Geradores de Vapor

Prévia do material em texto

MÁQUINAS TÉRMICAS II
2 ª AULA
GERADORES DE VAPOR 
INTRODUÇÃO:
Entre os fluidos empregados como veículo para transporte de energia
térmica para fins industriais e motores, o vapor de água é o mais
importante deles devido as suas características e ao fato de ser, a água um
líquido em abundancia na natureza.
O Gerador de Vapor ou Caldeira é portanto, basicamente, um trocador com
equipamentos complementares contendo associado:
• Sistema de Alimentação,
• Sistema de Combustão e Tiragem,
• Controles.
Sua aplicação abrange a quase totalidade das industrias cuja produção
depende diretamente de seu bom funcionamento.
Execução de croqui de uma unidade geradora de vapor 
Componentes: Equipamentos complementares 
(componentes clássicos)
 Caldeira
 Economizador
 Superaquecedor
 Pré-aquecedor
 Fornalha
 Chaminé
 Canais dos Gases
(Croqui e definições em destaque em sala de aula com ditado)
TIPOS PRINCIPAIS DE 
GERADORES DE VAPOR
 CALDEIRAS FUMOTUBULARES OU 
FLAMOTUBULARES
 CALDEIRAS AQUATUBULARES
CALDEIRAS FLAMOTUBULARES
Classificação
Existem vários métodos de classificação das caldeiras flamotubulares
(segundo o uso, a capacidade, a pressão, a posição da fornalha, a posição dos 
tubos, os tamanhos, etc.).
Adotaremos aqui dividi-las em:
Horizontais
· Com fornalha externa
· Multitubulares
· Com fornalha interna
· Com uma tubulação central (Cornovaglia)
· Com duas tubulações (Lancashire)
· Locomotivas e Locomóveis
· Escocesas ou compactas (mais importante)
· Marítimas ou compactas
Verticais
· Com fornalha externa
· Com fornalha interna
VISTAS EM CORTE TRANSVERSAL DE CALDEIRAS HORIZONTAIS
TIPO CORNUÁLIA E LANCASTER (LANCASHIRE).
EM DESUZO
Consta de um cilindro colocado inteiramente no sentido horizontal,
ligando a fornalha até o local de saída dos gases. Seu funcionamento é
simples, apresenta baixo rendimento e sua pressão não ultrapassa 10
Kg/cm2 .
Estes tipos de caldeiras são chamados de tubo-de-fogo-direto;
porque os gases percorrem os tubos da caldeira uma única
vez.
CALDEIRA FLAMOTUBULAR (MULTITUBULAR)
Modelo: ATA H3 22, ano de fabricação: 1989, produção: 4.800 kg/h-vapor saturado, 
PMTP 10,55 Kgf/cm², combustível Óleo BPF.
Caldeira ATA – Modelo: H3N – Ano de Fabricação: 1991 
Produção 500 Kg por hora vapor saturado
Vista interna traseira: Fornalha (tubo central), três passagens dos gases
Placa de identificação do Gerador de Vapor
Vista do Painel de Controle
Caldeira Flamotubular Escocesa É o tipo mais moderno e evoluído de caldeiras
flamotubulares. Possui controle eletrônico de
segurança e funcionamento automático.
A caldeira consta de um corpo cilíndrico que
contém um tubulão sobre o qual existe um
conjunto de tubos de pequeno diâmetro.
As unidades compactas alcançam elevado
rendimento térmico, garantindo 83%.
São construídas até a máxima produção de
10.000 Kgv/h a uma pressão máxima de 18
kgf/m². Sua vaporização específica atinge
valores da ordem de 30 a 34 kgv/cm²,
dependendo da perda de carga oferecida pelo
circuito.
Os gases circulam com velocidade, de 20 a 25
m/s, permitindo a obtenção de elevado índice
de transmissão de calor.
A perda por radiação é muito baixa, não
ultrapassando 1%.
É o tipo mais moderno e evoluído de
caldeiras flamotubulares. Possui controle
eletrônico de segurança e funcionamento
automático.
A caldeira consta de um corpo cilíndrico
que contém um tubulão sobre o qual existe
um conjunto de tubos de pequeno
diâmetro.
As unidades compactas alcançam elevado
rendimento térmico, garantindo 83%.
São construídas até a máxima produção de
10.000 Kgv/h a uma pressão máxima de 18
kgf/cm². Sua vaporização específica atinge
valores da ordem de 30 a 34 kgv/m²,
dependendo da perda de carga oferecida
pelo circuito.
Os gases circulam com velocidade, de 20 a
25 m/s, permitindo a obtenção de elevado
índice de transmissão de calor.
