Caldeiras, vaso de pressão, aulas [1].ppt

Aulas sobre caldeira, vaso de pressão

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Caldeiras

2. Introdução
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Uma caldeira é um vaso de pressão “fechado” no qual se aquece
um fluido contido no mesmo por aplicação direta do calor
resultante da combustão de combustíveis (sólido, líquido o
gasoso) o por a utilização da energia nuclear ou elétrica
Caldeiras
•O código ASME seção I estabelece as regras para sua construção
•A NR-13 DOU (26/04/95) faz referencia à inspeção destes equipamentos

3. Introdução
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Depois da água, o vaporvapor é o fluido mais utilizado nos processos industriais e na área de conforto
térmico. Sua utilização se dá em diferentes condições e para os mais variados fins, tais como:
•Geração de energia elétrica;
•Transmissor de força motriz para o acionamento de turbinas, compressores e ventiladores;
•Fonte de calor;
•Controle de temperatura em reações químicas;
•Auxiliar no processo de destilação;
•Aquecimento do meio ambiente na área de conforto térmico;
•Prevenção e combate a incêndios;
•Agente de limpeza, deslocando graxas e óleos;
•Acelerador das limpezas alcalinas e ácidas;
•Limpeza de equipamentos.

4. Introdução
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Os principais tipos de caldeiras são as mencionadas a seguir:
 Caldeiras Elétricas
 Caldeiras de Combustão
A principal função de uma caldeira é receber água líquida e energia
Gerando vaporGerando vapor
Isto é conseguindo pelo aquecimento de uma certa quantidade de água no interior da
mesma. O vapor pode ser gerado tanto eletricamente como pela queima de combustíveis
em sua fornalha

5. Caldeiras Elétricas
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•Baixa taxa de deterioração e de manutenção
•São equipamentos mais simples e, em média, mais baratos do que as caldeiras a combustão
•Elas não requerem muito espaço para a sua instalação
•Dependendo o caso, dispensa pessoal exclusivo para o seu acompanhamento operacional
•Sua eficiência não varia significativamente com a carga
•Elas não geram vapor superaquecido, apenas vapor saturado e água quenteElas não geram vapor superaquecido, apenas vapor saturado e água quente
•Também não poluem a atmosfera e tem baixo nível de ruído
•A temperatura máxima em contato com este tipo de equipamento é a temperatura do vapor

6. Caldeiras Elétricas
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7. Caldeiras a Combustão
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Isto as torna, praticamente, a única opção para grandes indústrias
•São de construção mais cara que as elétricas
•Exigem mais espaço para sua instalação e pessoal especializado para a sua operação
•Elas são submetidas a temperaturas elevadas e, estão sujeitas a diversos tipos de deterioração
•Elas são submetidas a temperaturas elevadas e, estão sujeitas a diversos tipos de deterioração
•Requerem de um acompanhamento operacional, inspeção e manutenção; de forma periódica
•Elas também sofrem grande variação de eficiência conforme a sua carga operacional
•Podem ser projetadas para gerar vapor superaquecido em qualquer pressão e cargas variadasPodem ser projetadas para gerar vapor superaquecido em qualquer pressão e cargas variadas
•Estes tipos de caldeiras poluem a atmosfera e trabalham gerando grande nível de ruído

8. Caldeiras a Combustão
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9. Caldeiras a Combustão
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As caldeiras a combustão se dividem:
•Flamotubulares
•Aquotubulares.
Também conhecidas como flamotubulares, estas caldeiras caracterizam-se por serem
equipamentos simples que trabalham com pressões e taxas de vaporização limitadas,
destinando-se a pequenas produções de vapor.
Elas têm como característica: a produção de vapor, pelo aquecimento de água
que circula no interior dos tubos. Permitem a produção de grandes
quantidades de vapor, em alta pressão e temperatura.

10. Caldeiras Flamotubulares
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O modelo mais comum é constituído de um corpo cilíndrico com
dois espelhos fixos, nos quais os tubos contidos no seu interior são
mandrilados ou soldados. Estes tubos internos são um tubo central de
fogo, normalmente de diâmetro maior que os demais, que se
dispõem em duas ou mais passagens, por onde fluem os gases. A
água, entrando no corpo cilíndrico e envolvendo os tubos, é aquecida
pelo fogo e pelos gases que circulam no interior dos tubos, até a sua
vaporização.

