1º EE - Caldeiras

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1° EE – Caldeiras e Fornos
Conceitue uma caldeira e descreva os tipos de caldeiras.
É um equipamento cuja função é a produção de vapor através do aquecimento da água para uso externo. É constituída, basicamente, por um vaso fechado sob pressão, no qual se introduz água líquida que se transforma em vapor saturado ou superaquecido ao receber calor, esta aplicação de calor pode ser realizada tanto por combustão como eletricamente.
Flamotubulares: São aquelas em que os gases provenientes da combustão (gases quentes) circulam no interior dos tubos, fornecendo calor para a água que está circulando pelo lado de fora dos tubos. Este tipo de caldeira é o mais simples.
Aquatubulares: São aquelas em que a água circula dentro dos tubos e os gases quentes originados da combustão envolvendo-os. São indicadas para aplicações em que se necessitem grandes quantidades de vapor a elevadas pressões e temperaturas, pois sua taxa de produção de vapor por área de troca de calor é bem maior do que a das caldeiras flamotubulares.
Mistas: São consideradas como caldeiras híbridas, pois possuem uma parte aquatubular e outra flamotubular.
Elétricas: O aquecimento da água, com resultante geração do vapor, é feita por meio de aquecimento (direto ou indireto) de uma resistência elétrica sobre esta. São utilizados, basicamente, dois tipos de caldeiras elétricas: caldeiras elétricas a resistores e caldeiras elétricas a eletrodos. Seu rendimento é muito alto, variando na faixa de 95 a 99,5%.
Qual a diferença entre o método direto e o indireto para a avaliação da eficiência da caldeira?
Método direto: É dada pelo quociente entre a energia produzida pela caldeira na forma de vapor e o consumo de energia do combustível. Logo, a energia transferida para o fluido de trabalho (água e vapor) é comparada com a energia contida no combustível (energia primária). Embora seja um método simples, ele não fornece informações sobre as principais perdas do sistema.
Método indireto: Consiste no cálculo da eficiência a partir da contabilização das principais perdas existentes em uma caldeira. É dada pelo quociente entre a energia útil e a energia primária (energia contida no combustível), sendo a energia útil a diferença entre a energia primária e as perdas de energia.
Descreva os principais componentes presentes numa caldeira aquatubular e cite sua função.
Fornalha: Região onde se dá a queima do combustível, gerando o gás de queima aquecido.
Tubulão de Vapor: Tambor horizontal localizado na parte superior da caldeira, onde água e vapor estão em equilíbrio na temperatura de saturação correspondente à pressão do mesmo.
Tubulão de Água: Tambor horizontal localizado na parte inferior da caldeira, normalmente com dimensões menores do que o anterior, ficando sempre cheio d´água que será transformada em vapor.
Feixe de Tubos: É formado pelos tubos que interligam os tambores de vapor e de água. A disposição do feixe de tubos em torno do forno constitui as chamadas paredes de água. Essas paredes (laterais, frontais, teto e fundo) geram um espaço vazio envolvendo a câmara de combustão.
Isolamento e Refratários: Isolam a câmara de combustão dos elementos estruturais, irradiando o calor não absorvido pelos tubos de volta para dentro da câmara, o que evita perdas de calor para o exterior e protege a carcaça metálica.
Estrutura e Carcaça metálica: A estrutura e a carcaça de chapas metálicas, que envolvem a caldeira, sustentam o isolamento e os refratários, além de todos os internos, garantindo a estanqueidade. Formam também chicanas para direcionamento do fluxo de gases de combustão. As chicanas podem ser apenas paredes de refratários.
Saída de gases e Chaminés: Promovem a exaustão dos gases de combustão provenientes do interior da caldeira, regulando a tiragem necessária.
Superaquecedor: Destinado à obtenção de vapor superaquecido a partir de vapor saturado.
Economizador: Aquece a água de alimentação utilizando o calor residual dos gases de combustão.
Pré-aquecedor de Ar: Aquece o ar que será utilizado na queima do combustível, aproveitando o calor restante dos gases de combustão.
Qual a função da circulação numa caldeira quatubular e quais os tipos de circulação?
A circulação de água é fundamental para a operação e funcionamento contínuo da caldeira aquatubular. O principal papel da circulação é facilitar a rápida libertação das bolhas de vapor, permitindo seu fluxo para o tubulão superior, e consequentemente sua separação e acúmulo. Mas, além disso, garante o fornecimento homogêneo de calor à água e aumenta a eficiência da troca térmica nos tubos. 
Além disto, a circulação de água deve ser mantida a uma velocidade apropriada para promover o resfriamento dos tubos da parede d’água. Quando a circulação é deficiente, poderá ocorrer ruptura de tubos em virtude de superaquecimento. Sendo a falta de água nas regiões de transmissão de calor a principal motivação de explosões em caldeiras.
Natural: Baseia-se na diferença de densidade conseguida pela diferença de temperatura, logo se tata de um sistema auto-limitador. O efeito da diferença entre a densidade da água no tubo mais aquecido (água mais quente misturada com bolhas de vapor) e a densidade da água no tubo menos aquecido (água mais fria), mais o próprio movimento ascendente do vapor, fazem com que a água circule, indo para o tubulão superior pelos tubos mais aquecidos (tubos geradores) e descendo pelos tubos menos aquecidos (tubos vertedores). 