A perda por radiação é muito baixa, não
ultrapassando 1%.
FLUXO DE GÁS EM CALDEIRAS ESCOCESA
CALDEIRAS FLAMOTUBULARES VERTICAIS
· Com fornalha externa
· Com fornalha interna
Caldeira Flamotubular Vertical
É do tipo monobloco, constituída por um corpo cilíndrico fechado nas
extremidades por placas planas chamadas espelhos. São várias as suas
aplicações por ser facilmente transportada e pelo pequeno espaço que
ocupa, exigindo pequenas fundações.
Apresenta, porém, baixa capacidade e baixo rendimento térmico. São
construídas de 2 até 30 (m2), com pressão máxima de 10 (kgf/cm2), sendo sua
capacidade específica de 15 a 16 kg de vapor por m2 de superfície de
aquecimento.
Apresenta a vantagem de possuir seu interior bastante acessível para a
limpeza, fornecendo um maior rendimento no tipo de fornalha interna.
as caldeiras verticais de fornalha externa são aplicadas principalmente
quando é usado combustível de baixo PCI (bagaço de cana, casca de laranja,
madeira, carvão, etc.)
DESCRIÇÃO
1. Cinzeiro..................... - 2. Bomba de água
3. Grelha plana............. - 4. Registro de purga
5. Parede interna...........- 6. Fornalha imersa
7. Casco cilíndrico
8. Isolamento térmico (lã de rocha)
9. Tampa de inspeção 
10. Tubos de gases
11. Válvula de segurança com alavanca
12. Coletor de fuligem
13. Chaminé................- 14. Duto de gases
15. Defletor de gases...- 16. Coletor de gases
17. Tampas de limpeza
18. Manômetro com sifão
19. Válvula principal de vapor
20. Espelho superior....... - 21. Visor de nível
22. Placa de identificação
23. Registro de alimentação de água
24. Válvula de retenção 
25. Registro de vapor
26. Injetor de água a vapor
27. Espelho inferior......28. Câmara de água
29. Tampa de carga....- 30. Peneira de sucção
31. Porta do cinzeiro (regulador de ar)
CALDEIRA FLAMOTUBULAR TIPO VERTICAL COM FORNALHA INTERNA
DESENHO ESQUEMÁTICO DE UMA CALDEIRA VERTICAL
COM SEUS INDICATIVOS BÁSICOS.
Somente foi possível a obtenção de maiores produções
de vapor, a pressões elevadas e altas temperaturas
com o aparecimento das caldeiras aquotubulares
(tubos de água). O fato dos tubulões estarem situados
fora dos corpos das caldeiras, a eles se unindo para
constituírem um feixe tubular de água que compõe a
parte principal de absorção de calor, permite a
obtenção de grandes superfícies de aquecimento. A
figura lateral representa uma seção transversal de feixe
aquotubular unindo dois tambores, no interior dos
tubos circula a água e por fora os gases quentes
através do caminho formado pela alvenaria e chicanas
internas.
 Vapor
 nível de água
 tubulão de vapor
 tubulão de lama
 descarga
CALDEIRAS AQUOTUBULARES
Nestas caldeiras os tubos são interligados externamente aos tubulões por
mandrilhamento ou solda constituindo com os mesmos o próprio corpo da caldeira:
A água é vaporizada nos tubos que constituem a parede mais interna. Recebendo calor
primeiro, vaporiza e sobe até o tambor superior, dando lugar à nova quantidade de água
fria que será vaporizada e assim sucessivamente. Esse tipo de circulação de água,
provocada apenas pela diferença de peso específico entre a água ascendente e
descendente, é característica das chamadas caldeiras com circulação natural.
A produção de vapor nestes tipos de caldeiras pode atingir capacidades de 600 até 750
tv/h com pressões de 150 a 200 kgf/cm2, temperaturas de 450oc - 500oC existindo
unidades com pressões críticas (226 atm) e supercríticas (350 kgf/cm2).
Quanto mais baixo for a temperatura dos gases a saída da caldeira melhor o seu
rendimento térmico, entretanto esta temperatura não deve ser abaixada aquém de
certos limites,devido ao risco de corrosão causado pelo enxofre existente no combustível
dando origem a compostos como SO2 E SO3.
Este limite geralmente situa-se em torno de 180oC; abaixo deste valor pode haver
condensação do vapor de água dos gases e formação de ácido sulfúrico que ataca
violentamente as partes metálicas.
O economizador e pré-aquecedor de ar e a chaminé são os elementos mais afetados por
este tipo de corrosão.
