vapor como fonte de aquecimentos de diversos processos.Vapor saturado tem a grande vantagem de manter temperatura constantedurante a condensao presso constante. A presso de condensao dovapor saturado controla indiretamente a temperatura dos processos. O controlede presso, por ser um controle mecnico de ao direta conseguido muitomais fcilmente que o controle direto de temperatura.A faixa de temperaturas at 170 C utiliza vapor saturado at 10 kgf/cm2 , cujatemperatura de saturao 183 C. Nesta faixa est a grande maioria depequenos e mdios consumidores de vapor. Maiores temperaturas sopossveis custa do aumento da presso de saturao, o que implica nummaior custo de investimento devido a necessidade de aumento da resistnciamecnica e requisitos de fabricao e inspeo do gerador de vapor. O limiteda temperatura de vapor saturado o ponto crtico, a 374 C e 218 atmosferas.No vantajoso utilizar-se vapor superaquecido para processos de 2Manuteno em Sistemas Trmicos IndustriaisProf. Esp. Engo Marcellus Fontenellemarcellus@sc.senai.br 3. SENAI-CTAL FACULDADE DE TECNOLOGIA Chapec - SCaquecimento a temperaturas mais altas, j que perderamos a facilidade decontrole de temperatura e diminuiramos drasticamente a disponibilidade deenergia por unidade de massa ou volume de vapor. Vapor superaquecido utilizado e produzido para gerao de energia eltrica ou mecnica em ciclostermodinmicos, e neste caso a limitao de temperaturas de trabalho fica porconta dos materiais de construo empregados. Em utilizao industrial,poderamos arbitrar uma classificao de geradores de vapor em relao presso de trabalho:- baixa presso: at 10 kgf/cm2- mdia presso: de 11 a 40 kgf/cm2- alta presso: maior que 40 kgf/cm2Repetindo que esta classificao arbitrria, porm representativa da faixa deutilizao de vapor na indstria. Grandes caldeiras, as quais so utilizadastanto para gerao prpria de energia eltrica quanto para processos deaquecimento, esto limitadas a presses da ordem de 100 kgf/cm2 . Existemcaldeiras de maiores presses, mas utilizadas somente em grandes centraistermoeltricas ou grandes complexos industriais, representando um nmeromuito reduzido de unidades, em comparao com os milhares de pequenascaldeiras em operao.2 - Desenvolvimento das CaldeirasAs primeiras aplicaes prticas ou de carter industrial de vapor surgiram porvolta do sculo 17. O ingls Thomas Savery patenteou em 1698um sistema debombeamento de gua utilizando vapor como fora motriz. Em 1711,Newcomen desenvolveuoutro equipamento com a mesmafinalidade,aproveitando idias de Denis Papin, um inventor francs. A caldeirade Newcomen era apenas um reservatrio esfrico, com aquecimento direto nofundo, tambm conhecida como caldeira de Haycock (figura 1). James Wattmodificou um pouco o formato em 1769, desenhando a caldeira Vago (figura2), a precursora das caldeiras utilizadas em locomotivas a vapor. Apesar dogrande desenvolvimento que Watt trouxe a utilizao do vapor como foramotriz, no acrescentou muito ao projeto de caldeiras.3Manuteno em Sistemas Trmicos IndustriaisProf. Esp. Engo Marcellus Fontenellemarcellus@sc.senai.br 4. SENAI-CTAL FACULDADE DE TECNOLOGIA Chapec - SCTodos estes modelos provocaram desastrosas exploses, devido utilizaode fogo direto e ao grande acmulo de vapor no recipiente. A ruptura do vasocausava grande liberao de energia na forma de expanso do vapor contido.Nos finais do sculo 18 e incio do sculo 19 houveram os primeirosdesenvolvimentos da caldeira com tubos de gua. O modelo de John Stevens(figura 3) movimentou um barco a vapor no Rio Hudson. Stephen Wilcox, em1856, projetou um gerador de vapor com tubos inclinados, e da associaocom George Babcock tais caldeiras passaram a ser produzidas, com grandesucesso comercial (figura 4).4Manuteno em Sistemas Trmicos IndustriaisProf. Esp. Engo Marcellus Fontenellemarcellus@sc.senai.br 5. SENAI-CTALFACULDADE DE TECNOLOGIA Chapec - SC5Manuteno em Sistemas Trmicos IndustriaisProf. Esp. Engo Marcellus Fontenellemarcellus@sc.senai.br 6. SENAI-CTAL FACULDADE DE TECNOLOGIAChapec - SCEm 1880, Alan Stirling desenvolveu uma caldeira de tubos curvados, cujaconcepo bsica ainda hoje utilizada nas grandes caldeiras de tubos degua (figura 5).Nesta poca, tais caldeiras j estavam sendo utilizadas para gerao deenergia eltrica. A partir do incio deste sculo o desenvolvimento tcnico dosgeradores de vapor se deu principalmente no aumento das presses etemperaturas de trabalho, e no rendimento trmico, com utilizao dos maisdiversos combustveis.Aaplicao propulso martima alavancou o desenvolvimento deequipamentos mais compactos e eficientes. 