11. Exemplos
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12. Exemplos
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13. Exemplos
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14. Exemplos
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15. Componentes
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16. Características e Definições
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•Todos os tubos estão submetidos a pressão externa
•O costado e fundos estão submetidos a pressão interna
•Sua capacidade de geração e pressão são restritas
•Superfície de aquecimento direta (SAD): É aquela que por um lado está em contato
com a água e pela outra recebe calor diretamente em contato com o fogo
•Superfície de aquecimento indireta (SAI): É aquela que por um lado está em contato
com a água e pela outra recebe calor que entregam os gases de combustão
•Superfície de aquecimento da caldeira (SC): SAD + SAI. Se expressa em [m
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]

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Características

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Características

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Características

20. Caldeiras Aquotubulares
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Elas têm como característica: a produção de vapor, pelo aquecimento de água que
circula no interior dos tubos. Permitem a produção de grandes quantidades de vapor,
em alta pressão e temperatura. A diferencia das Flamotubulares, elas trabalham em
todas as faixas de pressões
MUITO BAIXA PRESSÃO Até - 100 psi ou - 7 Kgf/cm²
BAIXA PRESSÃO 100 psi - 200 psi ou 7 - 14 Kgf/cm²
MÉDIA PRESSÃO 200 psi - 700 psi ou 14 - 49 Kgf/cm²
ALTA PRESSÃO 700 psi - 1500 psi ou 49 - 105 Kgf/cm²
MUITO ALTA PRESSÃO 1500 psi - 3.209 psi ou 105 - 225,6 Kgf/cm²
SUPERCRÍTICA Acima de 3.309 psi ou acima de 225,6 Kgf/cm²

21. Caldeiras Aquotubulares
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Estas caldeiras são constituídas por um tubulão superior chamado tubulão de
vapor e um ou mais tubulões inferiores denominados tubulões de lama.
Interligando os tubulões têm-se tubulações dispostas na forma de feixes tubulares
e paredes de água. Entre os tubos do feixe tubular, ou entre este e as paredes de
água se encontra a fornalha, onde é queimado o combustível escolhido

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Tipo “A”
Tipo “D”

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Funcionamento
A transferência de calor e a formação de vapor se darão apenas nos tubos
ascendentes, na face exposta à fonte de energia. Como conseqüência imediata, um
diferencial de peso específico se estabelece entre a água dentro dos tubos na zona
radiante e a água encontrada nos tubos, na zona de convecção. A água com maior
peso específico dos tubos descendentes empurra a água com menor peso específico
dos tubos ascendentes para o tubulão de vapor, iniciando-se então uma circulação
natural, a uma velocidade adequada para a operação da caldeira.

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Funcionamento
Ao chegar ao tubulão superior e encontrar a superfície livre, o vapor sairá do seio do
liquido, separando-se e sendo acumulado. Enquanto isso, toda a água líquida passa,
obrigatoriamente, pelo tubulão inferior. Conseqüentemente, todos os depósitos que
porventura possa se formar no interior da caldeira, se acumularão neste vaso
O vapor desprendido do tubulão superior é chamado de saturado, pelo seu conteúdo, com água.

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Características Superaquecedor
Se efetuamos o aquecimento deste vapor em um feixe tubular chamado
superaquecedor, na zona de calor radiante, permite que mais calor adicionado ao
vapor saturado evapore os últimos traços de água e o transforme em vapor seco ou
superaquecido
As razões para o superaquecimento do vapor, são:
•Aumento na eficiência das turbinas, quando a diferença entre a temperatura de
admissão e a temperatura de exaustão do vapor aumenta.
•Remoção das gotas de água nele contidas; que em alta velocidade, podem produzir
pites e erodir as pás das turbinas

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Caldeiras Supercríticas
Caldeiras críticas e supercríticas são aquelas isentas de tubulões. As primeiras
possuem um separador de água, e nas segundas a água passa numa tubulação contínua,
para a fase do vapor. Obviamente, o fluxo de água é alimentado por bombas.
Crítica
Supercrítica

30. Componentes
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31. Tubulões
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Estão divididos em dois grupos: Tubulão superior ou de vapor e Tubulão inferior ou de lama.
O tubulão superior é um vaso de pressão cilíndrico cuja finalidade é separar,
acumular o vapor d'água gerado e receber a água de alimentação da
caldeira.
O tubulão superior está dotado de dispositivos especialmente projetados para reduzir a
presença de umidade no vapor, conhecida como internos do tubulão atuando sobre o
fluxo água-vapor das seguintes formas:
Força da gravidade
Força inercial
Força centrífuga
Filtração
Lavagem
Os principais acessórios internos dos tubulões superiores de caldeiras são telas, Os principais acessórios internos dos tubulões superiores de caldeiras são telas,
separadores, ciclones, calhas, distribuidores e chicanas. separadores, ciclones, calhas, distribuidores e chicanas.

