Caldeiras NR13: Funcionamento, Classificação e Aplicações do Vapor de Água

Caldeiras NR13 Caldeiras a vapor são equipamentos destinados a produzir e acumular vapor sob pressão superior à atmosférica utilizando qualquer fonte de energia excetuandose os refervedores e equipamentos similares utilizados em unidades de processo POR QUE gerar vapor dágua Vapor de água é usado como meio de geração transporte e utilização de energia desde os primórdios do desenvolvimento industrial 1 Substância mais abundante da terra 2 Vapor tem alto conteúdo de energia por unidade de massa e volume 3 Ampla faixa de pressão 4 Não inflamável 5 Estabilidade térmica 6 Baixa viscosidade 7 Atóxico Aplicações Energia elétrica Geração de trabalho Aquecimento de carga Beneficiamento POR QUE gerar vapor dágua Toda indústria de processo químico tem vapor como principal fonte de aquecimento reatores químicos trocadores de calor evaporadores secadores e inúmeros processos e equipamentos térmicos Classificação Classes de pressão Grau de automação Tipo de energia empregada Tipo de troca térmica Classe de pressão P 1960kPa Categoria A P 588 kPa Vinterno 100 litros Categoria C Não se enquadra em nenhuma das anteriores Categoria B Grau de automação Automação Manuais Automáticas Semiautomáticas Tipo de energia Combustível sólido líquido ou gasoso Elétricas Caldeiras de recuperação Tipo de troca térmica Tipos de Caldeiras Atualmente podemos classificar as caldeiras em dois tipos básicos flamotubulares onde os gases de combustão circulam por dentro de tubos vaporizando a água que fica por fora dos mesmos e aquatubulares onde os gases circulam por fora dos tubos e a vaporização da água se dá dentro dos mesmos Caldeiras flamotubulares Baixo rendimento térmico Maior espaço ocupado Ideal para processos menores Simples construção O rendimento térmico da caldeira flamotubular é normalmente mais baixo e o espaço ocupado por ela é proporcionalmente maior embora atualmente já existam modelos compactos desse tipo de caldeira Vantagens e Desvantagens das caldeiras flamotubular VANTAGENS Custo de aquisição mais baixo Facilidade de manutenção Exigem pouca alvenaria Dispensam tratamento rigoroso da água de alimentação DESVANTAGENS Baixo rendimento térmico Partida lenta devido a grande quantidade de água Pressão limitada a 18 Kg cm2 Apresentam dificuldades para instalação de economizador superaquecedor e pré aquecedor Partes de uma caldeira flamotubular Partes de uma caldeira flamotubular Caldeiras flamotubulares verticais Verticais Os tubos são colocados verticalmente num corpo cilíndrico fechado nas extremidades por placas chamadas espelhos A fornalha interna fica no corpo cilíndrico logo abaixo do espelho inferior Os gases de combustão sobem através dos tubos aquecendo e vaporizando a água que está em volta deles Caldeiras flamotubulares verticais As fornalhas externas são utilizadas principalmente no aproveitamento da queima de combustíveis de baixo poder calorífico tais como serragem palha casca de café e de amendoim óleo combustível Caldeiras flamotubulares verticais Caldeiras flamotubulares Horizontais Horizontais Abrangem vários modelos de grande volume de água até as modernas unidades compactas As principais caldeiras horizontais apresentam tubulões internos nos quais ocorre a combustão e através dos quais passam os gases quentes Podem ter de 1 a 4 tubulões por fornalha FLAMOTUBULAR HORIZONTAL Lancaster é de construção idêntica à anterior porém tecnicamente mais evoluída É constituída de dois a quatro tubulões internos Cornuália É constituída de um tubulão horizontal ligando a fornalha ao local de saída de gases Funcionamento simples Rendimento Baixo CALDEIRA HORIZONTAL FLAMOTUBULAR HORIZONTAL Multitubular A queima de combustível é efetuada em uma fornalha externa geralmente construída em alvenaria instalada abaixo do corpo cilíndrico A maior vantagem é poder queimar qualquer tipo de combustível CALDEIRA