6Manuteno em Sistemas Trmicos IndustriaisProf. Esp. Engo Marcellus Fontenellemarcellus@sc.senai.br 7. SENAI-CTALFACULDADE DE TECNOLOGIA Chapec - SC3 - Tipos de CaldeirasAtualmente, podemos classificar as caldeiras em dois tipos bsicos:- flamo tubulares, onde os gases de combusto circulam por dentro de tubos,vaporizando a gua que fica por fora dos mesmos e- aqua tubulares, onde os gases circulam por fora dos tubos, e a vaporizaoda gua se d dentro dos mesmos.3.1. Caldeiras flamo tubulares:Constituem-se da grande maioria das caldeiras, utilizada para pequenascapacidades de produo de vapor (da ordem de at 10 ton/h) e baixaspresses (at 10 bar), chegando algumas vezes a 15 ou 20 bar.As caldeiras flamo tubulares horizontais constituem-se de um vaso de pressocilndrico horizontal, com dois tampos planos (os espelhos) onde esto afixadosos tubos e a fornalha. Caldeiras modernas tem diversos passes de gases,sendo mais comum uma fornalha de dois passes de gases (figura .6).A sada da fornalha chamada cmara de reverso e pode ser revestidacompletamente de refratrios ou constituda de paredes metlicas molhadas.Cmara de reverso molhada produz melhores rendimentos trmicos peladiminuio de perdas de calor ao ambiente, porm so mais complicadasconstrutivamente e consequentemente mais caras.As fornalhas das caldeiras flamo tubulares devem ser dimensionadas para quea combusto ocorra completamente no seu interior, para no haver reverso dechama que v atingir diretamente os espelhos, diminuindo a vida til dacaldeira. A fornalha tambm se constitui de um corpo cilndrico e estcompletamente imersa em gua. Pela sua prpria concepo, caldeiras flamotubulares modernas s queimam combustveis lquidos ou gasosos, devido dificuldade de se instalar grelhas para combustveis slidos. Algumas caldeirasflamo tubulares de pequena capacidade queimam combustveis slidos atravsde adaptao de grelhas na fornalha, porm so limitadas ao tamanhonecessrio da rea de grelha. 7Manuteno em Sistemas Trmicos IndustriaisProf. Esp. Engo Marcellus Fontenellemarcellus@sc.senai.br 8. SENAI-CTAL FACULDADE DE TECNOLOGIAChapec - SCPara queima de combustveis slidos em caldeiras de pequena capacidadeutiliza-se as caldeiras mistas, que sero tratadas mais adiante.Desde as primeiras caldeiras do sculo 17, at os modelos atuais, as caldeirasflamo tubulares passaram por sucessivos desenvolvimentos at a atualconcepo de uma fornalha e mais dois passes de gases de combusto. Agrande aceitao deste tipo para pequenas capacidades est associadaprincipalmente no seu baixo custo de construo, em comparao com umaaqua tubular de mesma capacidade. Por outro lado, o grande volume de guaque acondiciona limita, por questes de segurana, as presses de trabalho ea qualidade do vapor na condio de vapor saturado. A figura 7 mostra umacaldeira flamo tubular moderna, com cmara de reversoMolhada e fornalha corrugada.A gua acumulada no corpo da caldeira pode funcionar como um pulmo devapor, respondendo a sbitas flutuaes de demanda com pouca queda depresso da rede de vapor, sendo adequada portanto para aplicaes onde oconsumo varivel.A eficincia trmica destas caldeiras est na faixa de 80 a 90%, sendo difcil seatingir maiores valores pela dificuldade de se acrescentar equipamentosadicionais de recuperao de calor. 8Manuteno em Sistemas Trmicos IndustriaisProf. Esp. Engo Marcellus Fontenellemarcellus@sc.senai.br 9. SENAI-CTALFACULDADE DE TECNOLOGIA Chapec - SC3.2 - Caldeiras aqua tubulares:9Manuteno em Sistemas Trmicos IndustriaisProf. Esp. Engo Marcellus Fontenellemarcellus@sc.senai.br 10. SENAI-CTALFACULDADE DE TECNOLOGIA Chapec - SCAs caldeiras aqua tubulares tem a produo de vapor dentro de tubos queinterligam 2 ou mais reservatrios cilndricos horizontais, conforme figura 8:- o tubulo superior, onde se d a separao da fase lquida e do vapor, e- o tubulo inferior, onde feita a decantao e purga dos slidos emsuspenso.Os tubos podem ser retos ou curvados. As primeiras caldeiras aqua tubularesutilizavam tubos retos, soluo hoje