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Tubulões

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Tubulões

34. Tubulões
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A função do tubulão inferior é acumular a água liquida e coletar
depósitos para que, posteriormente, possam ser drenados
Os tubulões, tanto o superior como o inferior, são fabricados em aço carbono e
soldados. O aço geralmente empregado é um aço de médio carbono, totalmente
acalmado, sendo os mais comuns o ASTM A - 515 Gr 70 e o ASTM A - 516

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Tubulões
De uma forma geral, as bocas de visita dos tubulões têm
fechamento de dentro para fora e sede elíptica
Características
Para compensar o aumento de tensão provocado pela furação dos
tubos, a espessura da chapa do tubulão superior na região de
mandrilagem desses tubos é maior

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Tubulões
Características
Os tubulões são dispostos horizontalmente em uma caldeira sendo que,
o tubulão inferior, possui uma leve inclinação no sentido da descarga de
fundo, cuja finalidade é facilitar a remoção da lama
A estes tubulões são fixados os tubos por onde escoam a água e o
vapor gerado. Esta fixação é feita através de mandrilagem, que
consiste na expansão do diâmetro de um tubo através da ação
mecânica de roletes calcados sobre a superfície interna dos tubos.
A expansão do diâmetro do tubo provoca a sua fixação no tubulão por interferência A expansão do diâmetro do tubo provoca a sua fixação no tubulão por interferência

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Mandrilagem

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Mandrilagem

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Mandrilagem
Quanto maior o número de roletes, melhor e mais uniforme é a dilatação do tubo. Uma
quantidade insuficiente de roletes pode provocar escamação, trincas, encruamento, tensões
excessivas ou irregulares além de vazamentos
A mandrilagem de um tubo deve ser controlada para evitar falhas por expansão excessiva
Quando da troca de um tubo, devem ser verificados os diâmetros do tubo novo (interno ou
externo) e do furo do tubulão, uma vez que, após ter sofrido excessivas mandrilagens, o
tubulão pode apresentar um alargamento de seus furos de tal monta que prejudique a
fixação do tubo novo

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Mandrilagem
A mandrilagem pode ser feita manualmente ou com ferramenta pneumática
Em caldeiras de alta pressão, após a mandrilagem, é efetuada uma solda de selagem
Após um tubo ter sido removido, o técnico de inspeção deve verificar se não ocorreram
avarias no tubulão e nos ressaltos do furo (grooves)

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Tubos
•São os elementos de maior volume em uma caldeira aquotubular
•O conjunto de tubos forma o que chamamos de fornalha da caldeira
•Os tubos das caldeiras são construídos em aço carbono (ASTM A – 178)
•As caldeiras modernas possuem aletas ou chapas de selagem
Desta forma, os tubos passam a formar um painel ao qual se dá o nome de
"parede d'água". Este tipo de montagem tem sido muito utilizado em
projetos modernos, sendo todas as paredes laterais da caldeira montados em
forma de painéis

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Coletores e Distribuidores
Os coletores são elementos tubulares onde se fixam os tubos de uma parede ou
painel. Os distribuidores interligam os coletores aos tubulões.

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Coletores e Distribuidores
A fixação dos tubos de uma parede ou painel aos coletores pode ser por solda ou por
mandrilagem
Na fixação por mandrilagem, é necessária a existência de uma abertura "portaló" na parede
oposta do coletor para possibilitar a instalação de mandriladora. Esta abertura possui sede
elíptica

45. Superaquecedores
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O superaquecedor é um conjunto de serpentinas, dentro das quais circula
o vapor saturado a ser superaquecido. Eles são, geralmente, colocados na
zona de radiação de chama, onde o fluxo de gases é mais quente.

