caldeira s

Conceitos Básicos Classificação das Caldeiras Caldeiras Aguatubulares Funcionamento da caldeira aquatubular Falha em Caldeiras

Caldeiras

Robson da Silva Magalhães1

1SENAI - CIMATEC , Salvador - BA

CST Mecatrônica - Sistemas Mecânicos (2008)


Sumário I

1 Conceitos BásicosDefinição

2 Classificação das CaldeirasConteúdo do tuboFinalidade

3 Caldeiras AguatubularesElementos PrincipaisQueimador e atomizador

4 Funcionamento da caldeira aquatubularOutros componentes importantesÁgua de alimentação para caldeiras

5 Falha em CaldeirasPrincipais Causas


Definição

O que são Caldeiras?

Caldeira é o nome popular dado aos equipamentosgeradores de vapor, cuja aplicação tem sido ampla nomeio industrial e também na geração de energia elétricanas chamadas centrais termelétricas.

As caldeiras são empregadas na produção de vapord’água ou aquecimento de fluidos térmicos. No caso dasrefinarias de petróleo, em termos práticos, a maior partedo vapor utilizado nos processos é gerada em caldeiras,e uma pequena parte é gerada em refervedores, com oaproveitamento de calor residual em alguns processos.


Definição


A energia para a vaporização pode ser obtida através daqueima de um combustível sólido, líquido ou gasoso, oupor conversão de energia elétrica - e até a fissão nuclear,que é o caso de usinas termonucleares.

As caldeiras elétricas são equipamentos de concepçãobastante simples, sendo compostos basicamente por umvaso de pressão onde a água é aquecida por eletrodosou resistências. São fáceis de usar e de automatizar. Aeficiência da transformação da energia elétrica em vaporé sempre muito elevada, da ordem de 95% a 98%,podendo atingir 99,5% em casos especiais.


Definição


A energia para a vaporização pode ser obtida através daqueima de um combustível sólido, líquido ou gasoso, oupor conversão de energia elétrica - e até a fissão nuclear,que é o caso de usinas termonucleares.

Serão apresentadas aqui apenas as caldeiras queutilizam o aquecimento por queima de combustíveis, comênfase nos equipamentos mais empregados emrefinarias.


Como classificamos as caldeiras?

As caldeiras podem ser classificadas conforme qualquerdas seguintes características: finalidade, fonte deaquecimento, conteúdo nos tubos, princípio defuncionamento, pressão de serviço, tipo de fornalha etc.


Como classificamos as caldeiras?

As caldeiras que produzem vapor pela queima decombustíveis podem ser classificadas em dois grandesgrupos, de acordo com o conteúdo nos tubos: em flamotubulares e aquatubulares.


Conteúdo do tubo

De acordo com o conteúdo do tubo:

Flamotubulares;Aguatubulares.


Conteúdo do tubo


FlamotubularesNeste tipo, os gases quentes da combustão circulam nointerior de tubos que atravessam o reservatório de água aser aquecida para produzir vapor. Os tubos são montadoscomo nos permutadores de calor, com um ou maispasses. Existem vários tipos de caldeiras flamotubulares,dentre os quais se destacam a vertical e a horizontal.


Conteúdo do tubo


FlamotubularesVantagens:


Conteúdo do tubo


FlamotubularesDesvantagens:


Conteúdo do tubo


Flamotubulares


Conteúdo do tubo


Aguatubulares


Conteúdo do tubo


Aguatubulares

Vantagens:


Conteúdo do tubo


Aguatubulares

Desvantagens:


Conteúdo do tubo


Aguatubulares


Finalidade

Classificação quanto à finalidade:

Caldeiras para usinas de força termoelétrica:São projetadas para produzir vapor com alta pressão etemperatura, visando ao melhor rendimento na geraçãode energia.


Finalidade


Caldeiras industriais:São projetadas para produzir vapor saturado oulevemente superaquecido, empregado em aquecimento,evaporação e outros.


Finalidade


Caldeiras combinadas:Utilizadas para as duas finalidades.


