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7d-InstalacoesCaldeira

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de ar na fornalha e a saída dos gases quentes ao longo dos dutos. O
revestimento é mantido por uma estrutura construída com perfis de aço.
Todo o sistema de tubos e coletor superior é mantido por uma estrutura (14) formada
por colunas e vigas transversais, que suporta a caldeira e transmite o peso à fundação.
3. HISTÓRICO DA EVOLUÇÃO NA ESTRUTURA DAS CALDEIRAS
Do ponto de vista histórico, o desenvolvimento das caldeiras caminha no sentido de
aumentar a produção e os parâmetros do vapor produzido (pressão e temperatura), a
confiabilidade e segurança de operação, o rendimento térmico e reduzir a massa da estrutura
metálica (redução de custo). Esses objetivos são alcançados pelo aumento da superfície de
aquecimento e pela instalação do coletor superior fora da zona de aquecimento.
O ancestral de todas as caldeiras modernas foi a caldeira cilíndrica simples, constando
de um depósito cilíndrico horizontal (tambor) aquecido por uma fornalha (figura 2). As paredes
do depósito servem de superfície de aquecimento. O desenvolvimento tecnológico conseguiu
o aumento da superfície de aquecimento de dois modos:
1 - Introdução de tubos dentro do volume do tambor, utilizando tubos grandes como
fornalha (caldeiras de tubos de chama) e tubos pequenos para passar os produtos da combustão
(caldeiras de tubos de fumaça, flamotubulares, fogotubulares ou pirotubulares).
2 - Introdução de superfícies tubulares exteriores ao tambor, que funcionam como
vaporizadores de água (caldeiras de tubos de água ou aquatubulares).
Figura 2. Desenvolvimento Tecnológico das Caldeiras da Vapor.
A adição das superfícies de aquecimento, e a redução do diâmetro do tubos dessas
superfícies conduziu paulatinamente ao crescimento da superfície específica de aquecimento
(m2/m3 do volume dos dutos de gases) e ao aumento da relação da superfície de aquecimento
pelo volume do tambor.
Nas caldeiras aquatubulares, a circulação do fluido através do feixe vaporizador é
assegurado pela ascensão da mistura água-vapor, deslocada pela água sem bolhas de vapor que
desce do tambor pelos tubos de descida. Para evitar a evaporação da água nos tubos de
descida, aumentou-se o seu diâmetro (figura 2b) e diminuindo-se o seu aquecimento,
colocando-os fora da zona de altas temperaturas (figura 2c). Mais tarde os tubos de descida
foram colocados fora do revestimento da caldeira (figura 1).
A utilização dos tubos verticais no feixe de vaporização (figura 2c) elevou a
confiabilidade de circulação da mistura água-vapor. Essas caldeiras são chamadas caldeiras de
tubos verticais de água. Posteriormente aos tubos verticais, foram utilizadas as paredes da
fornalha como superfície vaporizadora. Apareceram as superfícies de aquecimento em forma
de painéis.
Nas caldeiras de alta pressão, em vez de depósitos inferiores como coletores (figuras
1, 2c), são utilizadas câmaras cilíndricas de diâmetro relativamente pequeno, que unem os
tubos das paredes de aquecimento e são elementos de transição entre esses e os tubos de
descida.
Progressivamente o tambor superior deixou de funcionar como superfície de
aquecimento, e a fim de aumentar a confiabilidade de funcionamento da caldeira, passou a se
situar fora da zona de aquecimento (figura 1).
A necessidade de superaquecer o vapor surgiu no século XIX, e para isso foram
instaladas superfícies especiais chamadas superaquecedores de vapor. Nesse desenvolvimento
tecnológico, chegou-se no início do século XX à caldeira de tubos de água verticais e tambor
superior, com circulação natural múltipla e com fornalha de paredes de tubos de água.
Nas caldeiras de alta pressão, utiliza-se uma bomba para assegurar uma circulação
forçada da água e da mistura água-vapor, de modo a aumentar a confiabilidade de
funcionamento. São as caldeiras de circulação forçada múltipla.
