ANEXO I- Geradores de Vapor, Notas de estudo de Mecatrônica

Baixe ANEXO I- Geradores de Vapor e outras Notas de estudo em PDF para Mecatrônica, somente na Docsity!

ANEXO I

GERADORES DE VAPOR (Caldeiras)

1. Introdução

1.1. Definição

Gerador de vapor é um trocador de calor complexo que produz vapor de água sob pressões superiores a atmosférica a partir da energia térmica de um combustível e de um elemento comburente, ar, estando constituído por diversos equipamentos associados e perfeitamente integrados para permitir a obtenção do maior rendimento térmico possível, sendo que esta definição abrange todos os tipos de geradores de vapor, sejam os que vaporizam água, mercúrio, vapor de óxido de difenil – vapor de água ou fluidos de alta temperatura, bem como as unidades mais simples de geradores de vapor, comumente denominadas de caldeiras de vapor (Torreira, 1995). Pêra (1990), apresenta definição similar, mas comenta que nem sempre a fonte produtora de calor é um combustível, podendo ser aproveitados calores residuais de processos industriais, escapes de motores Diesel ou de turbinas a gás, dando ao equipamento a denominação de caldeira de recuperação. Dantas (1988), definiu um gerador de vapor como vasos de pressão onde a água é alimentada, continuamente e pela aplicação de uma fonte de calor, ela se transforma em vapor.

1.2. Breve histórico

1.2.1. História do Vapor (CHD Válvulas)

Não é de hoje que o homem percebeu que o vapor podia fazer as coisas se movimentarem. No primeiro século da era cristã, portanto há mais de 1900 anos, um estudioso chamado Heron de Alexandria, construiu uma espécie de turbina a vapor, chamada eolípila. Nesse engenho, enchia-se uma esfera de metal com água que produzia vapor que se expandia e fazia a esfera girar quando saía através de dois bicos, colocados em posições diametralmente opostas. Todavia, embora isso movimentasse a esfera, nenhum trabalho útil era produzido por esse movimento e o sábio não conseguiu ver nenhuma utilidade prática para seu invento.

Figura 1. Ilustração da turbina a vapor de Heron de Alexandria (eolípila)

introd tornou movim rodas

Boult

por R tornou locom

desen peso/p conde

· turbi · moto · gera · por m

depen

Em 1782, duzido de amb u possível pre mento rotativo de carroças o

No fim do on forneciam O aparecim Richard Trevit u se a base pa motivas, barco A máquin nvolvimento s potência. O a enaram pouco

1.2.2. O v

No século inas a vapor, p ores de combu dores para fon motores elétri

Mesmo as ndendo do tipo

, ele projetou bos os lados d ender o êmbolo o e permitiu q ou pás para mo

Fig

o século XVII energia para f mento das cal thick na Ingla ara a revoluçã s fluviais e, de na a vapor to se deu no e advento da en a pouco, nos

apor no sécu

XX, a máquin para a geração ustão interna p ntes portáteis cos, para uso

ssim, o vapor o de indústria

u e patenteou do pistão de m o do pistão a u que essa máqu ovimentar nav

gura 3. Maqu

II, as máquina fábricas, moin ldeiras, que po aterra e por O ão dos transpo epois, navios. ornou-se a pri esforço de m nergia elétrica países mais in

lo XXI (CHD

na a vapor, co o de energia para transporte de energia; industrial e d

r ainda hoje te e da região on

u a máquina modo a produz uma manivela uina pudesse vios em rios.

uina Rotativa

as a vapor pro nhos e bomba odiam operar Oliver Evans n ortes uma vez

incipal fonte melhorar seu a e do motor ndustrializado

D Válvulas)

omo fornecedo elétrica; e;

doméstico.

em extensa ap nde está instal

rotativa de a zir um movim a ou um conju ser usada par

a de Ação Du

oduzidas por W s na Europa e com altas pre nos Estados U z que elas pod

produtora de rendimento, de combustão os, a máquina

ora de energia

plicação indu lada.