ESCOCESA FLAMOTUBULAR HORIZONTAL Locomóvel Apresenta uma dupla parede em chapa na fornalha pela qual a água circula Fácil transferência de Local Pode produzir energia elétrica Utilizada em Serrarias e em Campos de Petróleo Escocesa O modelo de caldeira industrial mais difundido no mundo É destinada à queima de óleo ou gás Criada basicamente para uso marítimo Caldeira locomóvel httpswwwyoutubecomwatchvGvGLXVMiIb0 Aquatubulares Cadeiras aquatubulares Maior Rendimento Maior produção de Vapor Maior Superfície de Aquecimento São aquelas em que os gases quentes envolvem os tubos que possuem água em seus interiores Quanto à energia empregada para o aquecimento 1 sólidos carvão lenha cavacos bagaços etc 2 líquidos óleos combustíveis principalmente 3 gasosos GLP GN AQUTUBULARES DE TUBO RETO Consistem de um feixe tubular de transmissão de calor com uma série de tubos retos e paralelos interligados a uma câmara coletora Essas câmaras comunicamse com os tubulões de vapor superiores formando um circuito fechado por onde circula a água AQUTUBULARES DE TUBO CURVO Não apresentam limites de capacidade de produção de vapor A forma construtiva foi idealizada por Stirling interligando os tubos curvos aos tubulões por meio de solda ou mandrilagem Esta caldeira pode ter de três a cinco o que confere a este tipo de gerador de vapor maior capacidade de produção AQUTUBULARES DE TUBO CURVO Com o objetivo de aproveitar melhor o calor irradiado na fornalha reduziuse o número e o diâmetro dos tubos e acrescentouse uma parede de água em volta da fornalha Isso serviu como meio de proteção do material refratário com o qual a parede da fornalha é construída além de aumentar a capacidade de produção de vapor Tubulão inferior Ou tambor de Lama Localizado na parte mais inferior da caldeira deve estar sempre cheio de água Todas as impurezas que entram junto com a água de alimentação como ferrugem e lama surgida com o tratamento químico da água armazenamse neste tambor as quais serão retiradas em intervalos de tempo através de descargas de fundo Tubulão inferior Tubulão superior É um corpo cilíndrico contendo em seu interior água e vapor formado pela troca térmica entre os gases da combustão e a água em circulação na caldeira Sua principal função é separar a água do vapor ambos saturados Estes tubos contém conexões para visores de nível válvulas de segurança instrumentos de indicação e controle além de tubos de ligação com superaquecedor de vapor Tubulão Superior Tubulão Superior Feixe Tubular São os tubos que interligam o tambor de vapor ao tambor de lama servido para absorver a maior parte do calor liberado na combustão e promover a circulação da água com o vapor gerado subindo até o tambor de vapor onde ocorre a separação Aquatubulares Aquatubulares Parede de água Nas caldeiras a fornalha a parede dágua é formada por tubos que estão em contato direto com as chamas e os gases permitindo maior taxa de absorção de calor por radiação O resfriamento da fornalha é feito através do fluxo de água que circula pelos tubos que formam as paredes A água do tubulão superior desce para o tubulão inferior sendo os resíduos sólidos da evaporação conduzidos por gravidade para o tubulão inferior e qualquer vapor gerado sobe para o tubulão superior Aquatubulares Parede de água Nas caldeiras a fornalha a parede dágua é formada por tubos que estão em contato direto com as chamas e os gases permitindo maior taxa de absorção de calor por radiação O resfriamento da fornalha é feito através do fluxo de água que circula pelos tubos que formam as paredes A água do tubulão superior desce para o tubulão inferior sendo os resíduos sólidos da evaporação conduzidos por gravidade para o tubulão inferior e qualquer vapor gerado sobe para o tubulão superior Aquatubulares Dependente quando fazem parte da própria caldeira Independente quando são separados da caldeira ou seja possuem fornalha própria Superaquecedor São equipamentos