Guia de Caldeiras

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<p>ContedoNoes bsicas sobre caldeiras Tipos de combustvel para caldeiras Carvo Fuel Gs Desperdcios como combustvel Que combustvel escolher ? Caldeiras flamo tubulares horizontais Caldeira "Lancashire" Caldeira econmica Caldeira compacta Caldeira de chama invertida Limites de presso e produo das caldeiras de corpo pressurizado Limites de presso Limites de produo Caldeiras de tubos de gua Variantes da caldeira de tubos de gua Caldeira de ebulidor longitudinal Caldeira de ebulidor cruzado Caldeira de tubos curvos ou caldeira "Stirling" Vapor sobreaquecido Produo das caldeiras Produo 'De ... at' ("from and at rating") Exemplo Produo em kW Potncia da caldeira em cavalos (BoHP) Eficincia da caldeira Eficincia e carga da caldeira Eficincia da combusto A eficincia comea no tanque de alimentao da caldeira 3 5 5 5 6 6 6 7 8 10 12 13 14 14 15 16 17 18 19 20 21 22 22 23 24 24 25 25 25 26</p> <p>1</p> <p>Acessrios da caldeira e sua montagem Chapa de identificao da caldeira Vlvulas de segurana Normas sobre vlvulas de segurana Vlvulas de passagem para caldeiras Vlvulas de reteno para caldeiras Vlvulas de purga de fundo Manmetro Visores de nvel e acessrios Proteco do visor de nvel Manuteno Cmaras de controlo de nvel Controlos de nvel internos Eliminadores de ar e quebra-vcuo Colectores de vapor Sadas de vapor Arrastamento de gua Aquecimento Evitar que uma caldeira pressurize outra Normas Garantir uma correcta distribuio de vapor Informaes adicionais Apendice 1 - Tabelas de vapor Apendice 2 - Tabelas de converso</p> <p>27 27 28 29 29 30 31 32 34 34 35 36 38 39 40 43 43 43 45 46 47 48 49 52</p> <p>Nota: Aconselhamos os leitores a seguirem a legislao local e a ter em considerao as normas internacionais.</p> <p>2</p> <p>Noes bsicas sobre caldeirasAs caldeiras so a pea mais importante do circuito de vapor pois nela que o vapor inicialmente produzido. Pode-se definir a caldeira como um recipiente no qual a energia de um combustvel transferida para um lquido. No caso do vapor saturado, a energia tambm usada para a mudana de estado lquido em vapor. A casa da caldeira sempre necessitou de grande superviso humana de forma a garantir um nvel de segurana aceitvel. Actualmente, para atender aos critrios de rentabilidade, exigese uma adaptao constante da produo s nessecidades. Isto pode significar em alguns casos o funcionamento contnuo da caldeira, ou noutros casos, ser desligada por longos ou curtos perodos. Em ambos os casos, a tecnologia contempornea permite que o tcnico escolha com confiana o regime para a caldeira que melhor se adapta sua aplicao, com sistemas de controlo que garantam um grau de eficincia, integridade e segurana adequados. A caldeira com frequncia o equipamento de maiores dimenses do circuito de vapor. Pode variar de tamanho conforme a aplicao a que se destina. Em instalaes de grandes dimenses em que existem cargas de vapor variveis, normalmente so utilizadas vrias caldeiras em paralelo.</p> <p>Vlvula de segurana</p> <p>Vlvula "crown"</p> <p>Queimador Tubo da fornalha</p> <p>Fig. 1 Uma caldeira tpica</p> <p>3</p> <p>Actualmente existem caldeiras de todos os tamanhos adequadas a grandes e pequenas aplicaes. Quando necessria mais de uma caldeira para satisfazer os consumos, torna-se economicamente mais vantajoso centralizar todas as caldeiras num s local, reduzindo assim significativamente os custos de instalao e de operao. Por exemplo, a centralizao tem os seguintes benefcios em comparao com as caldeiras dispersas: Escolha do combustvel e da tarifa. A duplicao de equipamentos reduz os custos com os sobressalentes. Facilidade em implementar a recuperao de calor para maior poupana. Reduo da superviso manual, libertando mo de obra para outras tarefas. Dimensionamento da casa da caldeira mais economico para satisfazer necessidades diversificadas. Facilidade de controlo e superviso das emisses de exausto. Regras de segurana e eficincia facilmente monitorizadas e controladas. H regras rigorosas que tm de ser seguidas ao operar uma caldeira. Lembre-se que uma caldeira de vapor um recipiente pressurizado que contem gua em ebulio a temperaturas superiores a 100C. Por este motivo, existem normas e dispositivos de segurana e so necessrias frequentes inspeces caldeira para averiguar o estado fsico da mesma. O tema da segurana da caldeira ser abordado noutra seco.