Caldeiras Final

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<p>INSTITUTO FEDERAL DO ESPRITO SANTO CAMPUS SO MATEUS CURSO TCNICO EM MECNICA</p> <p>JOCASTA OLIVEIRA MACIEL LORRAYNE CORR RAMON BENTO ROSIANE COSME</p> <p>CALDEIRAS</p> <p>SO MATEUS 20111</p> <p>JOCASTA OLIVEIRA MACIEL LORRAYNE CORR RAMON BENTO ROSIANE COSME</p> <p>CALDEIRAS</p> <p>Trabalho</p> <p>apresentado</p> <p>disciplina</p> <p>Mquinas Trmicas do Curso tcnico em Mecnica do Instituto Federal do Esprito Santo, como requisito parcial para avaliao. Prof. Jairo de Almeida Montalvo.</p> <p>So Mateus 2011</p> <p>2</p> <p>Ns poderamos ser muito melhores se no quisssemos ser to bons. Sigmund Freud</p> <p>3</p> <p>SMARIO</p> <p>4</p> <p>1. INTRODUOAntigamente, ainda na revoluo industrial, por volta do sculo XVIII, as indstrias necessitavam de calor , esse era conseguido atravs da combusto do carvo, porm haviam muitos problemas, deixando na maioria das vezes, as indstrias no prejuzo. Para resolver esse problema, surgiram as primeiras mquinas geradoras de vapor, posteriormente mais elaboradas vieram a se chamar Caldeiras, ou geradores de vapor.</p> <p>Caldeira ou Gerador de vapor um equipamento que tem a funo de gerar vapor atravs de um troca trmica entre o combustvel e a gua. Ela utilizada para diversas funes, como mover locomotivas, mover turbinas, utilizadas tambm nas indstrias alimentcias, de papel e celulose, txtil, qumica, hospitais, lavanderias, hotis, dentre outras...</p> <p>5</p> <p>2. CALDEIRAS2.1. Descrio</p> <p>De acordo com a NR-13</p> <p>item 13.1.1. Caldeiras a vapor so equipamentos</p> <p>destinados a produzir e acumular vapor sob presso superior atmosfrica, utilizando qualquer fonte de energia, excetuando-se os refervedores e equipamentos similares utilizados em unidades de processo. 2.2. Classificao Conforme o tipo, as caldeiras podem ser classificadas em: Quanto forma construtiva: Flamotubulares; Aquatubulares.</p> <p>Quanto ao fluido de transferncia: Caldeiras para gua quente, Caldeiras para fluido trmico, Caldeira a vapor.</p> <p>Quanto a fonte de energia utilizada: Caldeira eltrica.</p> <p>Quanto as categorias: Categoria A So aquelas cuja presso de operao igual ou superior a 1960 kPa (19,98 Kgf/cm). Categoria B So todas as caldeiras que no se enquadram nas categorias anteriores. Categoria C So aquelas cuja presso de operao igual ou inferior a 588 kPa (5,99 Kgf/cm)e volume interno igual ou inferior a 100litros.</p> <p>6</p> <p>A seguir, alguns desses tipos descritos detalhadamente. 2.2.1. Flamotubulares</p> <p>As caldeiras flamotubulares so aquelas em que os gases provenientes da combusto "fumos" atravessam a caldeira por dentro de tubos que se encontram rodeados por gua, est que ser aquecida e evaporada.</p> <p>As caldeiras flamotubulares so empregadas apenas para pequenas capacidades e quando se quer apenas vapor saturado de baixa presso. Elas so de construo mais simples, e podem ser classificadas quanto distribuio dos tubos, que podem ser tubos verticais ou horizontais. Podem ser do tipo Cornulia, Lancashire, Multitubulares de fornalha interna, Multitubulares de fornalha externa, Escocesas, Locomotivas e locomveis.</p> <p>2.2.1.1. Caldeiras de tubos verticais</p> <p>Nessas caldeiras, os tubos so postos verticalmente num corpo cilndrico e fechado nas extremidades por placas, chamadas espelhos , pois elas refletem boa parte do calor. A fornalha fica logo abaixo dos espelhos inferiores (ver ilustrao 1 e 2). Os gases provenientes da combusto sobem atravs dos tubos, aquecendo e vaporizando a gua que est em torno deles. Como combustvel so utilizados: palha, serragem, cascas de caf, coco, ou amendoim, leos e etc.