destinados a superaquecerem o vapor saturado através de tubos de aço em forma de serpentina que aproveitam os gases de combustão para dar o devido aquecimento ao vapor saturado transformandoo em vapor superaquecido O diâmetro varia conforme a capacidade da caldeira Quanto aos tubos os mesmos podem ser classificados em lisos ou aletados Aquatubulares Cuidados com os Superaquecedores Por não conterem água no início do funcionamento os mesmos correm o risco de terem seus tubos queimados Fazer circular vapor de uma outra caldeira Encher de água os tubos do superaquecedor caso não haja outra caldeira Equipamentos auxiliares ECONOMIZADOR Tem a finalidade de aquecer a água de alimentação da caldeira Existem vários tipos de economizadores e na sua construção podem ser empregados tubos de aço maleável ou tubos de aço fundido com aletas vaporização mais rápida regularização da carga térmica pois não é necessário o aumento de combustível para compensar a entrada de água fria aumenta o rendimento termodinâmico do equipamento pois é aproveitado o calor residual dos gases de combustão Equipamentos auxiliares PRÉAQUECEDOR DE AR É um trocador de calor que eleva a temperatura do ar antes que este entre na fornalha O calor é cedido pelos gases residuais quentes ou pelo vapor da própria caldeira Equipamentos auxiliares SOPRADOR DE FULIGEM Permitem uma distribuição rotativa de um jato de vapor no interior da caldeira e tem por finalidade fazer a remoção da fuligem e depósitos formados na superfície externa da zona de convecção das caldeiras Equipamentos auxiliares SOPRADOR DE FULIGEM Permitem uma distribuição rotativa de um jato de vapor no interior da caldeira e tem por finalidade fazer a remoção da fuligem e depósitos formados na superfície externa da zona de convecção das caldeiras Equipamentos auxiliares INDICADORES DE NÍVEL Os indicadores de nível tem por objetivo indicar o nível de água dentro do tubulão de evaporação Em geral são constituídos por um vidro tubular Vantagens das caldeiras tubo de água Vantagens das Caldeiras Tubo de Água Redução do tamanho da caldeira Vaporização específica maior sendo de 28 30 Kg de vaporm2 à 50 Kg de vaporm2 para as caldeiras com tiragem forçada Fácil a sua manutenção e limpeza Rápida entrada em regime Fácil inspeção nos componentes EXPLOSÕES Riscos de explosões pode ser originado pela combinação de 3 fatores 1 Diminuição da resistência que pode ser decorrente do superaquecimento ou da modificação da estrutura do material 2 Diminuição da espessura corrosão ou erosão 3 Aumento da pressão decorrente de falhas diversas que podem ser operacionais ou não CALDEIRAS ELÉTRICAS É um equipamento cujo papel principal é transformar energia elétrica em térmica para transferila a um fluído apropriado geralmente água e transformandoo em vapor CALDEIRAS ELÉTRICAS Com resistência é destinada geralmente à produção de vapor em pequenas quantidades CALDEIRAS ELÉTRICAS De eletrodos submersos é geralmente destinada a trabalhar com pressões de vapor não muito elevadas aproximadamente 15kgfcm² Fontes de energia Existem caldeiras que empregam como elemento de fornecimento de energia gases quentes resultantes de outros processos que liberam calor Caldeiras de recuperação funcionam à semelhança de trocadores de calor com a peculiaridade de que um dos lados o da água muda de fase Nas usinas nucleares os reatores são utilizados basicamente para a produção de energia elétrica por meio da movimentação de turbinas a vapor O calor gerado pela fissão do urânio é transmitido à água mediante circuitos fechados gerando assim o vapor que é utilizado em circuitos secundários à semelhança de caldeiras e turbinas convencionais sugerindo desse modo a denominação de caldeiras nucleares Caldeiras a Combustível Sólido a Carvão mineral usado principalmente em grandes termoelétricas ¾ do carvão consumido nos Estados Unidos é usado na produção de vapor para geração de energia elétrica b Carvão