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UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA SISTEMAS TÉRMICOS Prof. Luís Antônio Bortolaia UNIDADE 3 GERADORES DE VAPOR / CALDEIRAS GERADORES DE VAPOR Tratamento de água TRATAMENTO DE ÁGUA DE CALDEIRAS 1. Introdução A água, geralmente, nunca está em seu estado puro, livre de sais minerais, gases dissolvidos e outros contaminantes. Para os geradores de vapor, estes sais minerais, gases ePara os geradores de vapor, estes sais minerais, gases e contaminantes podem gerar sérios problemas. Podemos destacar: a incrustação e a geração de vapor contaminado por materiais em suspensão e lodo. GERADORES DE VAPOR Tratamento de água Fontes de captação de água: - águas superficiais de rios, lagos e represas, águas de poços artesianos, da rede pública, etc. Para alimentação de caldeiras a água deve possuir características que sejam compatíveis com as especificações dos equipamentos. Dessa forma é necessário o uso de uma água de maior pureza,Dessa forma é necessário o uso de uma água de maior pureza, quanto maior for a pressão de uma caldeira. GERADORES DE VAPOR Tratamento de água Características ideais da água para geração de vapor: • 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 adequado (faixa alcalina). GERADORES DE VAPOR Tratamento de água 2. Características das águas 2.1 Contaminantes A composição e a proporção estão relacionadas com: • constituição geológica dos terrenos; • variações climáticas ao longo do ano. Os contaminantes são classificados em três tipos principais: • sólidos dissolvidos sais de Ca2+, Mg2+, Fe2+, sílica, bicarbonatos, carbonatos, cloretos e sulfatos. GERADORES DE VAPOR Tratamento de água • sólidos em suspensão materiais particulados responsáveis pela turbidez da água. • gases dissolvidos oxigênio e gás carbônico, e com menos freqüência amônia, gás sulfídrico e cloro. GERADORES DE VAPOR Tratamento de água Tabela 1. Principais constituintes da água e concentrações médias GERADORES DE VAPOR Tratamento de água 2.2 Constituintes • dureza A dureza de uma água varia de acordo com o número total de cálcio e de magnésio que ela possui. Diversas unidades:Diversas unidades: Unidade Internacional: miliequivalente (MEQ) Brasil: partes por milhão (ppm) GERADORES DE VAPOR Tratamento de água GERADORES DE VAPOR Tratamento de água • alcalinidade - deve-se à presença de compostos alcalinos. - a medida do PH da água permite quantificar qualitativamente o grau de alcalinidade da mesma. � O controle adequado do PH ou alcalinidade da água : � O controle adequado do PH ou alcalinidade da água : • evita incrustações; • evita a corrosão do ferro; • controla a formação de lama. GERADORES DE VAPOR Tratamento de água Figura 1. Ataque corrosivo em função do PH da água GERADORES DE VAPOR Tratamento de água • salinidade � indica a concentração de sais solúveis na água; � expressa normalmente em miligramas ou gramas de sais solúveis por litro de água. • sílica O teor de sílica é expresso em miligramas de SiO2 por litro de água. • turbidez � é o inverso da transparência de uma água. � águas superficiais estão mais sujeitas à variações da turbidez. GERADORES DE VAPOR Tratamento de água • gases dissolvidos � oxigênio: - sua presença nas águas naturais varia de zero até a saturação, conforme a origem. - usualmente expresso em miligramas por litro de água. � gás carbônico:� gás carbônico: - torna-se agressivo quando em excesso em relação ao equilíbrio de concentração. - usualmente expresso em miligramas por litro de água. GERADORES DE VAPOR Tratamento de água Tabela 3. Limites recomendados pelo código ASME, para caldeiras de média pressão GERADORES DE VAPOR Tratamento de água Tabela 4. Requisitos para a qualidade da água de caldeiras de médias pressão GERADORES DE VAPOR Tratamento de água 3. Métodos de tratamento da água de caldeiras 3.1. Objetivos do tratamento de água � evitar os processos de corrosão, do lado de vapor e água do gerador; � evitar a formação de incrustações e depósitos nas paredes dos� evitar a formação de incrustações e depósitos nas paredes dos tubos e tubulões; � impedir o arrastamento de materiais contaminantes da água a caldeira para as demais partes do sistema de vapor, como redes, válvulas e turbinas. GERADORES DE VAPOR Tratamento de água 3.2 Métodos de