Forçada: A circulação de água é conseguida pela instalação de uma bomba no circuito. São normalmente caldeiras de alta pressão, onde a circulação natural é reduzida devido a pequenas diferenças entre a densidade do vapor saturado e do líquido saturado.
Quais os critérios que influenciam a circulação natural numa caldeira aquatubular?
A circulação natural pelas paredes d’água e feixes tubulares é garantida utilizando-se tubos de grande diâmetro e com inclinações recomendadas com a finalidade de obter baixa perda de pressão no circuito. 
Atente-se para a importância de altura “H”, entre os dois tambores, pois haverá um valor mínimo para que se estabeleça a circulação, motivada pela diferença de densidades.
Explique a influência da pressão de trabalho no processo de circulação da caldeira.
Enquanto a diferença entre os pesos da água líquida e da mistura vapor-água puder superar o atrito do fluxo nos tubos, a circulação poderá se manter sozinha (circulação natural). A pressão de trabalho afeta grandemente a circulação natural e sua viabilidade. Quando a pressão é baixa, a área requerida para que se estabeleça o fluxo de água é maior do que em pressões mais elevadas, isto é, são necessários mais tubos para estabelecer um mesmo fluxo mássico numa caldeira de baixa pressão do que numa caldeira de alta pressão. As perdas por atrito se reduzem com o aumento da pressão. Em contrapartida, com o aumento da pressão, a densidade da água líquida e do vapor tendem a se tornar muito próximas. Logo, a diferença de peso das colunas de água e da mistura vapor-água diminui, e não consegue superar o atrito nos tubos; o que inviabiliza a circulação natural para pressões de trabalho elevadas.
Explique o que pode causar a ebulição pelicular numa caldeira aquatubular e os seus efeitos sobre a geração de vapor.
Com o aumento da temperatura nos tubos da caldeira aquatubular, começa a aparecer bolhas na superfície, essas bolhas se juntam antes de se desprender da superfície, com isso, uma grande parte da superfície aquecida fica coberta por uma película instável de vapor, aumentando a resistência térmica e reduzindo o fluxo de calor. Com o aumento da temperatura, vai para um estágio maior, se tornando uma película maior de vapor estável, uma vez atingido esse estado, uma parcela significativa de calor perdido pela superfície pode ser resultante da radiação térmica.
Por quê não se deve preencher a caldeira com água imediatamente após se observar uma falha por nível baixo de água?
Quando o nível de água da caldeira ficamuito baixo (menor que o limite inferior tolerável), fica menos água circulando e resfriando a caldeira e seus componentes, deixando-a cada vez mais aquecida. Quando acontece isso, deve-se parar totalmente a caldeira e a alimentação do combustível, esperar o tempo necessário para resfriar e quando ficar totalmente resfriado, observar eventuais danos nas tubulações e componentes gerais por causa do superaquecimento. Não devemos, de maneira alguma, preencher a caldeira com água, pois como o nível está muito baixo e a água muito aquecida, quando injetar a água fria, vai haver um choque térmico muito grande no contato, podendo provocar grande risco e gerar até explosões.
Qual a função do atemperador que é instalado na saída do superaquecesor?
É utilizado para controlar a temperatura do vapor superaquecido, que opera injetando água no vapor superaquecido
Qual a importância do “Bluff Body” e do “Swirler” na saída do queimador?
São as geometrias dos misturadores utilizados no processo de mistura entre o combustível e o oxidante na fornalha.
Os dois tipos exercem a mesma função, estabilizar a chama através das zonas de recirculação dos produtos de combustão; permitindo que os gases em combustão permaneçam em alta temperatura, servindo como uma fonte de ignição estável para a chama.
Com a diferença de que o bluff-body é de fabricação muito mais simples e o swirler é mais eficiente, pois impõe ao ar um movimento de rotação que leva a uma melhor mistura, além de proporcionar levar a um encurtamento da região da chama.
Explique o balanço de energia em uma caldeira aquatubular com base na figura abaixo.
Água
A alimentação de caldeiras impõe a escolha de uma água cujas características sejam compatíveis com as especificações do equipamento, sendo sempre uma água de maior pureza, quanto maior for a pressão de trabalho.
A alimentação de água com boa qualidade elimina, antecipadamente, grande parte dos problemas que normalmente ocorrem em caldeiras, como: corrosão, incrustação, formação de espumas ou arraste.
Considera-se ideal para geração de vapor uma água com as seguintes características:
- Menor quantidade possível de sais e óxidos dissolvidos;
- Ausência de Oxigênio e outros gases dissolvidos;
- Isenta de materiais em suspensão;
- Ausência de materiais orgânicos;
- Temperatura elevada;
- pH na faixa alcalina
Evidentemente águas com tais características são de difícil obtenção, sem que antes haja um pré-tratamento que permita reduzir as impurezas a um nível compatível, de modo a não prejudicar o funcionamento da caldeira.
Parades d’água aletadas
São tubos espaçados ligados por uma aleta soldada contínua, formando assim uma parede de  membrana. 
Suas vantagens são:
- Reparação do tubo é muito mais simples
- Capacidade para resistir a jatos de forno é maior, porque os painéis de membrana se comportam como placas
- Diâmetros dos tubos podem ser menores