O campo de aplicação dos aquatubulares situa-se acima dos limites
estabelecidos para as caldeiras flamotubulares, ou seja produção de
vapor maior que 20.000kg por hora de vapor ou pressão de trabalho
superior a 21kgf por cm2.
A flexibilidade permitida pelo arranjo dos tubos que constituem os feixes ou
parede d’água possibilitam uma vasta variedade de tipos construtivos
conforme veremos na classificação a seguir:
- caldeiras aquotubulares de tubos retos, podendo, os tambores estarem
colocados no sentido longitudinal ou transversal.
CALDEIRA DE TUBOS RETOS E TAMBOR LONGITUDINAL CALDEIRA DE TUBOS RETOS E TAMBOR TRANSVERSAL
CALDEIRAS AQUOTUBULARES DE TUBOS CURVOS
Partindo deste modelo, foram projetadas novas caldeiras. Com o objetivo de se
aproveitar melhor o calor irradiado na fornalha, reduziu-se o número e o diâmetro dos
tubos, e acresceu-se uma parede de água em volta da fornalha o que serviu como meio
de proteção ao refratário da mesma, diminuição da caldeira, eliminação total dos
refratários de alta qualidade e vaporização mais rápida.
Caldeira com três tambores superiores e 
um inferior, existindo modelos com dois 
tambores inferiores.
Caldeira com dois tambores transversais e 
parede de água
FOTOS DE UM SUPERAQUECEDOR E UM ECONOMIZADOR
CARACTERÍSTICAS
Estas caldeiras podem ser fabricadas para produção de vapor saturado ou 
superaquecido nas mais diversas capacidades.
Dependendo do modelo e tamanho, são montadas com economizador e
preaquecedor de ar, - sendo este ultimo equipamento o mais usado.
Podem ser constituídas para queimar qualquer tipo de combustível, sólido,
líquido ou gás.
As unidades compactas são pré-montadas parcial ou totalmente nas fábricas
e suas capacidades limitadas pelos gabaritos das estradas, atingem até
cerca de 45 toneladas por hora.
Os modelos para combustíveis que necessitam de fornalhas muito amplas,
como bagaço de cana, cavacos de madeira etc., possuem uma parte de
alvenaria muito grande e são montadas no local de operação.
As unidades de grande porte são também transportadas por partes e
montadas no campo. A taxa de evaporação varia muito conforme suas
características desde 25kg por m2 hora – caldeira para queima de bagaço –
até 80 kg por m2 hora para óleo combustível.
Existem entretanto, caldeiras com taxa de evaporação superior a 100kg de 
vapor por m2 hora.
O rendimento térmico pode sofrer uma alteração razoável até na mesma
caldeira conforme o combustível usado.
Na descrição abaixo verifica-se uma comparação de rendimentos em uma
mesma caldeira usando diversos combustíveis.
Características da caldeira:
Capacidade de produção de vapor: 27.000kg por hora
Pressão de trabalho: 30kgf por cm2.
Combustível Rendimento
Óleo 83%
Gás 80%
Cavaco de madeira 75%
Bagaço de cana 65%
O emprego de pré-aquecedores de ar nestas caldeiras permite um 
acréscimo no seu rendimento da ordem de 5%.
Caldeiras mistas
A necessidade de utilização de combustíveis sólidos para caldeiras de pequena
capacidade fez surgir uma solução híbrida que são as caldeiras mistas. Basicamente
são caldeiras flamotubulares com uma antecâmara de combustão com paredes
revestidas de tubos de água. Na antecâmara se dá a combustão de sólidos através
de grelhas de diversos tipos possibilitando assim o espaço necessário para os
maiores volumes da câmara de combustão necessários a combustão de sólidos,
principalmente em grandes tamanhos, tais como lenha em toras, cavacos, etc, além
da possibilidade de retirada de cinzas por baixo das grelhas (o cinzeiro). As
caldeiras mistas não reunem todas as vantagens da aquatubular, como a
segurança, maior eficiência térmica, etc., porém, é uma solução prática e eficiente
quando se tem disponibilidade de combustível sólido a baixo custo. Tem ainda a
possibilidade de queimar combustível líquido ou gasoso, com a instalação de
queimadores apropriados.
O rendimento térmico destas caldeiras são menores que as flamotubulares, devido a
perda de calor pela antecâmara. Dificilmente as paredes frontais e traseira são
revestidas de tubos, devido a dificuldade construtiva pelo pequeno tamanho da
caldeira.
CALDEIRA FLAMOTUBULAR COM ANTE-FORNALHA 
DE PAREDES DE ÁGUA
Combustor
Saída
Dos
gases
Cinzeiro
LEGENDA INDICATIVA