tratamento Os métodos de tratamento variam conforme a qualidade da água de alimentação e o porte da instalação de vapor. Podemos caracterizar o tratamento interno e o tratamento externo da água. 3.2.1 Tratamento interno Para caldeiras de pequeno porte tem a água tratada, geralmente,Para caldeiras de pequeno porte tem a água tratada, geralmente, pela introdução de produtos químicos diretamente na água interna da caldeira (as reações químicas de tratamento da água ocorrem dentro da caldeira). Os produtos químicos promovem a precipitação dos sólidos dissolvidos e em suspensão, para posterior eliminação por descargas de fundo periódicas da caldeira. GERADORES DE VAPOR Tratamento de água 3.2.2 Tratamento externo Em geradores de vapor de grande porte, geralmente o tratamento da água é externo, em uma estação de tratamento de água de alimentação da caldeira (a água é tratada antes de ser introduzida na caldeira). Os principais processos de tratamento da água de alimentação daOs principais processos de tratamento da água de alimentação da caldeira e suas finalidades são descritos a seguir. GERADORES DE VAPOR Tratamento de água Tabela 5. Principais processos de tratamento externo e suas finalidades GERADORES DE VAPOR Tratamento de água 4. Problemas relacionadas à qualidade da água de alimentação 4.1 Corrosão • processo eletroquímico capaz de se desenvolver em meio ácido, neutro ou alcalino, na presença ou não de aeração. • causa acidentes, perda de material e parada do equipamento.• causa acidentes, perda de material e parada do equipamento. 4.1.1 Tipos de corrosão em caldeiras • Corrosão localizada (Pitting) • Corrosão galvânica GERADORES DE VAPOR Tratamento de água a) Corrosão localizada (Pitting) • a corrosão localizada (pitting) promove grande penetração no metal da caldeira. Em geral, é observada na seção vapor de caldeiras, em seções que precedem a caldeira e em seções pós caldeira. É provocada, em sua quase totalidade, pelo ataque de oxigênio indevidamente presente na água. • ocorre, também, sob depósitos, em locais de falha na estrutura cristalina do metal e em locais submetidos a tensões. GERADORES DE VAPOR Tratamento de água Figura 2. Ataque corrosivo no interior do tubo - pittings GERADORES DE VAPOR Tratamento de água Figura 3. Corrosão localizada (pitting) GERADORES DE VAPOR Tratamento de água Figura 4. Carcaça de caldeira flamotubular: pontos de corrosão localizada devido à presença de oxigênio GERADORES DE VAPOR Tratamento de água b) Corrosão galvânica • ocorre, basicamente, quando dois ou mais metais com diferença significativa de potenciais de oxidação estão ligados ou imersos em um eletrólito (tal como a água com sais dissolvidos). • um metal chamado de “menos nobre”, tem uma tendência a perder elétrons para um metal “mais nobre”, cuja tendência deperder elétrons para um metal “mais nobre”, cuja tendência de perda é menor. Assim, o metal menos nobre torna-se um ânodo e é corroído. GERADORES DE VAPOR Tratamento de água 4.1.2 Outros fatores que provocam corrosão • Oxigênio dissolvido: tubulações superiores das caldeiras flamotubulares; • Cloro:Em concentrações altas, reagem rapidamente com o ferro; • Presença de Cobre e Níquel: responsáveis pela formação de pilhas• Presença de Cobre e Níquel: responsáveis pela formação de pilhas galvânicas; • Sólidos em Suspensão: se depositam facilmente, de forma não aderente, em regiões estagnantes e de alta transferência de calor; GERADORES DE VAPOR Tratamento de água • Choques Térmicos: devido às condições de trabalho, a temperatura dos tubos da caldeira pode variar consideravelmente e em conseqüência das dilatações térmicas diferenciais pode ocorrer um rompimento entre a camada protetora de magnetita e o aço, provocando em decorrência corrosões localizadas; • Combustível Residual: as impurezas deste podem causar problemas de corrosão nas seções do superaquecedor,problemas de corrosão nas seções do superaquecedor, economizador e pré-aquecedor de ar de um sistema gerador de vapor. GERADORES DE VAPOR Tratamento de água 4.1.3 Métodos de prevenção de corrosão • desmineralização da água por meio de resinas catiônicas e aniônicas; • desaeração mecânica da água por intermédio de desaeradores trabalhando com vapor em contracorrente; • desaeração química da água usando sulfito de sódio catalisado