Modernamente desenvolveram-se as caldeiras de passe único, sem recirculação, com
circulação forçada e contínua (com ajuda de bomba de circulação) da água, da mistura de
água-vapor e do vapor superaquecido. Essas caldeiras não possuem tambor. Nesse princípio
também funcionam as caldeiras de aquecimento de água, sem superfícies de evaporação e de
superaquecimento. Os principais esquemas de circulação do fluxo de água, mistura vapor-água
e vapor nas caldeiras modernas são mostrados na figura 3.
A fornalha e os dutos de gases da maioria das caldeira operam a uma pressão inferior
à atmosférica. Essa pressão negativa impede que os produtos da combustão saiam para a casa
de caldeiras através das juntas do revestimento, das portas e escotilhas. Ultimamente tem sido
construídas caldeiras estanques ao gás, que utilizam um ventilador de tiragem forçada (13),
e funcionam com pressão positiva na fornalha.
Figura 3. Circulação de Água e vapor nas Caldeiras.
As caldeiras energéticas alimentam turbinas a vapor, e freqüentemente possuem um
superaquecedor de vapor adicional, chamado reaquecedor de vapor intermediário, que serve
para reaquecer o vapor retirado na tomada intermediária da turbina, a fim de elevar a sua
potência.
As maiores caldeiras fabricadas atualmente são as energéticas. Sua produção de vapor
alcança 4000 t/h, pressões de até 250 kgf/cm² e temperatura do vapor superaquecido de até
600°C, alimentado turbinas de potência acima de 1200 MW.
4. SUPERFÍCIES DE AQUECIMENTO DA CALDEIRA
Superfícies vaporizadoras
As superfícies de geração de vapor (vaporizadoras) por aquecimento, diferem em cada
tipo de caldeira. Normalmente as caldeiras possuem as paredes da fornalha compostas por
paineis (cortinas) de tubos, que absorvem calor por radiação, e um feixe convectivo, instalado
Figura 4. Posicionamento das Superfícies
Vaporizadoras de uma Caldeira com Coletor.
à saída da fornalha.
Nas caldeiras de circulação natural, os
painéis são fabricados com tubos lisos (paneis
de tubos lisos) de diâmetro interior de
40-60mm. Os paineis possuem uma série de
tubos elevadores verticais, conectados em
paralelo através de coletores (figura 4).
Normalmente a folga entre os tubos é de
4-6mm. Certos tubos do painel são instalados
diretamente no tambor da caldeira, sem
coletores superiores especiais. Cada painel,
juntamente com os tubos de descida
(montados fora do revestimento da fornalha),
formam um circuito independente de
circulação de água.
Na seção de saída dos gases da
fornalha, os tubos do painel se afastam
formando 2 ou 3 filas. Essa derivação dos
tubos se chama retentor de escórias, e visa dar
passagem aos gases, reduzir sua velocidade, e
prevenir o entupimento das folgas entre os
tubos pela solidificação das cinzas líquidas
Figura 5. Fornalha Dupla.
arrastadas pelos gases da fornalha.
Nos geradores de vapor de grande
potência, além dos paineis das paredes, são
instalados paineis adicionais que dividem a
fornalha em seções separadas (figura 5). Esses
paneis recebem radiação das chamas por ambos
os lados, e absorvem 2 vezes mais calor que os
paineis das paredes, aumentando a quantidade de
calor absorvido e permitindo diminuir as
dimensões da fornalha.
O projeto da superfície de absorção de radiação da fornalha (m2) é calculado através
de diversos métodos apresentados na literatura [2].
O cálculo da superfície de aquecimento do feixe convectivo (bem como a do
superaquecedor de vapor, do economizador e preaquecedor tubular de ar) é baseado nas
equações de transmissão de calor e no balanço térmico. A fórmula para transmissão de calor
por convecção pode ser escrita sob forma da Lei de Newton para o resfriamento:
onde U é o coeficiente global de transmissão de calor, t a diferença de temperatura média
logarítmica entre os produtos da combustão e o fluido motor, Q a quantidade de calor recebida
pela superfície de aquecimento (kJ/kg de combustível).
O valor de Q é dado por:
Q = H' - H" - Q5c + Qsuc
onde H' e H" são as entalpias dos produtos da combustão antes e depois da superfície de
aquecimento por convecção examinada, Q5c a perda de energia devido à dissipação térmica
para o meio ambiente na seção examinada, e Qsuc o calor introduzido pelo ar succionado no
duto.
O