apostila sobre caldeiras

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  • 7/27/2019 Apostila Sobre Caldeiras

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    UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL

    CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA

    DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA

    CURSO DE ENGENHARIA MECNICA

    DISCIPLINA DE MQUINAS TRMICAS

    APOSTILA SOBRE CALDEIRAS

    Prof. Carlos Roberto Altafini

    Semestre letivo 02/2

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    As caldeiras representam um grande gasto de capital. Sua

    operao segura e eficaz freqentemente crtica para garantir

    lucratividade. Portanto, essencial o treinamento e o

    desenvolvimento do pessoal responsvel por esses equipamentos.

    Falhas nas prticas bem estabelecidas de funcionamento dascaldeiras podem ser catastrficas.

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    ASPECTOS GERAIS RELACIONADOS S CALDEIRAS

    Caldeira o nome popular dado aos equipamentos geradores de vapor, cuja aplicao

    tem sido ampla no meio industrial e tambm na gerao de energia eltrica nas chamadas

    centrais termeltricas. Portanto, as atividades que necessitam de vapor para o seu

    funcionamento, em particular, vapor de gua pela sua abundncia, tm como componente

    essencial para sua gerao, a caldeira. Esse equipamento, por operar com presses acima da

    presso atmosfrica, sendo na grande parte das aplicaes industriais at quase 20 vezes

    maior e nas aplicaes para a produo de energia eltrica de 60 a 100 vezes maior, podendo

    alcanar valores de at 250 vezes mais, constitui um risco eminente na sua operao. Vrios

    so os aspectos relacionados ao funcionamento das caldeiras, os quais sero tratados nesta

    apostila: Principais conceitos da Termodinmica envolvidos na operao de Caldeiras; Tipos

    e classificao das Caldeiras e seus acessrios principais; Riscos de exploses; Tratamento da

    gua de Caldeiras e Norma Regulamentadora N 13.

    1. PRINCIPAIS CONCEITOS DA TERMODINMICA RELACIONADOS OPERAO DE CALDEIRAS

    De modo geral, as substncias podem existir em diferentes fases, que so a fase slida,fase lquida e a fase gasosa. Assim definido fase uma poro homognea de matria.

    Relacionado fase gasosa da substncia, utiliza-se com freqncia o nome vaporpara

    essa fase quando a substncia est prxima de um estado em que parte da mesma pode

    condensar-se. O comportamento presso, volume e temperatura, que para os chamados

    Gases Perfeitos expresso pela equao pv = RT, para o vapor, que considerado um gs

    real, essa equao no representa muito bem comportamento mencionado. As equaes de

    estado utilizadas para expressar o comportamento dos gases reais so em geral muito

    complexas, inviabilizando de forma rpida os seus usos. Para tanto, utiliza-se na maioria das

    aplicaes em engenharia, os diagramas e as tabelas termodinmicas para as diferentes fases

    das substncias. Nesses recursos, especialmente para as fases lquida e gasosa (vapor), so

    apresentadas os diversos valores das propriedades termodinmicas: alm das trs identificadas

    acima, ttulo, entalpia e entropia.

    Nas figuras 1, 2 e 3 so apresentados alguns diagramas para a gua, nos quais so

    identificados os diversos estados que essa substncia pode assumir. Esses diagramas,

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    especialmente aquele de Mollier (figura 3), por ser o mais completo, so muito teis para

    apresentar as propriedades termodinmicas e para auxiliar na visualizao dos diversos

    processos pelos quais uma substncia pode passar.

    importante destacar aqui que o vapor dgua utilizado como agente transportador

    de energia em diversos processos industriais e nas centrais termeltricas. Isso se deve s

    vantagens a seguir:

    A gua a substncia mais abundante sobre a Terra. Possui grande contedo energtico (entlpico). Pouco corrosivo. No txico. No inflamvel nem explosivo.Com base nos diagramas apresentados, algumas consideraes so feitas:

    A presso identificada nos diagramas a presso absoluta, a qual medida emrelao a um referencial fixo, dito absoluto. Desse modo, uma presso medida

    acima da presso atmosfrica local, que varivel (altura em relao nvel do

    mar, clima, etc.), possui um valor positivo em relao a essa e chamada de

    presso manomtrica. Em relao ao referencial absoluto, essa presso tambm

    positiva e dita de presso absoluta e igual a soma da presso atmosfrica com a

    presso manomtrica (pabs=patm+pman).

    O diagrama p x T (vide figura 1) relaciona a presso de saturao (presso em quese inicia a vaporizao a uma dada temperatura) com a temperatura de saturao

    (temperatura em que se inicia a vaporizao a uma dada presso). Ex.: a psat

    (pabs)=10 bar (pman9bar) a temperatura em que a gua comea a vaporizar

    180C (Tsat). As coordenadas (psat, Tsat) definem a curva de presso de vapor, que

    adquire a forma apresentada nos diagramas T x h (figura 2) e h x s (figura 3).

