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Apostilas de Geradores de Vapor

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Apostilas de Geradores de Vapor

Curso Técnico em Mecânica 
 
Módulo III – Técnico em Mecânica 
 
MÁQUINAS TÉRMICAS II – 
GERADORES DE VAPOR 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Educação Profissional 1 
SUMÁRIO 
 
1 - GERADORES DE VAPOR 02 
1.1 - DEFINIÇÕES 02 
1.2 - PRINCIPAIS COMPONENTES 06 
1.3 - OUTROS COMPONENTES 06 
1.4 - PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO 08 
1.5 - CALDEIRAS FLAMOTUBULARES 14 
1.6 - CALDEIRAS AQUATUBULARES 17 
 
2 - RECEPÇÃO, ENSAIO E OPERAÇÃO 22 
2.1 – RECEPÇÃO 22 
2.2 - ENSAIO DE PERFORMANCE E EFICIÊNCIA TÉRMICA 23 
2.3 - OPERAÇÃO DE GERADORES DE VAPOR 24 
2.4 - MEDIDAS DE SEGURANÇA 24 
 
3 - NR-13 CALDEIRAS E VASOS DE PRESSÃO 28 
3.1 - CALDEIRAS A VAPOR - DISPOSIÇÕES GERAIS 28 
3.2 INSTALAÇÃO DE CALDEIRAS A VAPOR 33 
3.3 - SEGURANÇA NA OPERAÇÃO DE CALDEIRAS 35 
3.4 - SEGURANÇA NA MANUTENÇÃO DE CALDEIRAS 38 
3.5 - INSPEÇÃO DE SEGURANÇA DE CALDEIRAS 40 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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1 - GERADORES DE VAPOR 
 
Fornecendo calor à água, variamos a sua entalpia (quantidade de energia por kg de massa) e seu 
estado físico. Quanto mais aquecermos, mais aumentaremos sua temperatura e, conseqüentemente, 
sua densidade diminuirá, tornando-se mais “leve”. A medida que fornecermos calor ao líquido, suas 
moléculas vão adquirindo energia até conseguirem vencer às forças que as mantém ligadas (na forma 
líquida). A rapidez da formação do vapor será tal qual for a intensidade do calor fornecido. 
 
A pureza da água e a pressão absoluta exercida sobre ela são os fatores que irão impor a 
temperatura na qual se produz a ebulição. Assim, quanto menor for a pressão, menor será a 
temperatura de ebulição da água. 
 
 
 
1.1 - DEFINIÇÕES 
 
1.1.1 - Vapor Saturado 
Denomina-se “Vapor Saturado” ao vapor produzido na temperatura de ebulição à sua pressão 
absoluta. 
Têm-se: 
 vapor saturado úmido: quando contém partículas de água em suspensão; 
 vapor saturado seco: caso contrário. 
 
1.1.2 - Calor Sensível (hs) 
A Adição de Entalpia do Líquido (calor sensível) é a quantidade de calorias necessárias para elevar 1 
kg de água de 0 ºC até a sua temperatura de ebulição. 
 
1.1.3 - Calor Latente (hlat) 
A Adição de Entalpia de Vaporização (calor latente) é a quantidade de calorias necessárias para 
converter 1 kg de água líquida em vapor seco à mesma temperatura e pressão (o calor latente 
decresce com o aumento da pressão absoluta do vapor). 
 
1.1.4 - Entalpia Total (hTOT) 
Chama-se Entalpia Total do Vapor de Água, saturado, à soma do calor sensível e do calor latente: 
hTOT = hs + hlat 
Quando não se consegue o vapor seco, têm-se: 
hTOT = hs+ x.hlat 
onde x é o título (variando de 0,0 a 1,0). 
 
1.1.5 - Geradores de Vapor 
É um aparelho térmico que produz vapor a partir do aquecimento de um fluido vaporizante. Na 
prática adotam-se alguns nomes, a saber: 
 
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1.1.6 - Caldeiras de Vapor: são os geradores de vapor mais simples, queimam algum tipo de 
combustível como fonte geradora de calor. 
1.1.7 - Caldeiras de Recuperação: são aqueles geradores que não utilizam combustíveis como 
fonte geradora de calor, aproveitando o calor residual de processos industriais (gás de escape de 
motores, gás de alto forno, de turbinas, etc.). 
 