</p> <p>7</p> <p>Ilustrao 1: Caldeira flamotubular</p> <p>Ilustrao 2: Caldeira famotubular</p> <p>8</p> <p>2.2.1.2. Caldeiras de tubos horizontais</p> <p>As caldeiras de tubos horizontais abrangem vrios modelos, desde as caldeiras Cornulia e Lancashire, de grande volume de gua, at as modernas unidades compactas. As principais caldeiras horizontais apresentam tubules internos nos quais ocorre a combusto e atravs dos quais passam os gases quentes. Podem ter de 1 a 4 tubules por fornalha.</p> <p>Tipos de caldeiras de tubos horizontais</p> <p>2.2.1.2.1. Caldeira Cornulia</p> <p>A caldeira Cornulia, foi um dos primeiros modelos desenvolvidos, constituda de um tubulo horizontal ligando a fornalha ao local de sada de gases. de funcionamento simples, porm de rendimento muito baixo. Suas principais caractersticas so: presso mxima de operao de 10 kgf/cm, vaporizao especfica 12 a 14 kg de vapor/m e mximo de 100m de superfcie.</p> <p>Ilustrao 3: Caldeira flamotubular cornulia</p> <p>9</p> <p>2.2.1.2.2. Caldeira Lancashire</p> <p>Est caldeira semelhante a cornulia, mas apresenta de dois a quatro cilindros internos. Ela alcana uma superfcie de aquecimento de 120 a 140 metros quadrados, atingindo at 18 kg de vapor por metro quadrado de superfcie de aquecimento. Porm, este tipo de caldeira est sendo substituda gradativamente por outros tipos.</p> <p>2.2.1.2.3. Caldeira multitubular de fornalha interna</p> <p>Como o prprio nome indica possui vrios tubos de fumaa. Podem ser de trs tipos: Tubos de fogo diretos: os gases percorrem o corpo da caldeira uma nica vez. Tubos de fogo de retorno: os gases provenientes da combusto na tubulao da fornalha circulam pelos tubos de retorno. Tubos de fogo diretos e de retorno: os gases quentes circulam pelos tubos diretos e voltam pelos de retorno.</p> <p>2.2.1.2.4. Caldeira multitubular de fornalha externa Em algumas caldeiras deste tipo, a fornalha constituda pela prpria alvenaria, situada abaixo do corpo cilndrico. Os gases quentes provenientes da combusto entram inicialmente em contato com a base inferior do cilindro, retornando pelos tubos de fogo.</p> <p>10</p> <p>2.2.1.2.5. Caldeira escocesa Essa caldeira, por ser bastante compacta, foi construda para uso martimo. Em sua concepo, utilizam-se tubulao e tubos de menor dimetro. Os gases quentes, oriundos da combusto verificada na fornalha interna, podem circular em 2,3 e at 4 passes. Todos os equipamentos indispensveis ao seu funcionamento so incorporados a uma nica pea, constituindo-se, assim num todo transportvel e pronto para operar de imediato. Elas operam exclusivamente com leo ou gs, sendo a circulao dos gases feita por ventiladores. Conseguem rendimentos de at 83%. 2.2.1.2.6. Caldeira locomotiva e locomvel</p> <p>Como o prprio nome j diz, nas caldeiras Locomotivas o vapor gerado serve para movimentar a prpria caldeira (e os vages). Praticamente fora de uso hoje em dia, por usar carvo ou lenha como combustvel. A caldeira locomvel tipo multitubular, apresentando uma dupla parede metlica, por onde circula a gua do prprio corpo. So de largo emprego pela facilidade de transferncia de local e por proporcionarem acionamento mecnico em lugares desprovidos de energia eltrica. So construdas para presso de at 21kg/cm2 e vapor superaquecido.</p> <p>2.2.2. Vantagens das caldeiras Flamotubulares:</p> <p>So bastante robustas; No exigem tratamento de gua muito apurado; Exigem pouca alvenaria real ; Pelo grande volume de gua que encerram, atendem tambm as cargas flutuantes, ou seja, aos aumentos instantneos na demanda de vapor;</p> <p>11</p> <p>Construo fcil e de custo relativamente baixo; Presso elevada.</p> <p>2.2.3. Desvantagens das caldeiras Flamotubulares:</p> <p>Presso limitada: at 15 atmosferas (hoje em dia existem caldeiras com presso superior a 15 atm). Isto se deve ao fato de que a espessura das chapas dos corpos cilndricos aumenta com o dimetro.</p> <p>Pequena vaporizao(kg de vapor /hora). So trocadores de calor de pouca rea de troca por volume (menos compactos). Oferecem dificuldades para a instalao de superaquecedor e preaquecedor de ar.