Elementos Principais

Elementos principais de uma caldeira aquatubular.

Os principais elementos de uma caldeira aguatubularsão:

CÂMARA DE COMBUSTÃO;TUBULÃO DE VAPOR;TUBULÃO DE ÁGUA;FEIXE DE TUBOS;ISOLAMENTO E REFRATÁRIOS;ESTRUTURA E CARCAÇA METÁLICA;SAÍDAS DE GASES E CHAMINÉS.




CÂMARA DE COMBUSTÃO:Região onde se dá a queima do combustível, gerando ogás de queima aquecido.




TUBULÃO DE VAPOR:Tambor horizontal localizado na parte superior dacaldeira, onde água e vapor estão em equilíbrio natemperatura de saturação correspondente à pressão domesmo.




TUBULÃO DE ÁGUA:Tambor horizontal localizado na parte inferior da caldeira,normalmente com dimensões menores do que o anterior,ficando sempre cheio d´água.




FEIXE DE TUBOS:

É formado pelos tubos que interligam os tambores devapor e de água. A disposição do feixe de tubos em tornodo forno constitui as chamadas paredes de água.Essas paredes (laterais, frontais, teto e fundo) geram umespaço vazio envolvendo a câmara de combustão.




ISOLAMENTO E REFRATÁRIOS:Isolam a câmara de combustão dos elementosestruturais, irradiando o calor não absorvido pelos tubosde volta para dentro da câmara, o que evita perdas decalor para o exterior e protege a carcaça metálica.




ESTRUTURA E CARCAÇA METÁLICA:A estrutura e a carcaça de chapas metálicas, queenvolvem a caldeira, sustentam o isolamento e osrefratários, além de todos os internos, garantindo aestanqueidade. Formam também chicanas paradirecionamento do fluxo de gases de combustão. Aschicanas podem ser apenas paredes de refratários.




SAÍDAS DE GASES E CHAMINÉS:Promovem a exaustão dos gases de combustãoprovenientes do interior da caldeira, regulando a tiragemnecessária.





Natural: O fluxo de gases é conseguido unicamentepela ação da chaminé devido à diferença de densidadesao longo da mesma, provocada pela diferença detemperatura entre os gases de combustão e o ar queentra.





Mecânica forçada: O fluxo dos gases é obtidoatravés da instalação de um ventilador na linha de ar decombustão, forçando-o a entrar na câmara de combustão.A pressão na câmara de combustão deste tipo deequipamento normalmente é positiva.





Mecânica induzida: O fluxo dos gases é obtidoatravés da instalação de um ventilador na saída degases, induzindo, assim, os gases a percorrerem ogerador de vapor.


Queimador e atomizador

Visão geral do queimador e atomizador:

Em linhas gerais, as caldeiras aquatubulares possuemqueimadores para óleo, para gás, ou ambos. A admissãode ar pode ser primária e / ou secundária. O maçarico agás recebe o gás, promove a mistura com o ar e odireciona para a câmara de combustão. O maçarico aóleo atomiza o óleo e direciona a mistura. O óleo deveser atomizado para permitir uma queima completa econtrolada.


Queimador e atomizador

Visão geral do queimador e atomizador:

O atomizador pode ser mecânico (como um aspersor), oucom vapor, formado por dois tubos concêntricos queconduzem o óleo e o vapor para a câmara atomizadora,onde o vapor promove a dispersão do óleo. Para ambostemos os bicos, que orientam as misturas combustíveis edistribuem o formato da chama.


Princípios básicos de funcionamento:

Os tubos que conectam o tubulão superior ao inferior sãoexpostos à radiação da queima e/ou ao calor dos gasesde combustão. Devido ao seu encaminhamento nopercurso entre os tubulões, alguns trechos de tuborecebem mais calor que outros. Nos tubos maisaquecidos, uma parte da água em contato com a parededos tubos evapora e sobe.