    Nos diagramas so identificados os estados de lquido comprimido, de lquidosaturado, de saturao lquidovapor, de vapor saturado e de vapor

    superaquecido. Identifica-se ainda nos diagramas T x h e h x s, o ponto crtico da

    gua definido por p=22,09MPa e T=374,14C, a partir da qual no se identifica

    mais a presena da fase lquida e vapor existindo em equilbrio.

    Para o estado de mistura lquido-vapor comum definir-se o ttulo (x) do vapor,que a frao em massa (ou percentual em massa) do vapor em relao massa

    total da mistura. Isso significa dizer, por exemplo, se o vapor que sai de uma

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    caldeira tem uma qualidade (ttulo) de 97%, significa que 3% umidade (gua

    lquida).

    Ao iniciar-se a produo de vapor em uma caldeira, primeiramente todo o calorfornecido a gua (pela queima do combustvel e pelos gases de combusto) serve

    para aumentar sua temperatura. Ao calor associado mudana de temperatura dagua d-se o nome de calor sensvel. Em uma caldeira, como em uma panela de

    presso de cozinha, por ser um recipiente rgido, a medida que o calor fornecido

    gua, a presso aumenta junto com a temperatura at que acontea a abertura da

    vlvula de segurana. Na temperatura de saturao relativa presso de abertura da

    vlvula de segurana (presso de trabalho da caldeira) inicia-se a gerao de vapor

    com alta intensidade e todo calor fornecido gua para sua mudana de fase, que

    acontece a presso e temperatura constantes. Ao calor associado mudana de faseda gua d-se o nome de calor latente. Se o vapor obtido na vaporizao apresenta

    qualidade de 100%, seu ttulo igual a 1 e a esse vapor d-se o nome de vapor

    saturado seco. Ainda, se a esse vapor for transferido calor, isso far aumentar sua

    temperatura (calor sensvel) e provocar o seu superaquecimento (vapor

    superaquecido) em um determinado grau de superaquecimento. Por exemplo, se

    ao vapor saturado seco presso absoluta de 10 bar (T=180C) for transferido

    calor de modo a aumentar sua temperatura para 220C, o grau desuperaquecimento resultante de 40C.

    Para o completo entendimento de operao das caldeiras, aos conceitos introduzidos

    anteriormente somam-se aqueles relacionados aos dois princpio bsicos da Termodinmica

    (1 e 2 Leis da Termodinmica), acrescidos dos princpios que regem o processo de

    combusto, os mecanismos de transferncia de calor e escoamento dos fluidos.

    Em geral, o vapor empregado para aquecimento e para a produo de trabalhomecnico. Para aquecimento, o vapor pode ser usado direta ou indiretamente.

    No processo de aquecimento direto, o vapor entra em contato direto com o material a

    ser aquecido. Exemplo disso o aquecimento de gua ou outros lquidos com injeo direta

    de vapor. Outros exemplos: lavagem de garrafas, curtimento de couro, esterilizao,

    engomagem de tecidos, etc.. No uso indireto, o vapor no entra em contato com o material a

    ser aquecido e fica, portanto, separado por uma superfcie. Esse mtodo empregado quando

    for necessrio uma grande quantidade de calor e/ou em processos que devem ser livres decontaminao. Exemplos de equipamentos que operam com vapor de uso indireto: calandras,

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    boylers, radiadores, autoclaves, etc..

    Para a produo de potncia, o vapor utilizado em mquinas alternativas e em

    turbinas, sendo que nessas o vapor em geral superaquecido. Exemplos de mquinas

    alternativas: prensas, martelo para forjaria, locomveis, locomotivas, etc..

    O vapor pode ser empregado tambm para extrao de gases no condensveis, tais

    como o ar, dos espaos evacuados, nas chamadas bombas de jato. Outra aplicao muito

    comum do vapor no bombeio da gua de alimentao de caldeiras nos chamados injetores.

    2. TIPOS E CLASSIFICAO DAS CALDEIRAS E SEUS ACESSRIOSPRINCIPAIS

    A primeira tentativa do homem em produzir vapor na evoluo da histria da

    humanidade foi no sculo II a.C., quando Heron de Alexandria concebeu um aparelho que

    vaporizava gua e movimentava uma esfera em torno de seu eixo. Esse foi o aparelho

    percursor das caldeiras e das turbinas a vapor.

    Entretanto, foi na poca da Revoluo Industrial que teve impulso o uso do vapor sob

    presso para movimentar as mquinas. Muitos, entre cientistas, artfices e operrios,

    ocuparam-se por longos anos na evoluo dos geradores de vapor. Os mais notveis trabalhosneste campo se devem a Denis Papin na Frana, a James Watt na Esccia e a Wilcox nos

    Estados Unidos.

    Por volta de 1835, haviam aproximadamente 6 mil teares operantes a vapor.

    Entretanto, foi aps a 1 Guerra Mundial que o emprego do vapor se acentuou. Mesmo com a

    tecnologia, normas, procedimentos e ensaios que hoje e