vegetal e lenha atualmente em desuso devido elevação do custo e falta de matéria prima c Bagaço de cana usado nas indústrias de açúcar e álcool aproveitando o resto da moagem da cana de açúcar como combustível O vapor produzido é usado nas máquinas da usina geradores e aquecedores Caldeiras a Combustível Líquidos Nos combustíveis líquidos temos o óleo crú o fueloil e o óleo diesel como os mais largamente empregados nas mais variadas capacidades de carga de cada caldeira O óleo crú e o fueloil necessitam de préaquecimento para uma viscosidade adequada fins melhor pulverização e queima Normalmente o óleo diesel é usado em pequenas instalações principalmente por não necessitar de aquecimento Por esta razão algumas vezes é usado em grandes instalações onde o rigor do frio do clima local exige um investimento muito alto na instalação de um sistema de aquecimento Entretanto o alto preço do óleo diesel vem tornando esta caldeira incompatível com o custobenefício Comparação entre combustíveis Óleo combustível Gera mais CO2 Gera fuligem que ajuda na reradiação Deve ajustar viscosidade Gás natural Libera mais energia moléculas de H Maior velocidade menor massa específica Não é necessário vapor de nebulização Carvão Libera menos CO2 Mais impurezas Caldeiras de Recuperação São caldeiras que não usam nenhum combustível como fonte de aquecimento Essas caldeiras não possuem fornalha portanto aproveitam o calor da descarga dos gases da combustão de um motor diesel ou de uma turbina a gás para a geração de vapor o qual é utilizado para aquecimento ou para geração de energia elétrica TRATAMENTO DE ÁGUA PARA AS CALDEIRAS Eliminação da dureza Precipitação com fosfatos Tratamento com quelatos Controle do pH e da alcalinidade Eliminação do oxigênio dissolvido Controle do teor de cloretos e sólidos totais TRATAMENTO DE ÁGUA PARA AS CALDEIRAS Clarificação O processo consiste na previa floculação decantação e filtração da água com vistas a reduzir a presença de sólidos em suspensão Abrandamento Consiste na remoção total ou parcial dos sais de cálcio e magnésio presentes na água ou seja consiste na redução de sua dureza TRATAMENTO DE ÁGUA PARA AS CALDEIRAS Desmineralização ou troca iônica Desgazeificação São empregados equipamentos especiais que aquecem a água e desta forma são eliminados os gases dissolvidos Pode ser utilizado vapor direto para o aquecimento da água a ser desgazeificada TRATAMENTO DE ÁGUA PARA AS CALDEIRAS Remoção de sílica A sílica produz uma incrustação muito dura e muito perigosa Os tratamentos normalmente empregados no interior da caldeira não eliminam a sílica Os métodos mais usados para essa finalidade são a troca e tratamento com óxido de magnésio calcinado Métodos internos Os tratamentos internos se baseiam na eliminação da dureza ao controle do pH e da sua alcalinidade na eliminação do oxigênio dissolvido e no controle dos cloretos e do teor total de sólidos TRATAMENTO DE ÁGUA PARA AS CALDEIRAS Controle de pH 80 80 100 100 corrosão Faixa recomendada Incrustação Reação de sequestro de O2 𝑁2𝐻4 𝑂2 𝑁2 2𝐻2𝑂 TRATAMENTO DE ÁGUA PARA AS CALDEIRAS Água desminerali zada Pré aquecedor Desaerador Adição de produtos químicos Caldeira MANUNTENÇÃO DAS CALDEIRAS Todo tratamento para obter bons resultados depende de um controle eficiente e sistemático quer dos parâmetros químicos e físicos como de certas operações e procedimentos Controle químico Limpeza química das caldeiras Proteção de caldeiras contra corrosões MANUNTENÇÃO DAS CALDEIRAS Corrosão interna Oxidação generalizada do ferro Corrosão galvânica Corrosão por aeração diferencial Corrosão salina Fragilidade cáustica Corrosão por gases dissolvidos MANUNTENÇÃO DAS CALDEIRAS Corrosão externa Esse tipo de corrosão acontece nas superfícies expostas aos gases de combustão e é função do combustível utilizado e das temperaturas Nas caldeiras aquatubulares as superfícies de aquecimento mais quente são aquelas do superaquecedor