46. Chicanas e Defletores
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São elementos cuja finalidade é direcionar a passagem dos gases quentes; de forma a termos
um melhor aproveitamento desses gases. Eles são normalmente construídos em alvenaria
(tijolos refratários) ou em chapas de aço carbono

47. Válvulas de Segurança
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São válvulas que evitam que a pressão da caldeira
ultrapasse a pressão máxima de projeto
De uma forma geral, caldeiras de grandes capacidades, possuem mais de
uma válvula de segurança

48. Tipos de Válvulas
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Válvulas de Segurança e Alivio
Controle da Pressão Montante

49. Invólucro da Fornalha
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Os invólucros de caldeiras têm a finalidade de separar os gases quentes de
combustão do ar exterior
Em caldeiras mais antigas, o sistema usado era o chamado de parede fria com refratamento
interno com tijolos

50. Invólucro da Fornalha
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Nos projetos mais modernos, o refratamento interno com tijolos é substituído por um isolante
térmico (lã de rocha ou concreto refratário) e os tubos por painéis de parede d'água. Estes painéis
são mais leves e usam uma pequena quantidade de material refratário, o que faz com que a
temperatura de operação da caldeira seja atingida mais rapidamente

51. Chaminés
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São dutos verticais destinados a garantir a circulação dos gases de
combustão das caldeiras para a atmosfera
Tiragem
Tiragem natural: A chaminé é a responsável de produzir a aspiração necessária
para que os gases possam vencer as resistências que encontram em seu caminho
circulando com uma velocidade aceitável de maneira que saiam da chaminé com
suficiente energia para atingir regiões elevadas da atmosfera
Tiragem artificial: A varredura dos gases se realiza mediante meios mecânicos
•Tiragem forçada •Tiragem induzida

52. Chaminés
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•As chaminés podem ser construídas em tijolos, concreto armado ou aço
•Quando construídas em concreto, é necessária a utilização de um revestimento
de tijolos ou concreto refratário
•As chaminés de aço, devem possuir um revestimento com refratário antiácido,
de forma que seja evitada a corrosão por condensação de gases ácidos
•Outros tipos de chaminés construídas de aço usam revestimento refratário para
resfriar a chaparia e permitir a utilização a utilização de espessuras de chapas
menores

53. Refratários
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São materiais cerâmicos, usados sob a forma de tijolos ou concreto monolítico,
cuja finalidade é proteger as partes pressurizadas das caldeiras da incidência
de chama, bem como, para evitar perdas de energia para o exterior da
caldeira
Existem duas grandes classes de refratários:
Tijolos e concretos isolantes e Tijolos e concretos refratários Tijolos e concretos refratários
•Os tijolos e concretos isolantes são, em geral, leves e possuem baixa densidade e
resistência mecânica, sendo usados, basicamente, para impedir a troca térmica
(isolantes térmicos)
• Os tijolos e concretos refratários são duros e possuem alta densidade e baixa
permeabilidade, sendo usados, primordialmente, para vedação de gases e proteção contra
a incidência de chama

54. Concretos Refratários
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55. Refratários
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Em tubos horizontais, como nos tubos do piso de uma caldeira, são colocados refratários para
evitar que haja vaporização da água, o que viria a impedir a circulação da mesma na parte
superior do tubo, provocando o seu superaquecimento. Este fenômeno é conhecido como "steam
blanketing"

56. Refratários
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Refratários também são utilizados nos queimadores da caldeira como direcionadores de chama,
dando forma e impedindo que a mesma incida nas paredes do queimador. A figura a seguir
mostra, esquematicamente, a utilização de refratários em um queimador a óleo

57. Refratários
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Os refratários usados em caldeiras são do tipo sílico-aluminosos,
que consistem de uma mistura de sílica e alumina
•Quanto maior a quantidade de alumina, maior a resistência à temperatura
•Quanto maior o teor de sílica, maior é a resistência à condensação ácida
Este é o motivo pelo qual usam-se refratários de alta alumina junto aos queimadores
(porcentagem de alumina superior a 80%) enquanto que, nas chaminés, são mais indicados
refratários com altos teores de sílica
•Os refratários de alta alumina são mais caros que os de alta sílica

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EQUIPAMENTO E DISPOSITIVOS
AUXILIARES
São equipamentos utilizados, na grande maioria das
vezes, para melhorar a performance das caldeiras
DUTOS DE AR E GASES
Sua finalidade é conduzir o ar necessário à queima do combustível nos queimadores
da caldeira e os gases de combustão para o exterior
•Geralmente construídos em aço carbono estrutural
•Devido à dilatação, são utilizadas juntas de expansão

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EQUIPAMENTO E DISPOSITIVOS
AUXILIARES
São elementos flexíveis cuja finalidade é acomodar as dilatações de dutos e
invólucros de gases
JUNTAS DE EXPANSÃO
São geralmente construídos em chapas finas de aço carbono ou aço inoxidável.
Caso não houvesse a presença da junta de expansão, o duto de gases provocaria
danos ao se dilatar entre a caldeira e a chaminé

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EQUIPAMENTO E DISPOSITIVOS
AUXILIARES

