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Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP, 1999 Trabalho elaborado pela Diretoria Técnica (DITEC) do Departamento Regional do SENAI-SP Coordenação Célio Torrecilha Elaboração Regina Célia Roland Novaes Conteúdo técnico Amaurilho Santos dos Reis Cláudio de Carvalho Pinto José Roberto Moreira Lázaro Vieira Maciel Sérgio Jundi Ebesui Ilustrações José Joaquim Pecegueiro Revisado 2004 SENAI Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial Departamento Regional de São Paulo Av. Paulista, 1313 - Cerqueira Cesar São Paulo - SP CEP 01311-923 Telefone Telefax SENAI on-line (0XX11) 3146-7000 (0XX11) 3146-7230 0800-55-1000 E-mail Home page senai@sp.senai.br http://www.sp.senai.br Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET Sumário Dispositivos de alimentação 5 • Dispositivos de alimentação de água 5 • Dispositivos de alimentação de combustível 8 • Dispositivos de alimentação de ar 10 Visor de nível 11 • Sistemas de controle de nível 12 Indicadores de pressão 17 Dispositivos de segurança 19 • Válvulas de segurança 19 • Sistemas de proteção contra falhas de chama 20 Dispositivos auxiliares 23 • Pressostato 23 • Programador 24 • Ventiladores 24 • Quadro de comando 25 Válvulas e tubulações 27 • Válvulas 27 • Tubulações 29 Purgadores 33 • Purgador mecânico 33 • Purgador termostático 36 • Purgador termodinâmico 37 Exercícios 39 Referências 43 Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET 5 Dispositivos de alimentação O funcionamento eficiente e seguro de uma caldeira depende em muito da qualidade e da precisão de seus diversos instrumentos e dispositivos, principalmente pelo fato de que a maioria das caldeiras funciona durante 24 horas por dia, submetidas a condições de pressão e temperaturas elevadas. Isso significa que instrumentos e dispositivos são itens indispensáveis a qualquer unidade geradora de vapor, pois servem para garantir operações seguras, econômicas e confiáveis. O grau de automação e modernização dos instrumentos e dispositivos de controle depende das características das caldeiras, da complexidade de unidade industrial e do nível de investimento e conscientização da empresa. Neste fascículo vão ser estudadas características e funções de alguns instrumentos e dispositivos de controle das caldeiras. As caldeiras possuem os seguintes tipos de dispositivos de alimentação: • Dispositivos de alimentação de água, • Dispositivos de alimentação de combustível, e • Dispositivos de alimentação de ar. Dispositivos de alimentação de água Os dispositivos para alimentação de água desempenham um importante papel nas caldeiras, pois mantêm o nível de água necessário para atender à demanda de vapor. Eles devem ser muito bem controlados para repor exatamente a quantidade de água que foi evaporada e manter o regime de geração de vapor de forma segura para os operadores e os equipamentos. Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET6 Os equipamentos para a alimentação de água podem variar no modelo e na capacidade, de acordo com a capacidade da caldeira. Os mais importantes são os injetores e as bombas d’água. Os injetores são equipamentos para alimentação de água usados nas situações de emergência, em pequenas caldeiras de comando manual. Seu princípio baseia-se no uso do próprio vapor da caldeira ou de ar comprimido, que é injetado dentro do aparelho, onde existem os cônicos divergentes e as válvulas de retenção, de controle e de sobrecarga. Observação O sub-item C do item 13.1.4 da NR-13, determina a necessidade de um sistema injetor ou outro meio de alimentação de água, independentemente do sistema principal em caldeiras de combustíveis sólidos. Quando o vapor passa pelos cônicos divergentes, ele forma vácuo, faz com que a válvula de retenção seja aberta e arrasta por sucção a água do reservatório dentro da caldeira. Se a água entrar em excesso, sai através da válvula de sobrecarga. Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET 7 A bomba d’água é um equipamento que deve ter uma pressão superior à pressão de operação da caldeira para que possa introduzir água no sistema. Sua instalação hidráulica é dotada de válvulas de retenção que evitam o retorno do líquido de trabalho. As bombas alternativas (ou “burrinhos”), encontradas em vários modelos e tamanhos, podem aproveitar diferentes fontes de energia para o seu acionamento. Podem ser movidas por intermédio de turbinas a vapor, conjunto de êmbolos, motor elétrico ou, como nas locomotivas a vapor, aproveitam o movimento das rodas. A grande vantagem deste tipo de bomba é a economia de energia que ela apresenta, porém tem a