ação dupla na mento para cim unto de engren ra impulsionar

upla

Watt e seu com na América. essões e que f Unidos, no iní diam ser usad

e trabalho do , a confiabil o interna no s a vapor ao qu

a foi sendo sub

ustrial, nas ma

a qual o vap ma e para baix nagens para pr r mecanismos

mpanheiro M

foram desenvo ício do século as para movim

o século XIX lidade e a r século XX, to uase esquecim

bstituída por:

ais diversas fo

por era o. Isso roduzir s, girar

atthew

olvidas o XIX, mentar

e seu relação odavia, mento.

formas,

O vapor produzido em um gerador de vapor pode ser usado de diversas formas: · em processos de fabricação e beneficiamento; · na geração de energia elétrica; · na geração de trabalho mecânico; · no aquecimento de linhas e reservatórios de óleo combustível; · na prestação de serviços.

Nos processos de fabricação e de beneficiamento, o vapor é empregado em:

• Indústria de bebidas e conexos: nas lavadoras de garrafas, tanques de xarope, pasteurizadoras.
• Indústrias madeireiras: no cozimento de toras, secagem de tábuas ou lâminas em estufas, em prensas para compensados.
• Indústria de papel e celulose: no cozimento de madeira nos digestores, na secagem com cilindros rotativos, na secagem de cola, na fabricação de papelão corrugado.
• Curtumes: no aquecimento de tanques de água, secagem de couros, estufas, prensas, prensas a vácuo.
• Indústrias de laticínios: na pasteurização, na esterilização de recipientes, na fabricação de creme de leite, no aquecimento de tanques de água, na produção de queijos, iogurtes e requeijões (fermentação).
• Frigoríficos: nas estufas para cozimento, nos digestores, nas prensas para extração de óleo.
• Indústria de doces em geral: no aquecimento do tanque de glicose, no cozimento de massa em panelas sob pressão, em mesas para o preparo de massa, em estufas.
• Indústria de vulcanização e recauchutagem: na vulcanização, nas prensas.
• Indústrias químicas: nas autoclaves, nos tanques de armazenamento, nos reatores, nos vasos de pressão, nos trocadores de calor.
• Indústria têxtil: utiliza vapor no aquecimento de grandes quantidades de água para alvejar e tingir tecidos, bem como para realizar a secagem em estufas.
• Indústria de petróleo e seus derivados: nos refervedores, nos trocadores de calor, nas torres de fracionamento e destilação, nos fornos, nos vasos de pressão, nos reatores e turbinas.
• Indústria metalúrgica: nos banhos químicos, na secagem e pintura.

A geração de energia elétrica através de vapor é obtida nas usinas termoelétricas e outros pólos industriais. Para isso, os equipamentos são compostos basicamente de um gerador de vapor superaquecido, uma turbina, um gerador elétrico e um condensador. O vapor é também utilizado para a movimentação de equipamentos rotativos, na geração de trabalhos mecânicos. Nas indústrias onde é usado “óleo combustível pesado”, é necessário o aquecimento das tubulações e reservatórios de óleo, a fim de que ele possa fluir livremente e proporcionar uma boa combustão. Isso é feito por meio dos geradores de vapor. Além desses usos industriais, os hospitais, as indústrias de refeições, os hotéis e similares utilizam o vapor em suas lavanderias e cozinhas e no aquecimento de ambientes.

divide

combu vapor

caldei conse

tubos rendim

maior princí invert muito

é aqu mais p até qu

mais i e assim

2.2. Tipos

A classific e-as em: flam As caldeir ustão (gases rizada como il

F

Ao se acom iras flamotub eqüência uma b Embora e que se coloca mento térmico Com a ev r rendimento, ípios da transf teram a forma o a superfície d Seu princí ecido, as prim pesadas, desc ue a água entre Na ilustraç interna, subin m sucessivam

s de caldeiras

cação mais u otubulares, a ras flamotub quentes) circu lustrado na Fig

Figura 4. Rep

mpanhar o pro bulares primit baixa vaporiz ssa capacidad assem dentro o e a demora n volução dos p , menos cons ferência de ca a de geração d de aquecimen ípio de funcio meiras partícu cem. Receben e em ebulição ção a seguir, p do ao tambor mente.