O efeito da diferença entre a densidade da água no tubomais aquecido e a densidade da água no tubo menosaquecido (termosifão), mais o próprio movimentoascendente do vapor, fazem com que a água circule, indopara o tubulão superior pelos tubos mais aquecidos(tubos geradores) e descendo pelos tubos menosaquecidos (tubos vertedores). A circulação da águafacilita a liberação do vapor e aumenta a eficiência datroca térmica nos tubos.



O vapor saturado coletado pelo tubulão vai para atubulação de saída e mais água é admitida para manteros tubos cheios e o nível de água no tubulão. Observe aFigura.



Classificação quanto à circulação de água

Circulação natural: A circulação de água através doselementos tubulares é conseguida pela diferença dedensidades.



Classificação quanto à circulação de água

Circulação forçada: A circulação de água é conseguidapela instalação de uma bomba no circuito. São normalmentecaldeiras de alta pressão, onde a circulação natural é reduzidadevido a pequenas diferenças entre a densidade do vaporsaturado e do líquido saturado.


Outros componentes importantes

SUPERAQUECEDOR:

Em refinarias se usa vapor tanto para aplicação direta noprocesso, aquecimento, purga, entre outros, quanto paraacionar máquinas. Os equipamentos de acionamento avapor são projetados para operar com vaporsuperaquecido. Para superaquecer o vapor das caldeiras,são usados os superaquecedores, destinados a elevar atemperatura do vapor saturado sem aumentar, noentanto, sua pressão.



SUPERAQUECEDOR:

O superaquecedor consiste em dois tubos coletoresligados por um feixe tubular reto ou curvo. O coletor deentrada recebe o vapor saturado do tubulão superior, queé superaquecido no feixe tubular e vai para o coletor desaída. São localizados perto ou logo acima dos espaçosocupados pelos tubos geradores de calor e utilizam comofonte de calor os gases de combustão.



SUPERAQUECEDOR:

Classificação quanto à ligação com o gerador de vapor

Integral: Quando é parte integrante da caldeira.



SUPERAQUECEDOR:

Classificação quanto à ligação com o gerador de vapor

Independente: Quando a fonte de calor é proveniente deoutra fornalha.



SUPERAQUECEDOR:

Classificação quanto à transferência de calor

De radiação: A superfície de superaquecimento ficaexposta diretamente às chamas.



SUPERAQUECEDOR:

Classificação quanto à transferência de calor

De convecção: É protegido da radiação pelos feixes detubos da caldeira, e a transferência de calor se dá apenas comos gases de combustão.



SUPERAQUECEDOR:

Algumas caldeiras posicionam o superaquecedor em umencaminhamento dos gases de exaustão, que pode serdesviado (by-pass). O desvio é feito por superfíciesbasculantes (damper), que funcionam como uma válvula.Com isso pode-se variar o fluxo de gases e,conseqüentemente, o fluxo de calor e o grau desuperaquecimento do vapor.



ECONOMIZADOR:

O economizador é também um equipamento tubular emforma de serpentina (como radiadores), que tem afinalidade de absorver o calor dos gases de combustão,para aquecer a água de alimentação da caldeira. Destemodo, outra parcela do calor remanescente nos gases decombustão é aproveitada, resultando em maior economiapara o sistema.



PREAQUECEDOR DE AR:

Equipamento tubular que aproveita o calor dos gases decombustão para aquecer o ar necessário para a queima.A instalação ou não de um preaquecedor e o seudimensionamento dependem de fatores econômicos etécnicos. O preaquecedor de ar acelera a combustão emtodas as cargas, melhora a combustão em baixas cargase aumenta a eficiência. O preaquecedor que aquece o arpara temperaturas acima de 150◦C proporciona umaeconomia de 5% a 10% de combustível..



SOPRADOR DE FULIGEM:

Durante a operação da caldeira, verificam-se depósitosnos tubos de fuligem resultante da queima docombustível. Esta fuligem tem de ser retirada, pois atuacomo um isolante. O soprador de fuligem consistebasicamente em um tubo perfurado ligado a umfornecimento de vapor, que pode ser estacionário oumovimentar-se entre os tubos. Na caldeira são instaladosvários sopradores estrategicamente distribuídos entre asfileiras de tubos, para a remoção dos depósitos defuligem.