</p> <p>4</p> <p>Tipos de combustvel para caldeirasCarvo, fuel e gs so os trs tipos de combustvel mais utilizados em caldeiras de vapor. No entanto, tambm se utilizam desperdcios industriais, assim como electricidade. O fuel ainda o mais utilizado, dependendo normalmente a escolha do preo de cada combustvel. Carvo Carvo o termo genrico dado familia dos combustveis slidos com alto contedo de carbono. H vrios tipos de carvo dentro desta familia, dependendo do estdio de formao do carvo e da quantidade de carbono que contem. Este estadios so: Turfa. Lenhite ou carves castanhos. Betuminoso. Semi-betuminoso. Antracite. Como combustvel para caldeiras, o betuminoso e a antracite tendem a ser os mais utilizados. A queima de 1 kg de carvo pode produzir at cerca de 8 kg de vapor. Fuel O fuel para caldeiras criado a partir de resduos do crude aps ser destilado para produzir combustveis leves como leos lubrificantes, parafina, querosene, gasleo e gasolina. H vrias qualidades disponveis, cada um adequado para diferentes classes de caldeiras: Classe D: Gasolina. Classe E: Fuel leve. Classe F: Fuel mdio. Classe G: Fuel pesado. 1kg de fuel pode produzir at 15 kg de vapor e 1 litro de fuel at 14 kg de vapor. Em pequenas caldeiras aceitvel uma produo de 13.5 Kg de vapor por Kg de fuel.</p> <p>5</p> <p>Gs</p> <p>O gs um tipo de combustvel onde se consegue uma boa combusto com pouco excesso de ar. Os gases combustveis esto disponveis sob duas formas: Gs natural. Produzido (naturalmente) no subsolo. Utiliza-se no seu estado natural, aps a remoo das impurezas e contm metano, na sua forma mais comum. Gases de petrleo liquefeitos (GPL). So gases produzidos a partir da refinao do petrleo e so depois armazenados no estado lquido, sob presso, at serem utilizados. As formas mais comuns de GPL so o propano e o butano. 1 Therm de gs produz aproximadamente 42 kg de vapor numa caldeira a uma presso de 10 bar m, com uma eficincia global de 80%.</p> <p>Desperdcios como combustvel</p> <p>Os desperdcios so muitas vezes uma fonte de energia econmica para caldeiras. As caldeiras alimentadas com desperdcios queimavam sub-produtos tais como aparas de madeira ou leo usado. Com a legislao actualmente em vigor torna-se mais difcil as caldeiras cumprirem as rigorosas normas sobre emisses. Hoje em dia mais frequente a queima de desperdcios como auxiliar de uma queima principal a gs. Um exemplo a incineradora de um hospital em que os gases quentes so utilizados como fonte de energia para produo de vapor, ou como parte de um processo de cogerao. A escolha do combustvel a utilizar para alimentar a caldeira depende em larga escala do preo de cada tipo de combustvel. Existem caldeiras que queimam apenas um dos combustveis acima indicados e outras que utilizam dois tipos de combustvel alternadamente (fuel ou gs). Este mtodo eficaz se o operador escolhe alternar dois combustveis de acordo com o preo actual. Hoje em dia, por razes ambientais, comum as ver caldeiras que trabalham normalmente a gs, sendo o fuel ou gasleo uma alternativa a uma eventual falha de abastecimento.</p> <p>Que combustvel escolher?