s

sual de calde aquatubulare ulares ou fog ulam no inter gura 4.

presentação e

ocesso evoluti tivas a supe zação específic de tenha sido da caldeira, e na produção d processos ind sumo, rápida alor e na expe de calor: troc to, surgindo a onamento base ulas aquecidas do calor, elas o. podemos notar de vapor, dan

eiras de comb es e mistas. gotubulares s rior dos tubo

esquemática d

ivo por que pa rfície de aqu ca (12 a 14kg ampliada co essa superfície de vapor. dustriais, aum geração e g eriência com caram os tubo a caldeira aqu eia-se no princ s ficam mais l s tornam a sub

r que a água é ndo lugar a no

bustão refere-s

ão aquelas em s, ficando po

da Caldeira F

assaram os ge uecimento er de vapor gera om o aumento e ainda contin

entou muito grandes quant os tipos de ca s de fogo por atubular. cípio da Físic leves e sobem bir, formando

é vaporizada n va quantidade

se à localizaç

m que os gas or fora a água

Flamotubular

eradores de vap ra muito peq ado/m²). o do número nuava pequena

a necessidad tidades de va aldeiras existe r tubos de águ

a que diz que m, enquanto q o assim um m

nos tubos que e de água fria

ção de água/g

ses provenien a a ser aquec

r.

apor, nota-se q quena, tendo

de tubos, po a, causando o

e de caldeira apor. Baseado entes, os fabri ua, o que aum

e quando um l que as frias, q movimento con

constituem a p que será vapo

gases e

ntes da ida ou

que nas como

r mais o baixo

as com os nos icantes mentou

líquido que são ntínuo,

parede orizada

d’águ

térmic

atrave As pa

por e caldei partic

combu pelo l

dos tu

As caldeir ua. Normalmen A caldeira ca, para transm A produçã essar qualquer artes constituin

2.2.1. Cald

O rendime la é proporci ira. Apesar d culares de cada

2.2.1.1. Ti

Caldeiras ustão (gases q ado de fora. Este tipo d ubos, que pode

Figura 5. Rep

ras mistas são nte são projeta a elétrica é u miti-la a um fl ão de vapor, e r condutor, en ntes dessas ca

deiras flamot

ento térmico d ionalmente m dessas restriçõ a processo ind

ipos de caldei

flamotubular quentes) circu

de caldeira é o em ser tubos v

presentação e

o caldeiras fl adas para a qu um equipamen luido apropria em uma calde ncontra resistê aldeiras serão e

tubulares

da caldeira fla maior, embora ões, seu emp dustrial, sendo

iras flamotub

res ou fogotu ulam no interi

o de construçã verticais ou ho

esquemática

lamotubulares ueima de comb nto cujo pape ado, geralmen eira elétrica, b ência a sua liv estudadas em

amotubular é atualmente j prego pode s o adequado pa

bulares

ubulares são ior dos tubos

ão mais simple orizontais.

da Caldeira A

s que possuem bustível sólido el principal é te água. baseia-se no fa vre circulação outros módul

normalmente já existam m er indicado d ara pequenas in

aquelas em e a água a se

es, e pode ser

Aquatubular

m uma antefo o. transformar

fato de que a c e desprende c los.

e mais baixo e modelos compa de acordo co nstalações ind

que os gase er aquecida ou

classificado q

r.

ornalha com p

energia elétri

corrente elétri calor (Efeito J

e o espaço oc actos desse ti om as necess dustriais.

es provenien u vaporizada c

quanto à distrib

parede

ica em

ica, ao Joule).

cupado ipo de sidades

tes da circula

buição

Lanca horizo gases

horizo rendim

espec

térmic fogo e

b) Caldeir

As caldeir aster, de gran ontais apresen quentes. Pode

b.1. Tipos

A caldeira ontal ligando mento muito b Suas princ ífica 12 a 14 k

A caldeira Pode ser c ca de 120 a 1 e de retorno, o

ras de tubos h

ras de tubos nde volume d ntam tubulões em ter de 1 a 4

s de caldeiras

a Cornuália, u a fornalha baixo. cipais caracte kg de vapor/m

Figura

a Lancaster é d constituída de 140m² e vapor o que apresent

horizontais

horizontais a de água, até s internos nos 4 tubulões por

s de tubos hor

um dos prime ao local de

erísticas são: m² e máximo d

a 8. Caldeira H

de construção e dois a quatro rização de 15 ta uma melhor

abrangem vár as modernas s quais ocorre r fornalha.