desvantagem de que sua capacidade é limitada a uma vazão máxima de 50 ton./h. Além disso, essa bomba tem facilidade de arrastar, junto com a água, grandes quantidades do óleo lubrificante que é empregado no sistema. Sua construção é bastante simples, constando de uma câmara, duas válvulas de retenção e um êmbolo. A água é admitida e eliminada da câmara pelo movimento alternativo do êmbolo. As bombas alternativas são vulgarmente chamadas de bombas de pistão e aquelas que usam conjunto de êmbolos para seu acionamento são chamadas “burro” ou “burrinho d’água”. As bombas centrífugas e bombas multiestágios têm dado os melhores resultados, pela simplicidade de seus componentes, facilidade de manutenção e flexibilidade de operação em várias faixas de pressão, vazão e temperaturas. Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET8 Seu funcionamento consiste em um disco (rotor) com um jogo de palhetas, que gira em alta velocidade succionando a água pelo centro e recalcando-a na sua periferia. Os discos são chamados de estágios e sua quantidade pode variar de acordo com a capacidade da bomba. Nas caldeiras de baixa pressão empregam-se bombas com apenas um estágio. Nas de alta pressão são usados multiestágios. Da mesma forma que as bombas alternativas, as centrífugas podem ser acionadas por turbina ou motor elétrico. É necessária a instalação de válvula de alívio para a segurança do sistema. Dispositivos de alimentação de combustível Os dispositivos de alimentação de combustível são de vários tipos que dependem do combustível utilizado pela caldeira. Para a queima de combustível líquido, dependendo das propriedades (viscosidade, temperatura) do óleo, é necessária uma bomba que apresente determinadas características, que garantam uma vazão uniforme para queima. Nesse caso particular, normalmente são utilizadas bombas de engrenagens, de rosca (fuso) ou palheta. Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET 9 Para combustíveis gasosos (seja via reservatório ou via rede de gás combustível ou residual), a alimentação é feita através de válvulas de controle de vazão, pressão e alívio. Os combustíveis sólidos, uma vez processados (via martelo picador, moenda, etc.) são introduzidos para queima através de esteiras rolantes e alimentação por gravidade ou juntamente com a injeção de ar. Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET10 Dispositivos de alimentaçãode ar Os dispositivos de alimentação de ar são imprescindíveis para a queima do combustível. Para caldeiras de maior eficiência, o percurso do ar/gases apresenta a seguinte seqüência: 1. Ventilador de tiragem forçada, responsável pela entrada de ar para combustão na caldeira. 2. Pré-aquecedor de ar (para aquecimento do ar). 3. Fornalha na qual se dá a combustão. 4. Zona de convecção (superaquecedor e feixe tubular). 5. Economizador. 6. Pré-aquecedor 7. Ventilador de tiragem induzida, responsável pela exaustão. 8. Duto de gases. 9. Chaminé. Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET 11 Visor de nível O visor de nível consiste de um tubo ou uma placa de vidro presa numa caixa metálica, que tem a finalidade de dar ao operador a noção exata da altura de água existente na caldeira. Nas caldeiras flamotubulares, os visores normalmente são instalados de modo que o nível indicado garanta a presença de água no balão acima da última carreira de tubos. Nas aquatubulares, geralmente, o nível deve ficar situado em uma faixa de 50 a 70% do diâmetro do tubulão superior. Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET12 Existem algumas caldeiras onde isso não ocorre e cabe ao operador certificar-se desta correspondência: nível do visor x nível real do tubulão. É importante que o operador mantenha uma atenção especial ao visor de nível, verificando vazamentos, nível de limpeza do vidro e efetuando as drenagens de rotina. Sistemas de controle de nível Os dispositivos para controle de nível de água podem ser: • Com bóia; • Com eletrodos; • Termostáticos; • Termo-hidráulicos; • Com transmissor de pressão diferencial. O controle de nível com sistema de bóia consiste de uma câmara ligada ao tubulão de vapor e de uma bóia ligada a uma chave, que comanda o circuito elétrico de acionamento da bomba d’água. No dispositivo de controle de nível por sistema de eletrodos, o controle é feito aproveitando-se a condutividade elétrica da água, e o tamanho diferente dos eletrodos, correspondendo cada tamanho a um nível de água. Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET 13 Esse dispositivo está instalado em recipiente cilíndrico, anexo à caldeira, de modo a acompanhar variações de nível d’água; os eletrodos estão ligados a um relê, que através de contatos elétricos comandam a bomba de alimentação de água, alarmes e em alguns casos até a parada de emergência da caldeira (Trip). Existem alguns dispositivos de controle que possuem um eletrodo adicional denominado eletrodo de segurança e que normalmente é instalado no corpo da caldeira (caldeiras flamotubulares). O controle por sistema termostático tem a finalidade de controlar o fluxo da água na caldeira. Seu funcionamento baseia-se no princípio da dilatação dos corpos pelo calor. Sua construção é bastante simples. É formado por dois tubos concêntricos: um externo e um interno. O tubo externo é o tubo de expansão e o interno serve para fazer a ligação com o tambor de vapor pela sua parte superior, onde recebe uma quantidade de vapor. Faz também ligação com o tambor de vapor em um ponto correspondente ao nível mínimo, recebendo a água do tambor de vapor pela parte de baixo. O tubo termostático possui uma das extremidades rígida, ligada à serpentina de aquecimento e a outra permanece livre, a fim de poder dilatar-se e acionar a válvula de admissão de água. Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET14 Se houver uma baixa no nível de água, a temperatura do elemento termostático aumentará devido ao aumento da quantidade do vapor dentro do tubo. Com isso, o tubo se dilata movimentando o conjunto de comando da válvula de admissão, aumentando o suprimento de água na caldeira. À medida que a água vai entrando no tambor de vapor, a quantidade de vapor dentro do tubo termostático vai diminuindo, dando lugar à água, que é bem mais fria que o vapor, fazendo, dessa forma, com que o tubo - que se havia expandido pelo calor - agora se contraia em virtude da mudança de temperatura. O controle termo-hidráulico consiste de um sistema, acionado por um conjunto hidráulico fechado, entre tubo interno e externo, tubo de conexão e fole da válvula reguladora. O nível de água no tubo interno do gerador acompanha o nível do tubulão. Quando o nível do tubulão diminui, o vapor passa a ocupar uma parte maior do tubo interno, e o calor adicional fornecido pelo aumento da quantidade de vapor no tubo interno do gerador, faz com que aumente a pressão do sistema hidráulico e o fole da válvula reguladora se expanda. Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET 15 A expansão do fole aumenta a abertura da válvula reguladora e mais água é admitida no tubulão. Se o nível subir, ocorrerá o inverso, pois a água ocupará uma parte maior do tubo interno do gerador. sistema de controle de nível a um elemento-pneumático Esse tipo de controle é mais utilizado em caldeiras onde há pouca variação de carga. Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET16 O controle por transmissão de pressão diferencial leva em conta a diferença de densidade que existe entre a fase líquida e o vapor da água. Esta diferença de densidade vai criar uma pressão diferencial no transmissor, cujo sinal será enviado ao controlador de nível. Este por sua vez atuará na válvula de admissão de água. Onde: ya = Densidade da água a temperatura ambiente yb = Densidade da água nas condições de saturação do tubulão h = Distância entre tomadas Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET 17 Indicadores de pressão Outro dispositivo importante na operação da caldeira é o indicador de pressão representado pelo manômetro. O manômetro é o aparelho com o qual se mede a pressão de gases, de vapores e de outros fluidos. É muito utilizado na indústria para verificar a pressão de caldeiras e de vasos de pressão, entre outros fins. O conhecimento desta pressão é obrigatório, não só sob o ponto de vista de segurança, como também, para a operação econômica e segura dos equipamentos. São mais conhecidos dois tipos de manômetro: com mola e tubular. O manômetro com mola, também chamado de manômetro de Bourdon, consiste de um tubo curvado, o qual quando submetido a pressão superior à pressão atmosférica, tende a se endireitar, descrevendo um movimento que atua sobre as engrenagens fazendo girar a agulha indicadora. Os manômetros com mola são os mais utilizados em caldeiras e vasos de pressão. Veja ilustração ao lado. Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET18 O manômetro tubular, desenvolvido por Schäffer e Budemberg, baseia-se na elasticidade produzida sobre uma lâmina ondulada que suporta, por um lado, a pressão atmosférica e, pelo outro, a pressão da caldeira. Ao variar a pressão da caldeira, muda-se a deformação da placa e, em conseqüência, a indicação fornecida pelo aparelho. Manômetro tubular com diafragma Os manômetros indicam a pressão relativa (também denominada pressão manométrica) e não a pressão absoluta. Isso quer dizer que, para se obter a pressão denominada absoluta, tem-se de somar a pressão atmosférica local à pressão indicada no manômetro (pressão absoluta = pressão manométrica + pressão atmosférica). Cada caldeira tem a capacidade de pressão determinada por suas condições deprojeto. Sendo assim, os manômetros utilizados devem ter a escala apropriada. A pressão máxima de funcionamento da caldeira poderá estar marcada sobre a escala do manômetro, para servir de alerta ao operador no controle da pressão. A escala (ou “range”) de um manômetro, é a capacidade de indicação do instrumento. Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET 19 Dispositivos de segurança A caldeira conta também com dispositivos de segurança, como válvulas e sistemas de segurança contra falhas de chama. Válvula de segurança A válvula de segurança é um dispositivo capaz de descarregar todo o vapor gerado pela caldeira para a atmosfera, sem que a pressão interna da caldeira ultrapasse a P.M.T.A. (pressão máxima de trabalho admissível), com a válvula totalmente aberta. Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET20 Para que uma válvula de segurança opere corretamente, deve-se: 1. Abrir totalmente quando a pressão do vapor atingir um valor fixado, nunca antes disto. 2. Permanecer aberta enquanto não houver queda de pressão. 3. Fechar instantaneamente, vedando perfeitamente, assim que a pressão retornar às condições de trabalho do gerador. 4. Permanecer fechada, sem vazamento, enquanto a pressão permanecer em valores inferiores à sua regulagem. Em caldeiras aquatubulares que possuem superaquecedor, é padrão a seguinte instalação: uma válvula de segurança na linha de vapor superaquecido e duas no tubulão de vapor saturado, reguladas em pressões diferentes umas das outras. Cada válvula abrirá a uma pressão ligeiramente superior à válvula anterior. A primeira a abrir é a válvula da linha de vapor superaquecido, o que garantirá o fluxo de vapor em seus tubos. Caso a pressão no interior da caldeira continue subindo, uma das válvulas do balão abrirá. Quando necessário, a terceira também abrirá, ocasião em que todo o vapor gerado poderá ser descarregado por elas, impedindo que a pressão ultrapasse a pressão de operação. Fotocélula Os sistemas de proteção contra falhas de chama compostos por fotorresistores ou fotocélulas são aplicáveis em caldeiras que queimam líquidos, gases ou sólidos pulverizados e devem ser mantidos sob supervisão contínua, para evitar o procedimento incorreto de partida e a falta de chama por qualquer motivo. Ocorrendo uma dessas falhas, a fornalha da caldeira poderá ficar sujeita a uma explosão, caso não haja imediata interrupção do fornecimento de combustível. Conforme a concentração da mistura (ar/combustível), a magnitude da explosão poderá tornar-se mais perigosa, causando danos irreparáveis ao equipamento e provocando risco de vida ao seu operador. Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET 21 É importante notar que a maior parte dos casos de explosão de fornalhas ocorre durante o acendimento da chama. Qualquer sistema de proteção e controle de chama exige certas características indispensáveis para que possa desempenhar adequadamente suas funções. São elas: • Assegurar que o procedimento de partida seja seguido; • Impedir o fornecimento de combustível ao queimador até o estabelecimento da chama-piloto; • Não ter falhas nas válvulas de bloqueio; • Cortar o fornecimento de combustível aos queimadores quando houver ausência de chama e exigir rearme manual. Usualmente são empregados dispositivos termelétricos formados por lâminas bimetálicas e por uma chave elétrica e dispositivos com células fotoelétricas ou fotorresistores. Trata-se de um sistema bem aperfeiçoado que trabalha com uma célula fotoelétrica (que capta radiações entre as faixas infravermelha e ultravioleta), um amplificador e um relê. O seu funcionamento é baseado na coloração das chamas. Se estas se apagarem, a luminosidade no interior da fornalha será diminuída, a célula fotoelétrica comandará o amplificador e o relê que abrirá seus contatos, interrompendo o circuito dos queimadores. Esse sistema também efetua a parada de emergência, comandada pelo circuito de segurança. Os sistemas fotocondutivos para segurança de uma chama têm quase o mesmo funcionamento dos fotoelétricos, sendo diferentes no tipo de célula. Utilizam-se das irradiações infravermelhas das chamas e de amplificadores especiais. Os amplificadores conseguem estabelecer diferenças entre o calor das chamas e o calor dos refratários da fornalha. Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET22 A válvula solenóide é um equipamento auxiliar de controle e destina-se a cortar rapidamente o suprimento de combustível em caso de falha de chama. Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET 23 Dispositivos auxiliares Os dispositivos auxiliares considerados mais importantes na caldeira são o pressostato, o programador, os ventiladores, o quadro de comando, os compressores. Pressostato O pressostato destina-se a controlar a pressão da caldeira, de modo a não permitir que ela ultrapasse um certo valor preestabelecido. Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET24 Para algumas caldeiras de combustível líquido e gasoso, o pressostato atua diretamente no fechamento da válvula solenóide que interrompe a entrada de combustível no queimador. Quando a pressão do vapor da caldeira estiver abaixo de um valor de ajuste (“set- point”) preestabelecido, o pressostato manda sinal para o programador seqüencial, para início do processo de acendimento. Em certos tipos de pressostato, a atuação pode ser parcial numa válvula controladora; este pressostato é denominado pressostato modulador. Para caldeiras de combustíveis sólidos, o pressostato atua diretamente na combustão, seja desligando o ventilador ou cortando a alimentação de combustível. Programador O programador tem como finalidade promover um ciclo com a seqüência de acendimento. Para caldeiras de combustível líquido ou gasoso, geralmente esta seqüência envolve: 1. Acionamento do ventilador; 2. Purga da fornalha; 3. Acendimento do piloto (com gás, óleo diesel, ou querosene); 4. Abertura da válvula de combustível (após travamento da fotocélula); 5. Desligamento do piloto; 6. Término da seqüência de acendimento, ficando disponível para novo ciclo; 7. Modulação de fogo baixo para fogo alto. Ventiladores Os ventiladores são equipamentos necessários para a purga (exaustão) de gases da fornalha e o insuflamento de ar para combustão; devem ser dimensionados para vencer as perdas de carga do sistema garantindo a tiragem. As caldeiras possuem ventiladores acionados por motor elétrico e/ou turbinas a vapor. Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET 25 Quadro de comando O quadro de comando é a parte da caldeira onde estão os dispositivos que permitem todas as operações necessárias ao seu funcionamento. As caldeiras podem ter um quadro de comando local, instalado ao lado da caldeira com, no mínimo, os seguintes elementos: • Chave do modo de comando (manual ou automático); • Chave liga/desliga bomba de água; • Chave liga/desliga ventilador; • Alarme sonoro de advertência (piloto, ventilador, pressão de vapor, nível, etc.; • Lâmpadas piloto; • Chave magnética de ligação do nível; • Chave de acendimento manual da caldeira. As caldeiras mais complexas, possuem uma sala de controle com instrumentos controladores, indicadores e registradores das variáveis de processo. Esta instrumentaçãopode ser pneumática, hidráulica, elétrica ou eletrônica dependendo das características particulares de cada caldeira. Alguns tipos de caldeiras possuem um compressor de ar para realizar o processo de pulverização, atomizando o combustível. Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET26 Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET 27 Válvulas e tubulações Numa caldeira encontram-se os mais diversos tipos de válvulas e tubulações, cujas especificações vão depender das classes de pressão e temperatura, e do fluido empregado. Válvulas As principais válvulas numa caldeira são: • Válvula principal de saída de vapor; • Válvula de alimentação de água; • Válvulas de retenção e de alívio; • Válvulas de descarga; • Válvulas de serviço; • Válvulas de vapor; • Válvulas de respiro; • Válvulas de injeção de produtos químicos; • Válvulas de descarga contínua. A válvula principal de saída de vapor permite a passagem de todo o vapor produzido na caldeira. Em caldeiras de pequena capacidade, utilizam-se válvulas tipo globo; caldeiras maiores utilizam-se de válvulas tipo gaveta. Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET28 A válvula de alimentação de água destina-se a permitir ou interromper o suprimento de água na caldeira e normalmente é do tipo globo. A válvula de retenção tem a finalidade de impedir o retorno do fluido, seja de vapor, água ou óleo combustível. No caso da água, este tipo de válvula é colocado em duas posições: uma após a válvula de alimentação e outra antes da entrada da caldeira. Isso evita que numa parada da bomba, retorne água por esta tubulação, esvaziando a caldeira. As válvulas de descarga, também conhecidas como válvulas de descarga de fundo ou dreno podem ser manuais e automáticas. Elas permitem a extração da lama ou lodo acumulados no fundo dos coletores ou tubulões inferiores da caldeira. São utilizadas também como recurso de correção dos parâmetros da qualidade da água da caldeira. São sempre instaladas em série e podem ser: de descarga lenta ou de descarga rápida. A função principal da válvula de descarga rápida é assegurar perfeita eliminação de sólidos dissolvidos e o revolvimento do material sedimentado no interior da caldeira. Normalmente são usadas válvulas tipo globo. A válvula de descarga rápida com abertura instantânea, normalmente acionada por alavanca, proporciona grande vazão, assegurando turbulência e arraste dos depósitos internos. Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET 29 A válvula de descarga lenta tem a função de garantir a estanqueidade do sistema. As válvulas de serviço (vapor), normalmente válvulas tipo globo, têm como função assegurar o suprimento de vapor para dispositivos da própria caldeira, tais como: aquecimento de óleo, bombas de alimentação, atomização, injetores, etc. As válvulas de respiro (“Vents”) são válvulas tipo globo utilizadas nos procedimentos de parada e partida das caldeiras. As válvulas de injeção de produtos químicos, normalmente válvulas do tipo agulha, permitem regulagem mais precisa da abertura e vazão de produtos químicos para dentro da caldeira. As válvulas de descarga contínua também são do tipo globo e asseguram a descarga contínua dos sólidos totais dissolvidos na água da caldeira, servindo como ajuste dos parâmetros de qualidade da água. A válvula de alívio é uma válvula instalada no circuito de combustível e é responsável por evitar um aumento da pressão da rede a níveis superiores ao permitido. Para sistemas de óleo combustível, este alívio pode ser feito para a linha de retorno. No caso de combustível gasoso, este alívio pode ser feito para “flare” (tocha), ou para a atmosfera. Existem algumas caldeiras que possuem um dispositivo de alívio chamado de tampas de explosão, para quando ocorre o aumento da pressão interna da fornalha. Tubulações As principais tubulações de uma caldeira são de: • Água, • Óleo, • Vapor, • Gás combustível, • Condensado, • Produtos químicos. Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET30 As tubulações da caldeira normalmente exigem isolamento térmico quando trabalham em temperaturas elevadas. As tubulações de água ou linhas de alimentação de água consistem de uma rede que se inicia no tanque de água tratada. A água é enviada através da bomba para o interior da caldeira, passando por uma série de válvulas (automáticas e manuais). O suprimento de água da caldeira é feito considerando-se a reutilização do condensado de retorno do sistema através de bombas entrópicas. As linhas de óleo combustível têm a função de distribuir o combustível até os queimadores. Para linhas de alimentação de óleo de alta viscosidade, que trabalham em faixas de temperatura elevadas, é necessário manter-se sempre alinhado o sistema de aquecimento (traços de vapor ou elétricos), garantindo a circulação na linha e boa pulverização na queima. A partir de um tanque ou reservatório de armazenamento, o óleo combustível é bombeado até o tanque de serviço, quando houver. Este tanque de serviço serve para diminuir as flutuações de carga e variações de temperatura. O óleo excedente retorna do queimador para este tanque. A utilização de óleos combustíveis de viscosidade elevada pode apresentar alguns problemas. Eles são: • Dificuldades de bombeamento; • Pulverização deficiente; • Dificuldades de acendimento; • Instabilidade de chama; • Entupimento do bico do queimador. As redes e tubulações da gás combustível devem possuir válvula de alívio e devem ser tomados cuidados especiais no sentido de evitar a presença de fase líquida misturada à fase gasosa. Isso deve ser feito por causa dos riscos de explosão na fornalha, provocada por arraste de líquido para seu interior. Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET 31 As tubulações de vapor compõem as linhas de vapor. Essas tubulações, por trabalharem com temperaturas e pressões elevadas, exigem dos projetistas alguns cuidados adicionais. As tubulações devem ter um traçado que garanta flexibilidade durante processos de aquecimento/resfriamento. Para tal, são inseridos no projeto “loops” ou liras, ancoragens, suportes móveis, etc. O vapor não tem características corrosivas desde que a água utilizada na geração seja de boa qualidade; no entanto, caso a rede de vapor não esteja dimensionada adequadamente, o aumento da velocidade em alguns pontos pode causar severo processo erosivo em curvas e pontos de derivação. As tubulações de condensado também devem ter pontos de drenagem e/ou purgadores para evitar acúmulo de depósitos nos pontos baixos da rede, que podem causar corrosão e contaminação do condensado que poderá retornar para o sistema de água de alimentação das caldeiras. O sistema de condensado pode retornar para o tanque de água de alimentação ou ser descartado, dependendo dos elementos contaminantes presentes ou da disponibilidade de sistemas de tratamento para seu reaproveitamento. Todas as drenagens da caldeira são descarregadas num reservatório denominado tanque de expansão ou tambor de “blow down”, cuja finalidade é reduzir os níveis de ruído provocados por este processo. Essas drenagens estão concentradas em um único local a fim de acertar a composição da água da caldeira, eliminando os sólidos que tendem à formação de lama, além de reduzir as pressões e evitar vaporização intensa em vários pontos da área da caldeira. As tubulações e válvulas de injeção deprodutos químicos devem ser periodicamente inspecionadas a fim que se evite a possibilidade de vazamento na área de caldeiras. Na fabricação de tubulações e válvulas podem ser empregados diversos tipos de materiais: aço-carbono, aço inoxidável aços-liga, etc. Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET32 Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET 33 Purgadores Os purgadores são dispositivos automáticos que servem para eliminar o condensado formado nas linhas de vapor e nos aparelhos de aquecimento, sem deixar escapar vapor. São usados, também, nas linhas de ar comprimido para evitar a formação de umidade com riscos de corrosão para a tubulação. Os bons purgadores, além de remover o condensado, também eliminam o ar e outros gases incondensáveis como o CO2, por exemplo. Os purgadores servem também para reter o vapor nos aparelhos de aquecimento existentes em serpentinas, nas autoclaves e estufas, deixando sair apenas o condensado. Existem vários tipos de purgadores reunidos em três grandes grupos: • Mecânico; • Termostático; • Termodinâmico. Purgador mecânico Os purgadores mecânicos são classificados em três tipos: de bóia, de panela invertida, e de panela aberta. O purgador de bóia funciona com um orifício de saída de água sempre abaixo do nível mínimo. Quando há excesso de água ou condensado, o nível sobe e a bóia flutua, abrindo a saída pelo orifício. A bóia se estabiliza em uma posição em que a quantidade de água que entra (com vapor) é igual à quantidade de água que sai. Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET34 Esse tipo de purgador não deixa passar os gases existentes no sistema. O ar que nele entra, não consegue sair e a descarga é contínua. Na instalação do purgador de panela invertida, é preciso enchê-lo com água. Nesse tipo de purgador, o condensado, ao entrar, se projeta contra o fundo da panela. Desse modo, qualquer ar que entra, pode escapar pelo orifício A, como mostra a ilustração a seguir. Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET 35 O condensado se acumula dentro do corpo do purgador e dentro da panela. Se a quantidade de condensado que entra no purgador é moderada, o orifício A é insuficiente para igualar as pressões B e C. Desse modo, o nível da água sobe mais rapidamente em C do que em B. Isso faz a panela flutuar e fechar a válvula. À medida que o condensado se acumula, ele enche a parte externa da panela e faz o nível subir conforme o orifício permite. Quando há bastante água acumulada na panela, essa flutuação desaparece e a panela desce por causa de seu peso e a válvula se abre. Então, a pressão do vapor P (na parte superior, dentro da panela) força o condensado a sair pela válvula. Quando uma certa quantidade de água deixa a panela, a flutuação é restabelecida, fazendo a panela subir e fechar a válvula. A panela mantém seu poder de flutuação enquanto o vapor ou o ar não aparecem. O ar escapa através de A, podendo, eventualmente, sair pela válvula. O vapor escapa por A e é condensado no corpo do purgador. A força que abre a válvula é o peso da panela. Sua flutuação, por outro lado, é que fecha a válvula. Esse purgador é intermitente. Se o orifício A entope, o purgador não funciona. Durante o período de acumulação de água no purgador, o vapor que sai por A deve condensar em seu topo para permitir que o ar também saia da panela. Por isso, essa parte é isolada. No purgador de panela aberta, a flutuação da panela é que fecha a válvula. Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET36 Quando a válvula está fechada, a panela pode subir e, assim, o condensado vai se acumulando até transbordar por cima da panela. Ao entrar água suficiente na panela, ela desce e a pressão do vapor força o condensado a sair pela válvula que fica aberta até que a flutuação da panela feche novamente a válvula. O funcionamento desse tipo de purgador é intermitente. Sua operação é prejudicada porque o ar que entra fica aprisionado nele. No início da operação, ele também tem que ser enchido com água. Purgador termostático O purgador termostático é indicado para pressões de vapor saturado de 1 até 7 kgf/cm2 e temperatura até 170o C. A ligação da descarga tanto pode ser feita na horizontal quanto em um ângulo de 90o, mudando-se a localização do bujão. Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET 37 Esse tipo de purgador é indicado para serviços leves, na retirada de condensados de cozinhadores, serpentinas e autoclaves. Deve operar em locais de temperatura ambiente a, no mínimo, um metro da saída do aparelho, devendo ter um pequeno declive para o purgador. Purgador termodinâmico O purgador termodinâmico é usado para retirar água condensada de tubulações, serpentinas e todos os tipos de aparelhos aquecidos com vapor como tachos, estufas, cilindros, irradiadores, cozinhadores, etc. Como esse tipo de purgador é muito sensível a detritos e impurezas, é indispensável a instalação de um filtro na rede de vapor antes dele. O purgador termodinâmico descarrega, automaticamente com o condensado, todo o ar ou gases não-condensáveis presentes nas máquinas e aparelhos onde estão instalados. Trabalha sob qualquer pressão entre 1 e 25 kgf/cm2 e tem tamanho reduzido se comparado com os demais. 1. Na partida, o condensado empurra o disco e o purgador abre, descarregando-o. quando o vapor vivo se aproxima, forma-se uma zona de baixa pressão sob o disco, puxando-o para baixo e fechando o purgador. 2. Ao passar pelo purgador, o condensado gera vapor “flash”. Parte desse vapor vai para cima do disco, forçando-o para baixo. 3. Purgador permanece fechado até a chegada de novo condensado, graças à pressão do vapor “flash” sobre o disco. Ao perder energia, o vapor “flash” se condensa, abrindo o purgador. O ciclo se repete (2) e o purgador fecha-se novamente. Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET38 Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET 39 Exercícios 1. Quais os principais dispositivos de alimentação de uma caldeira? __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 2. Por que a bomba d'água não deve apresentar uma pressão inferior à pressão de operação da caldeira? __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 3. Cite uma vantagem da bomba centrífuga em relação aos demais tipos de bomba. __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 4. Qual a finalidade do injetor em caldeiras de pequeno porte? __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET40 5. Qual a finalidade da instalação de filtros em tubulações de combustível líquido para caldeiras? __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 6. Qual é a finalidade do ventilador e exaustor em uma caldeira? __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 7. Por que é necessário o controle de nível da caldeira? __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 8. Como deve ser mostrado o nível de água da caldeira? __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 9. Quando o indicador de nível apresenta oscilações que providencias a operador deverá tomar __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 10. Para que servem os manômetros de uma caldeira? __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET 41 11. Qual é a finalidade da instalação da válvula de segurança em uma caldeira? __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 12. Por que devemos testar periodicamente a válvula de segurança? __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 13. Para que serve a fotocélula numa caldeira? __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 14. Qual a finalidade do pressostato de uma caldeira? __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 15. Qual é a finalidade da válvula solenóide em caldeira de combustíveis líquidos e gasosos? __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET42 Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET 43 Referências SENAI-SP. Manual de segurança para operador de caldeira. Por Lázaro Vieira Maciel e Leandro José Martinez. São Paulo, 1995. SENAI. Operador de caldeiras. Catálogos gerais de fabricantes Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Instrumentos e dispositivos de controle de caldeira SENAI-SP - INTRANET44
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