SOPRADOR DE FULIGEM:

Esta limpeza deve ser efetuada com periodicidade diáriacom a caldeira em operação. Observe a Figura.



INTERNOS DO TUBULÃO DE VAPOR:

Têm a finalidade de secar o vapor, retendo as partículaslíquidas ou sólidas arrastadas. Podem ser usados doistipos (ou ambos).





Separadores de vapor: São constituídos de chapascorrugadas, dispostas ao longo do tubulão, formando chicanas,por onde o vapor saturado deve passar antes de atingir ostubos de saída.





Ciclones: Como cones invertidos, forçam o fluxo de vapor aum movimento giratório ascendente e por centrifugaçãoseparam as partículas pesadas, que descem.


Água de alimentação para caldeiras

Alimentação de caldeiras:

A alimentação de caldeiras impõe a escolha de uma águacujas características sejam compatíveis com asespecificações do equipamento, sendo sempre uma águade maior pureza, quanto maior for a pressão de trabalhoda caldeira.




A água considerada ideal para alimentação de caldeirasé aquela que não deposita nenhuma substânciaincrustante, não corrói os metais da caldeira e seusacessórios e não ocasiona arraste ou espuma.Evidentemente águas com tais características são dedifícil obtenção, sem que antes haja um pré-tratamentoque permita reduzir as impurezas a um nível compatível,de modo a não prejudicar o funcionamento da caldeira.




Tratamentos Usuais:Desmineralização da água por meio de resinas catiônicase aniônicas;Desaeração mecânica da água por intermédio dedesaeradores trabalhando com vapor em contracorrente;Desaeração química da água usando sulfito de sódiocatalisado ou hidrazina;




Tratamentos Usuais:Correção do pH da água para a faixa alcalina, a fim deevitar corrosão ácida e acelerar a formação do filme deóxido de ferro protetor;Tratamento do vapor condensado para neutralizar ácidocarbônico e eliminar ataque ao ferro pelo cobre e níquel;Em caldeiras de baixa pressão, com temperaturasinferiores a 200oC, pode-se eliminar a desmineralização edesaeração em muitos casos, não dispensando, todavia, ouso de água clarificada.


Principais Causas

Causas de deterioração de caldeiras:

As principais causas de deterioração das caldeiras são:

SUPERAQUECIMENTO;CORROSÃO;DETERIORAÇÃO MECÂNICA;


Principais Causas


SUPERAQUECIMENTO:

É a elevação da temperatura, normalmente localizada,dos materiais acima dos limites de projeto. Pode se darpor deposição nas paredes dos tubos, incidência dechama provocada por mal funcionamento dosqueimadores, circulação deficiente de água edeterioração do refratário, entre outras.


Principais Causas


SUPERAQUECIMENTO:Dá-se internamente nos tubos devido a deficiências notratamento da água e presença de gases dissolvidos.Pode ser reduzida a limites seguros pelo tratamentoeficiente e desaeração da água. Dá-se externamente aostubos devido à formação de ácidos sulfuroso e sulfúricopela condensação de vapor de água na presença deprodutos de combustão de enxofre.


Principais Causas


SUPERAQUECIMENTO:A taxa de corrosão aumenta, à medida que a temperaturafor reduzida. Com o aumento do teor de enxofre, o pontode orvalho do gás também aumenta, agravando assim ascondições de corrosão. Os economizadores estão maissujeitos a esta corrosão devido à baixa temperatura daágua de alimentação na entrada.


Principais Causas


SUPERAQUECIMENTO:A corrosão externa pode ser reduzida a limites seguroscom a limpeza freqüente dos tubos e com a manutençãoda temperatura de saída dos gases acima dos limites decondensação do vapor de água e mantendo atemperatura da água de alimentação acima de certosvalores mínimos.


Principais Causas


SUPERAQUECIMENTO:

É o aparecimento de trincas que podem levar à ruptura,devido à fadiga térmica, fluência, choques térmicos,explosões na câmara de combustão etc.


Principais Causas

Resumo

caldeira s

Documents