rizontais

eiros modelos saída de gas

pressão máxi de 100m² de su

Horizontal –

idêntica à ant o tubulões int 5 a 18 kg de v ria de rendime

rios modelos, unidades com e a combustão

s desenvolvid ses. É de fun

ima de opera uperfície.

Caldeira Cor

terior, porém t ternos e suas vapor/m². Alg ento térmico e

desde as ca mpactas. As o e através d

dos, é constitu ncionamento

ação de 10 kg

rnuália.

tecnicamente característica gumas delas a em relação às

aldeiras Cornu principais ca dos quais pass

uída de um tu simples, poré

gf/cm², vapor

mais evoluída as são: área de apresentam tub anteriores.

uália e ldeiras sam os

ubulão ém de

rização

a. e troca bos de

geralm tubos combu

uma d

energ

mais kgf/cm

Na caldei mente constru de fogo, e po ustível. Na fig

A caldeira dupla parede e Sua maior ia elétrica. É u

Fi

A caldeira difundido no m², rendiment

Figura

ira multitubul uída em alvena odem ser de u gura a seguir,

Figura 10

a locomóvel, t em chapa na fo r vantagem es usada em serr

igura 11. Cald

a escocesa, cr mundo. É d to térmico em

a 9. Caldeira H

lar, a queima aria instalada um ou dois pa temos um exe

0. Caldeira H

também do tip fornalha, pela stá no fato de rarias junto à m

deira Horizon

riada basicam destinada à qu torno de 83%

Horizontal –

a de combus abaixo do co asses. A maio emplo de cald

Horizontal – C

po multitubula qual a água ci e ser fácil a s matéria-prima

ntal – Caldei

mente para uso ueima de óleo % e taxa de vap

Caldeira Lan

stível é efetu orpo cilíndrico or vantagem é deira multitubu

Caldeira Mul

ar, tem como p ircula. sua transferên a e em campos

ira Locomóve

o marítimo, é o ou gás, ten porização de 3

ncaster.

uada em uma o. Os gases qu é poder queim ular.

ltitubular.

principal cara

ncia de local e s de petróleo.

el Multitubul

é o modelo de do ainda pres 30 a 35 kg de

a fornalha ex uentes passam mar qualquer t

acterística apre

e de poder pr

lar.

e caldeira ind ssão máxima vapor/m².

xterna, m pelos tipo de

esentar

roduzir

dustrial de 18

passan

A caixa d ndo novament

F

e fumaça é o te pelo interio

Figura 13. Co

Figura

local por ond or da caldeira

omponentes T

a 12. Feixe Tu

de os gases d (pelos tubos d

Típicos de um

ubular.

da combustão de fogo).

ma Caldeira F

fazem a reve

Flamotubular

ersão do seu t

r.

trajeto,

2.2.2. Caldeiras aquatubulares

As caldeiras flamotubulares têm o inconveniente de apresentar uma superfície de aquecimento muito pequena, mesmo se o número de tubos for aumentado. A necessidade de caldeiras de maior rendimento, rapidez de geração de grandes quantidades de vapor com níveis de pressão mais elevados levou ao surgimento da caldeira aquatubular, embora as normas brasileiras (NR-13, NBR 12177 - Caldeiras estacionárias a vapor - Inspeção de segurança e NBR 11096 - Caldeiras estacionárias aquotubulares e flamotubulares a vapor) denominem esse tipo de caldeira de “aquotubular”, por contaminação do nome da caldeira flamotubular, a palavra correta que identifica esse tipo de caldeira é aquatubular. Nesse tipo de caldeira, os tubos que, nas caldeiras flamotubulares, conduziam gases aquecidos, passaram a conduzir a água, o que aumentou muito a superfície de aquecimento, aumentando bastante a capacidade de produção de vapor. Um desenho esquemático de uma caldeira aguatubular é apresentado na figura 14.