ou hidrazina; • correção do pH da água para a faixa alcalina, a fim de evitar corrosão ácida e acelerar a formação do filme de óxido de ferro protetor; GERADORES DE VAPOR Tratamento de água • tratamento do vapor condensado para neutralizar ácido carbônico e eliminar ataque ao ferro pelo cobre e níquel; • resfriamento lento da caldeira, quando a mesma é retirada de operação, a fim de evitar choques térmicos; • em caldeiras de baixa pressão, com temperaturas inferiores a 200ºC, pode-se eliminar a desmineralização e desaeração em200ºC, pode-se eliminar a desmineralização e desaeração em muitos casos não dispensando, todavia, o uso de água clarificada. GERADORES DE VAPOR Tratamento de água 4.2 Depósitos 4.2.1 Causas • excesso de impurezas na água de alimentação; • contaminação do vapor e do condensado; • transferência dos produtos de corrosão de um local a outro; • inadequação da aplicação de produtos destinados ao tratamento químico da água. GERADORES DE VAPOR Tratamento de água 4.2.2 Tipos • incrustações: caracterizam-se por um acúmulo de material fortemente aderido sobre a superfície da caldeira, necessitando de esforços consideráveis para sua remoção (limpezas mecânicas ou químicas). • lamas: são acúmulos de materiais sobre determinada superfície• lamas: são acúmulos de materiais sobre determinada superfície que podem ser removidos manualmente com facilidade. Embora menos aderidos que as incrustações, os depósitos algumas vezes podem prejudicar a troca térmica e o escoamento da água. GERADORES DE VAPOR Tratamento de água Figura 5. Depósitos no interior do tubo GERADORES DE VAPOR Tratamento de água Figura 6. Tubulão superior de caldeira aquatubular, contendo elevada quantidade de lama de origem argilosa (água bruta) GERADORES DE VAPOR Tratamento de água Figura 7. Parte inferior de caldeira flamotubular, com tubos incrustados e acúmulo de lama e depósitos no fundo GERADORES DE VAPOR Tratamento de água Figura 8. Caldeira aquatubular: acúmulo de lama e depósitos em um coletor lateral GERADORES DE VAPOR Tratamento de água 4.2.3 Conseqüências dos depósitos • as crostas atuam como isolante térmico de baixa condutividade térmica; • reduz a transferência de calor da chama e dos gases de combustão; aumenta o consumo de combustível (reduz rendimento);• aumenta o consumo de combustível (reduz rendimento); • quanto maior a temperatura de operação da caldeira, menor a tolerância aos depósitos; • pode romper os tubos de metal; GERADORES DE VAPOR Tratamento de água • perda de resistência mecânica; • deformações devido ao superaquecimento; • restringe a área de passagem na linha; • possíveis obstruções nas válvulas; reposições caras.• reposições caras. GERADORES DE VAPOR Tratamento de água Figura 9. Relação das espessuras de depósitos e o aumento da temperatura da superfície do tubo GERADORES DE VAPOR Tratamento de água 4.3 Arraste O arraste representa uma condição de transporte da água e suas impurezas minerais pelo vapor destinado à seção pós-caldeira; tal fenômeno ocorre em caldeiras que operam nas mais diversas pressões. O arraste influi diretamente na pureza do vapor. 4.3.1 Causas do arraste4.3.1 Causas do arraste •Mecânicas: flutuações repentinas e excessivas na carga e operação em níveis superiores ao de projeto; • Químicas: presença excessiva de sólidos dissolvidos (sílica ou alcalinidade); GERADORES DE VAPOR Tratamento de água GERADORES DE VAPOR Tratamento de água 4.3.2 Mecanismo • formação de espuma; • arraste propriamente dito; • arrebatamento da água pelo vapor: rompimento da bolha de vapor leva parte da água e impurezas. GERADORES DE VAPOR Tratamento de água 4.3.3 Conseqüências • danos nas turbinas; • formação de depósitos nos separadores e válvulas; • formação de depósitos no aparelho separador de vapor; • formação de depósitos na seção pós-caldeira; • perda de produção;• perda de produção; •manutenção cara. GERADORES DE VAPOR Tratamento de água Tabela 6. Problemas normalmente observados em função da presença de sólidos totais no vapor (Aquatec) GERADORES DE VAPOR Tratamento de água Figura 10. Turbina a vapor: deposição de sais originada do arraste. GERADORES DE VAPOR Tratamento de água Figura 11. Tubo de superaquecedor da caldeira, obstruído por material originado do arraste.
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