1.1.8 - Caldeiras de Água Quente: são aqueles em que o fluido não vaporiza, sendo o mesmo 
aproveitado em fase líquida (calefação, processos químicos). 
 
1.1.9 - Geradores Reatores Nucleares: são aqueles que produzem vapor utilizando como fonte de 
calor a energia liberada por combustíveis nucleares (urânio enriquecido). 
Dentro das Caldeiras de Vapor temos as seguintes classificações: 
 
1) Quanto à posição dos gases quentes e da água: 
- Aquatubulares (Aquotubulares) 
- Flamotubulares (Fogotubulares, Pirotubulares) 
 
2) Quanto à posição dos tubos: 
- Verticais 
- Horizontais 
- Inclinados 
 
3) Quanto à forma dos tubos: 
- Retos 
- Curvos 
 
4) Quanto à natureza da aplicação: 
- Fixas 
- Portáteis 
- Locomóveis (geração de força e energia) 
- Marítimas 
 
Como se pode observar, existem várias classificações de caldeiras de vapor, a escolha de um tipo se 
faz principalmente em função de: 
 Tipo de serviço; 
 Tipo de combustível disponível; 
 Equipamento de combustão; 
 Capacidade de produção; 
 Pressão e temperatura do vapor; 
 Outros fatores de caráter econômico. 
 
Mas, de forma geral, as caldeiras possuem os seguintes elementos que a caracterizam: 
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1) Pressão de Regime: a máxima pressão de vapor, considerada como limite superior quando do 
projeto. 
2) Pressão de Prova: pressão de ensaio hidrostático a que deve ser submetido a caldeira (NR-13, 
item 13.10) 
3) Capacidade de Evaporação: são as partes metálicas em contato, de um lado com a água e vapor 
da caldeira e, do outro, com os produtos da combustão. A medição desta área se faz pelo lado 
exposto às chamas. 
4) Superfície de Grelhas ou Volume da Fornalha: juntamente com o item anterior, determina a 
potência da caldeira. Maior será a potência quanto maior for o volume da caldeira. 
5) Outros: peso, superfície dos superaquecedores de vapor, economizadores de água de alimentação, 
aquecedores de ar, volume das câmaras de água e vapor, eficiência térmica desejável, variação da 
demanda, espaço necessário ou disponível, amortização do investimento. 
As caldeiras devem possuir, ainda, algumas condições, a saber: 
- Projeto e Construção: sua forma e método de construção deverá ser simples, proporcionando 
elevada segurança em funcionamento. Todas as partes deverão ser de fácil acesso ou desmontagem 
para facilitar a limpeza interna e consertos ordinários. 
- Vaporização específica, grau de combustão e capacidade: deverão ser projetadas de forma que, 
com o mínimo peso e volume do gerador, seja obtida a máxima superfície de aquecimento. 
- Peso e espaço: estes fatores devem se combinar para que as caldeiras se adaptem ao espaço a elas 
destinado. 
- Flexibilidade de manobra e facilidade de condução: condições fundamentais em processos de 
variação rápida e freqüente, onde a caldeira possua grande flexibilidade para se adaptar 
imediatamente às modificações da carga. 
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- Características do Vapor produzido: as caldeiras não deverão apresentar tendência a arrastar 
água com o vapor, especialmente na condição de sobrecarga, evitando o fornecimento de vapor úmido 
ou a redução do grau de superaquecimento. 
- Circulação de água e gases: a circulação de água no interior da caldeira, da mesma forma que o 
fluxo de gases do lado externo, deverá ser ativa, de direção e sentido bem definidos para toda e 
qualquer condição de funcionamento. 
- Rendimento Térmico Total: deverá ter um rendimento elevado a fim de se obter uma economia 
apreciável de combustível. 
- Segurança: a caldeira e todos os seus elementos deverão ser projetados para obter o mais elevado 
fator de segurança. 
 
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1.2 - PRINCIPAIS COMPONENTES 
 
- Aquecedor de Ar: aproveita o calor residual dos gases de combustão pré-aquecendo o ar utilizado 
na queima de combustível. Aquece o ar entre 120 e 300 ºC, dependendo do tipo de instalação e do 
tipo de combustível queimado. 
- Câmara de Combustão: às vezes se confundem com a fornalha, sendo que, em outras é 
completamente independente. É um volume que tem a função de manter a chama numa temperatura 
elevada com duração suficiente para que o combustível queime totalmente antes dos produtos 
alcançarem os feixes (dutos)