Figura 14. Caldeira aquatubular.

2.2.2.1. Tipos de caldeiras aquatubulares

Para fins didáticos, divide-se as caldeiras aquatubulares em quatro grandes grupos:

• Caldeiras aquatubulares de tubos retos, com tubulão transversal ou longitudinal;
• Caldeiras aquatubulares de tubos curvos, com diversos tubulões transversais ou longitudinais utilizados na geração (máximo 5);
• Caldeiras aquatubulares de circulação positiva;
• Caldeiras aquatubulares compactas.

bomba

água

P

P

vapor gases de superaquecido combustão

superaquecedor vapor saturado

tubo de vaporização

tubo de alimentação

P1 > P

tubulão de água

tubulão de vapor

queimador

comustível (^) bomba

água

P

P

vapor gases de superaquecido combustão

superaquecedor vapor saturado

tubo de vaporização

tubo de alimentação

P1 > P

tubulão de água

tubulão de vapor

queimador

comustível

vapor de sol possa

calor água e o qual

a.2. Desva Necessida Baixa taxa Rigoroso p refratário)

b. Caldeir

As caldeir r. A forma con lda ou mandr ter de três a c

Partindo d irradiado na f em volta da fo l a parede da f

antagens: ade de dupla ta a de vaporizaç processo de aq .

ras aquatubu

ras aquatubula nstrutiva foi id rilagem. A fig cinco, o que co

Figura

deste modelo, fornalha, redu ornalha (figura fornalha é con

Figura 18

ampa para cad ção específica quecimento e

ulares de tubo

ares de tubos c dealizada por gura 17 aprese onfere a este t

17. Caldeira

foram projeta uziu-se o núm as 18 e 19). Is nstruída, além

8. Caldeiras a

da tubo, (espel a; de elevação d

os curvos

curvos não apr Stirling, inter enta um esqu tipo de gerado

as aquatubula

adas novas cal ero e o diâme sso serviu com m de aumentar

aquatubulare

lhos);

de carga (gran

resentam limi rligando os tub ema de calde or de vapor ma

ares de tubos

ldeiras. Com o etro dos tubos mo meio de pr a capacidade

es com pared

nde quantidade

ites de capacid bos curvos ao ira com quatr aior capacidad

curvos.

o objetivo de , e acrescento roteção do ma de produção d

es d’água.

e de material

dade de produ os tubulões po ro tubulões, e de de produçã

aproveitar me ou-se uma par aterial refratári de vapor.

ução de r meio embora ão.

elhor o rede de io com

• • • • • • • • •

ilustra equip

capac

b.1. Princ Redução d Queda da Vaporizaç as caldeira Fácil manu Rápida en Fácil inspe

b.2. Desva Controle d Controle d Altura das

c. Caldeir

Dentro da ado na figura amentos aprop Por se tra cidade de prod

Fi cipais vantage do tamanho da temperatura d ção específica as com tiragem utenção e limp ntrada em regim eção nos comp

antagens: da vazão de co da pressão; s Chaminés.

ras compacta

a categoria d a 20. Com ca priados para i atar de equip dução.

Figura

igura 19. Sent ens: a caldeira; de combustão; maior, varian m forçada; peza; me; ponentes.

ombustível;

s

das caldeiras apacidade méd instalação em pamento com

20. Desenho

tido da circu

ndo na faixa d

de tubos cur dia de produç locais com es mpacto, apres

geral de uma

lação dos gas

de 30 kg de va

rvos surgiram ção de vapor spaço físico lim senta limitaçõ

a caldeira com

ses.

apor/m² a 50 k

m as caldeiras em torno de mitado. ões quanto a

mpacta.

kg de vapor/m

s compactas, e 30 ton/h, el

ao aumento d

m^2 para

como las são

de sua

alimen mostr

1. Áre
2. Áre forma água c
3. Áre
4. Filt
5. Tub
6. Tub
7. Tub
8. Chi

C, AS

ASME

geraçã

caixa do nív

a. Tubulã

O tubulão ntação e de on ra a figura 22.