</p> <p>2.2.4. Caldeiras Aquatubulares</p> <p>Devido as caldeiras flamotubulares apresentar uma</p> <p>superfcie de aquecimento</p> <p>muito pequena, houve a necessidade de obter maior vapor, ou seja uma caldeira de maior rendimento, ento criou-se as caldeiras Aquatubulares.</p> <p>Nesse tipo de caldeira, os tubos que, nas caldeiras flamotubulares, conduziam gases aquecidos, passaram a conduzir a gua, o que aumentou muito superfcie de aquecimento, aumentando bastante capacidade de produo de vapor.</p> <p>2.2.4.1. Tipos de caldeiras aquatubulares Para podermos compreender melhor, dividimos as caldeiras aquatubulares em trs grandes grupos: caldeiras aquatubulares de tubos retos, com tubulo transversal ou</p> <p>12</p> <p>longitudinal; caldeiras aquatubulares de tubos curvos, com diversos tubules transversais ou longitudinais. Caldeiras aquatubulares de circulao positiva;</p> <p>2.2.4.2. Caldeiras aquatubulares de tubos retos: As caldeiras aquatubulares de tubos retos so constitudas de um feixe tubular de transmisso de calor, com vrios tubos retos e paralelos, interligados a uma cmara coletora. Essa cmara comunica-se com os tbulos de vapor (superiores), formando um circuito fechado por onde circula a gua. A seguir, as ilustraes ajudam a mostrar o sentido de circulao da gua e a circulao dos gases quente mediantes trs passos.</p> <p>Ilustrao 4: Ciculao da gua na caldeira aquatubular</p> <p>13</p> <p>Ilustrao 5: Esquema da caldeira aquatubular 2.2.4.3. Caldeiras aquatubulares de tubos curvos Esse tipo de caldeira tem uma tima vantagem que no apresentarem limites de capacidade de produo de vapor. A sua forma construtiva foi criada por Stirling, interligando os tubos curvos aos tubules por meio de solda ou mandrilagem. A ilustrao a seguir apresenta um esquema de caldeira com quatro tubules, embora possa ter de trs a cinco, o que confere a este tipo de gerador de vapor maior capacidade de produo.</p> <p>Ilustrao 6: Esquema de caldeira aquatubular de tubos curvos</p> <p>14</p> <p>Vantagens das caldeiras aquatubulares de tubos curvos: Reduo do tamanho da caldeira; Queda da temperatura de combusto; Vaporizao especfica maior, variando na faixa de 30 kg de vapor/m a 50 kg de vapor/m2 para as caldeiras com tiragem forada; Fcil manuteno e limpeza; Rpida entrada em regime; Fcil inspeo nos componentes.</p> <p>2.2.4.4. Caldeira de circulao positiva Nessas caldeiras, a circulao da gua ocorre por diferenas de densidade, provocada pelo aquecimento da gua e vaporizao, ou seja, ocorre circulao natural. Deve-se tomar cuidado pois, se ocorrer m circulao, poder acarretar um superaquecimento localizado e uma ruptura dos tubos. Veja o exemplo de circulao da gua na ilustrao a seguir.</p> <p>Ilustrao 7: Circulao da gua na caldeira de circulao positiva.</p> <p>15</p> <p>Vantagens das caldeiras de circulao positiva: Tamanho reduzido; No necessitam de grandes tubules; Rpida gerao de vapor; Quase no h formao de incrustaes, devido circulao forada.</p> <p>As desvantagens so: Paradas constantes, com alto custo de manuteno; Problemas constantes com a bomba de circulao, quando operando em altas presses. 2.2.4.5. Partes das caldeiras aquatubulares As caldeiras aquatubulares formada por vrias partes, dentre elas, os principais componentes so: Tubulo superior: onde se injeta a gua de alimentao e de onde se retira o vapor. Tubulo inferior: Nele, esto mandrilados tanto os tubos de gua que descem do tubulo superior quanto os tubos de vaporizao que sobem para o tubulo superior. Feixe tubular: um conjunto de tubos que fazem a ligao entre os tubules da caldeira. Fornalha: onde ocorre a queima do combustvel. Queimadores: Os queimadores so peas destinadas a promover, de forma adequada e eficiente a queima dos combustveis em suspenso. Superaquecedor: Aproveitam os gases de combusto para dar o devido aquecimento16</p> <p>ao vapor saturado, transformando-o em vapor superaquecido. Economizador: O economizador tem a finalidade de aquecer a gua de alimentao da caldeira. Pr aquecedor de ar: O pr aquecedor de ar um equipamento (trocador de calor) que eleva a temperatura do ar antes que este entre na fornalha.