</p> <p>6</p> <p>Caldeiras flamo tubulares horizontaisAs caldeiras flamo tubulares horizontais que funcionam pela passagem de calor atravs dos tubos no interior da caldeira, que por sua vez transferem o calor gua da caldeira que os rodeia. H vrias combinaes diferentes de disposio de tubos nas caldeiras flamo tubulares horizontais, nomeadamente em relao ao nmero de "passagens" que o calor do queimador da caldeira faz at ser descarregado. A Figura 2 mostra um modelo tpico de caldeira com uma configurao de duas passagens. A Figura 2 e a Figure 2a mostram tambm os dois mtodos em que o calor da fornalha revertido para fazer uma segunda passagem. A Figura 2 mostra uma caldeira seca na retaguarda em que o fluxo de calor revertido por uma cmara de reverso revestida a refractrio no altar da caldeira. Um mtodo mais eficiente de reverter o fluxo de calor com uma cmara de reverso submersa, como se v na Figura 2a. A cmara de reverso est inteiramente dentro da gua da caldeira, o que permite uma maior rea de transferncia de calor, transferindo o calor para a gua da caldeira no ponto em que a fornalha est mais quente - na extremidade da parede da cmara. importante ter em ateno que a combusto de gases deve ser arrefecida a pelo menos 420C nas caldeiras de ao de espelhos planos e a 470C nas caldeiras de ao aloi, antes da cmara de reverso. Se a temperatura for excessiva causar sobreaquecimento e pode fracturar os espelhos. Estas limitaes sero tidas em conta pelo fabricante da caldeira ao conceber a caldeira. H vrios modelos de caldeiras flamo tubulares horizontais que vamos agora analisar mais detalhadamente.</p> <p>Sada de gases 2 passagem</p> <p>Sada de gases 2 passagem</p> <p>Tubo da fornalha</p> <p>1 passagem</p> <p>Tubo da fornalha</p> <p>1 passagem</p> <p>Cmara de reverso seca</p> <p>Cmara de reverso submersa</p> <p>Fig. 2 Caldeiras com cmara de reverso seca</p> <p>Fig. 2a Caldeiras com cmara de reverso submersa 7</p> <p>Caldeira Lancashire</p> <p>A caldeira "Lancashire" concebida em 1844 por Sir William Fairbairn a partir da caldeira "Cornish" de uma passagem de Trevithick. Era uma caldeira de tubos de fumo. J no se utilizam h muito tempo e pensa-se que poucas existiro ainda, se que ainda existe alguma no mundo inteiro.</p> <p>Entre 5 - 10 metros de comprimento</p> <p>Terceira passagem</p> <p>Terceira passagem</p> <p>Tubo da fornalha Passagem inferior</p> <p>Primeira passagem Segunda passagem</p> <p>Entre 2 - 3 metros de dimetro</p> <p>Passagem inferior</p> <p>Fig. 3 Caldeira Lancashire A caldeira consistia basicamente numa grande carcaa em ao com 5 - 10 m de comprimento, atravs da qual passavam dois tubos com um grande dimetro. Uma parte de cada tubo era corrugada para aguentar a expanso quando a caldeira aquecia, para evitar o colapso sob presso. Na entrada de cada tubo , na parte frontal da caldeira, localizava-se uma fornalha. A fornalha podia queimar gs, petrleo ou carvo. Os produtos gasosos provenientes da combusto passavam da fornalha atravs dos tubos corrugados de grande dimetro. A gua no interior da caldeira rodeava estes tubos e o calor dos gases era transferido para a gua. A caldeira era colocada sobre uma estrutura de tijolo refractrio para aumentar a eficincia trmica. Os gases quentes, j um pouco menos quentes, saiam da extremidade da caldeira e eram encaminhados para baixo, atravs das condutas de tijolo que eram parte da estrutura da caldeira, transferindo o calor atravs da parte inferior da carcaa. Na parte frontal da caldeira o gs quente era dividido em dois sectores que passavam nas partes laterais da carcaa da caldeira. Isto conseguia-se atravs de duas condutas localizadas ao longo paredes laterais da caldeira feitas na estrutura de tijolo. Estas duas condutas laterais encontravam-se na parte traseira da caldeira e desenbocavam na chamin. 