ea dos tubos d ea de tubos va a uma caixa fe contra a chica ea dos tubos d tro de tela ou bo de drenage bo distribuido bo coletor de icana

O tubulão STM A516- E SECTION I Os tubos ão de vapor, q Na descarg fechada no fu vel de água, o

ão superior ou

o superior, ou nde é retirado

de descida da á aporizantes (ri fechada no fun ana 8. do superaquec chevron. em da água ret or da água de a amostras de á

de vapor é co 0 ou A516-70) I e depende do são mandrilad que descarrega ga dos tubos d undo e nos lad corridas no tu

u Tambor de

u tambor de v o o vapor. No

Figura 2

água do feixe iser), que desc ndo e dos lad

edor, mandril

tirada no filtro alimentação; o água e da desc

onstruído com ). O dimensio o material usa dos nos tubul am a mistura á de geração de dos, destinada ubulão de vapo

Vapor

vapor é o ele interior dele

2 2. Tubulão d

tubular (down carregam a m dos, com abert

ados no tamb

o. observa-se a p arga contínua

m chapa de aço onamento da e ado na fabricaç lões e se divi água/vapor no e vapor é insta a separar a ág or.

mento da cal estão disposto

de vapor.

ncomers). mistura de vapo tura na parte

or.

posição dos fu a.

o carbono de a espessura do t ção. idem em tubo o tubulão. alada uma chi gua contida no

ldeira onde é os vários com

or e água cont superior, que

uros.

alta qualidade tubulão é feito

os de descida

cana (chapa d o tubulão e am

injetada a ág mponentes, con

tra a chicana 6 projeta o vap

e (ASTM A o baseado no c

a d’água e tub

defletora) que menizar as var

gua de nforme

6. Esta por e a

85 grau código

bos de

é uma riações

água a

chevr arrast

posici de alim

drena de alim

no tub

estão que so

remov e supe

proce

Existem e ainda contidas

Existe ain on ou filtro, adas pelo vap O tubo de ionada de mo mentação este O tubo de gem que elim mentação. Em algum bulão superior

b. Tubulã

O tubulão mandrilados t obem para o tu No tubulã ver parte da la eraquecimento A qualida sso determina

m alguns cas s no vapor.

Figur

nda no tubulão cuja finalidad por, antes de o alimentação d do a que o jat eja sempre bem e descarga co mina sólidos em

mas caldeiras p r.

ão inferior ou

inferior, ou t tanto os tubos ubulão superi ão inferior est ama e resíduo o. de do tratame am a periodici

sos uma segun

ra 23. Tubulã

o superior um de é reter a m vapor sair pa de água é por to d’água não m fixado para ontínua ou co m suspensão p

podemos ter, t

u de Água

tambor de lam s de água que or (Figura 24) tão instaladas s sólidos orig

ento de água idade das desc

nda chapa def

ão de vapor –

m conjunto co maior quantid ara o superaqu onde a água o se dirija con a não causar vi oletor é o resp prejudiciais à

também, um t

ma, também é descem do tu ). tomadas para inários do pro

de alimentaç cargas a serem

fletora, cuja f

- chapas defle

onstituído de ade possível uecedor. entra no tubul ntra a chapa do ibração e nem ponsável pela caldeira, norm

tubo de injeçã

é construído e ubulão superio

a purga ou de ocesso e que p

ção da caldeir m efetuadas.

finalidade é s

etoras.

chapas corru de partículas

lão; a furação o tubulão. É e m se soltar den a captação co malmente 1%

ão de produtos

em chapas de or quanto os tu

escarga de fun podem causar

ra e os tratam

eparar partícu

ugadas, denom sólidas ou lí

o deste tubo de essencial que ntro do tubulão onstante de ág do volume d

s químicos ins

aço carbono. ubos de vapor

ndo, utilizada corrosão, obs

mentos e análi

ulas de

minado íquidas

eve ser o tubo o. gua de da água

stalado

. Nele, rização

as para strução

ises do