</p> <p>2.2.5. Caldeiras eltricas</p> <p>Esse tipo de caldeira, como prprio nome j diz, funciona a base de eletricidade, logo o custo para mant-las em funcionamento alto, logo elas no so comumente usadas na industrias. So mais utilizadas em locais onde h pouca oferta de outros tipos de combustveis. Elas so constitudas basicamente por um vaso de presso no sujeito a chama, um sistema de aquecimento eltrico e de um sistema de gua de alimentao. Sendo seu rendimento bastante elevado j que por efeito joule a troca de calor ocorre no interior da massa lquida sem perda do calor gerado.</p> <p>17</p> <p>3 COMBUSTVEIS3.1. Combusto A combusto pode ser definida como uma reao qumica exotrmica rpida entre duas substancia, um combustvel e um comburente. As reaes exotrmicas so aquelas que liberam energia trmica. O combustvel a substancia que queima que se oxida. Contendo em sua composio, principalmente carbono e hidrognio, e, eventualmente e em menores teores,outros elementos reagentes, como oxignio e enxofre ou ainda outros elementos ou compostos que no participa da reao de combusto como a gua. Comburente o componente da reao de combusto que fornece oxignio. Em geral, usado o ar atmosfrico que apresenta a grande vantagem de no ter custo de fornecimento. 3.2. Combustveis Os combustveis utilizados como energia e aquecimento industrial apresentam caractersticas importantes tais como: Baixo custo por contedo energtico; Possibilidade de utilizao dentro de tecnologia disponvel; Baixo custo operacional e de investimento.</p> <p>Os combustveis podem ser classificados quanto a sua forma fsica: Slidos, lquidos e gasosos. Slidos : Lenha; Carvo Mineral; Bagao de Cana; Casca de Arroz Lquido: leo Diesel; leo combustvel; lcool Gasoso :Gs Natural; GLP</p> <p>18</p> <p>Poder Calorfico quantidade de energia liberada na combusto de 1 kg de combustvel, expressa em Kcal. Alguns exemplos de poder calorfico de alguns combustveis esto descritos na tabela a seguir.</p> <p>Combustvel Lenha de eucalipto (umidade 30%) Lenha de eucalipto (umidade 50%) leo combustvel Bagao da cana (umidade 50%)</p> <p>Poder calorfico (Kcal/Kg) 3160 2260 10200 2200</p> <p>Composio dos combustveis: Os combustveis industriais apresentam em sua composio alguns dos seguintes elementos ou compostos. Carbono C Hidrognio H Oxignio O Enxofre S Nitrognio N gua H2O Cinzas Z</p> <p>Combustveis lquidos Os combustveis lquidos so amplamente utilizados na industria pela facilidade de armazenamento, operao e transporte, e os derivados de petrleo praticamente esto presentes na maioria das aplicaes. A caracterizao dos combustveis lquidos compreende a medio de algumas propriedades aplicveis a estes, as19</p> <p>quais sero definidas a seguir.. Ponto de fulgor a temperatura do combustvel na qual, sob a ao de uma chama escorvadora sobre a superfcie liquida do mesmo, provoca uma ignio na temperatura do ponto de fulgor a combusto no mantida. Esta propriedade muito importante para o armazenamento do combustvel. Ponto de ignio a temperatura do combustvel na qual a chama escorvatria provoca uma combusto continuada sobre a superfcie do mesmo. Temperatura de auto-ignio a temperatura mnima de uma mistura ar/combustvel na qual a combusto iniciada e se mantm, sem presena de uma chama escorvadora. Ponto de fluidez a temperatura mnima necessria para que o combustvel se torne um fluido. Viscosidade uma importante propriedade pois determinam as temperaturas de armazenamento, combusto. leo combustvel O leo combustvel: a frao mais im...</p>