8</p> <p>Todas estas passagens eram uma tentativa de extrair a quantidade mxima de energia dos gases quentes produzidos antes de estes serem lanados para a atmosfera. O caudal de gs, aps a terceira passagem, passava pelo economisador em direco chamin. O economisador aquecia a gua de alimentao o que resultava num aumento da eficincia termica. Havia caldeiras Lancashire de vrias dimenses: As mais pequenas tinham uma carcaa de 5.5 m de comprimento por 2 m de dimetro. A maior tinha cerca de 10 m de comprimento por 3 m de dimetro. A capacidade de evaporao da caldeira depende da sua configurao, do tipo de combustvel, de fornalha e da qualidade do combustvel. Nas caldeiras Lancashire de maiores dimenses era possvel obter uma evaporao de cerca de 6 500 kg de vapor/h. Nas mais pequenas a evaporao era cerca de 1 500 - 2 000 kg de vapor/ h. A caldeira Lancashire podia operar a uma presso de cerca de 17 bar m. Havia um grande volume de gua e consequentemente uma grande quantidade de energia acumulada e portanto podia facilmente fazer face a necessidades sbitas de vapor (tais como arranque e paragem de motores a vapor). Este grande volume de gua facilitava o controlo de nvel e a qualidade da gua no sendo to crtico como nas caldeiras modernas. Uma das desvantagens da caldeira Lancashire era que o repetido aquecimento e arrefecimento da caldeira com a consequente expanso e contraco, danificava a estrutura de tijolo e as condutas. Isto resultava na infiltrao de ar que perturbava o funcionamento da fornalha. Actualmente seriam muito dispendiosas de produzir devido s grandes quantidades de material, espao e trabalho necessrio para construir a estrutura de tijolo. A introduo da caldeira flamo tubular horizontal de vrios tubos (mais pequena e mais eficiente) provocou o desaparecimento da caldeira Lancashire.</p> <p>9</p> <p>Caldeira econmica</p> <p>Foi uma evoluo da caldeira Lancashire. Era composta por uma carcaa exterior cilindrica que continha dois tubos de grandes dimenses, onde se localizavam as fornalhas. Os gases quentes saiam das fornalhas na parte traseira da caldeira para a estrutura de tijolo (parte seca) e eram desviados por tubos de pequeno dimetro localizados por cima dos tubos fornalha. Estes tubos estreitos representavam uma grande superfcie de aquecimento da gua. Os gases saiam da caldeira pela parte da frente e com o auxlio de um ventilador eram introduzidos na chamin. A caldeira econmica de duas passagens tinha apenas cerca de metade do tamanho de uma caldeira Lancashire equivalente e possuia uma eficincia trmica superior.</p> <p>Segunda passagem Chamin</p> <p>Tubo fornalha</p> <p>Primeira passagem</p> <p>Cmara de reverso seca</p> <p>Fig. 4 Caldeira econmica de duas passagens A caldeira econmica de duas passagens apresentava-se geralmente em dois tamanhos: cerca de 3 m de comprimento e 1.7 m de dimetro e 7 m de comprimento por 4 m de dimetro. A evaporao variava entre aproximadamente 1 000 kg / h de vapor e 15 000 kg / h de vapor. O aperfeioamento da caldeira econmica deu origem caldeira de trs passagens que o modelo que se utiliza actualmente. A Figura 5 mostra uma caldeira de trs passagens. 10</p> <p>Terceira passagem</p> <p>Chamin</p> <p>Segunda passagem Cmara de reverso submersa</p> <p>Tubo fornalha</p> <p>Primeira passagem</p> <p>Fig. 5 Caldeira econmica de trs passagens A Tabela 1 apresenta os valores tpicos da transferncia de calor numa caldeira econmica de trs passagens com cmara de reverso submersa na rectaguarda Tabela 1 Transferncia de calor numa caldeira de trs passagens com cmara de reverso submersa1 passagem 2 passagem 3 passagem rea de tubos 11 m 43 m 46 m Temperatura 1600C 400C 350C Proporo da rea total de transferncia 65% 25% 10%</p> <p>11</p> <p>Tubos da 2 passagem</p> <p>Cmara da rectaguarda</p> <p>Tubos da 3 passagem Tubo fornalha</p> <p>Fig. 6 Uma caldeira compacta tpica Caldeira compacta As melhorias nos materiais e nos processos de fabrico permitiram a acomodao de mais tubos dentro da...</p>