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EQUIPAMENTO E DISPOSITIVOS
AUXILIARES
A junta de expansão deve possuir um isolamento térmico na sua superfície externa
para evitar o resfriamento do seu fole. Caso isso aconteça, os gases de combustão no
interior do duto podem se condensar sobre a superfície do fole e provocar a sua
corrosão

62. Pré-Aquecedores de Ar
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São equipamentos permutadores de calor; com a finalidade de aquecer o
ar destinado a combustão, aproveitando, normalmente, o calor dos gases
de combustão
•Pré-aquecedores de ar tubularPré-aquecedores de ar tubular
•Pré-aquecedores de ar regenerativos Pré-aquecedores de ar regenerativos

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Os pré-aquecedores de ar tubulares são constituídos de um feixe tubular, fixado em espelhos,
inserido em um invólucro de chapa metálico. Os gases de combustão circulam pelo interior dos
tubos e o ar pelo lado externo aos mesmos. Este arranjo facilita a limpeza dos pré-aquecedores,
uma vez que se pode fazer a lavagem das cinzas depositadas no interior dos tubos pelos
espelhos dos pré-aquecedores
Pré-Aquecedores de Ar

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Pré-Aquecedores de Ar Tubulares

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Pré-Aquecedores de Ar Regenerativos
O tipo de pré-aquecedor tubular vem sendo substituído por unidades mais
compactas como ser: os pré-aquecedores regenerativos
Pré-aquecedores de Ar “Ljungstrom”
Estes pré-aquecedores são constituídos por um motor que opera em baixa rotação (2 a 3 rpm),
girando um rotor inteiramente metálico que contém cestos que atuam como "transportadores"
de calor
O princípio de funcionamento consiste no fato de os gases quentes aquecerem O princípio de funcionamento consiste no fato de os gases quentes aquecerem
uma massa metálica (cestos). Conforme o rotor gira, a massa metálica aquecida é uma massa metálica (cestos). Conforme o rotor gira, a massa metálica aquecida é
colocada em contato com o ar frio, transferindo o calor acumulado para este ar colocada em contato com o ar frio, transferindo o calor acumulado para este ar
que entra na caldeira. que entra na caldeira.

66. 66
Eles tem como finalidade, a economia de energia, evitando que uma
corrente fria (em geral o ar atmosférico) consuma parte do calor a ser
fornecido para o processo
•Pré-aquecedores de Ar “Ljungstrom”
Problemas de corrosão por condensação ácida (H2SO4)
Desbalanceamento do conjunto
Construídos com aços patináveis
Pré-Aquecedores de Ar Regenerativos

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Permutadores Regenerativos

68. Sopradores de Fuligem
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Eles têm por finalidade manter as superfícies de troca térmica limpas
de cinzas e fuligem. São chamados também de ramonadoresramonadores e têm, em
geral, a forma tubular possuindo diversos tubos ao longo de seu
comprimento para a saída de vapor em forma de jato
•Ramonadores fixos
•Ramonadores retráteis
Rotativos
Estacionários

69. Sopradores de Fuligem
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•Ramonadores fixos
Estes tipos de ramonadores estão localizados na zona de convecção das
caldeiras onde, normalmente a temperatura dos gases é relativamente baixa
Por estarem permanentemente em contato com os gases quentes da caldeira, os ramonadores
fixos estão sujeitos à fadiga térmica, à oxidação e a temperaturas elevadas (Resfriamentos
bruscos e intermitentes)
Especificados em ligas de aço inoxidável de alto cromo e níquel, como os aços AISI 309,
AISI 310 ou ligas Cr-Ni- Fe especiais

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Sopradores de Fuligem

71. Sopradores de Fuligem
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•Ramonadores retráteis
Estão localizados nas zonas de altas temperaturas de caldeiras, como na região
dos superaquecedores. Eles são mantidos fora da caldeira e, portanto,
permanecem frios quando frios quando não estão operando
•O seu funcionamento se baseia em movimentos lentos de rotação em torno de seu eixo,
além de um deslocamento longitudinal para o interior da caldeira
•Em operação, não atingem temperaturas elevadas, uma vez que por eles passa um grande
fluxo de vapor que os refrigera. Por este motivo, podem ser construídos em aço carbono

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Sopradores de Fuligem

73. 73
Economizador
É um feixe tubular, cuja finalidade é aquecer a água de alimentação da
caldeira utilizando os gases de combustão que deixam a mesma. Desta
forma, recupera-se calor dos gases de combustão e evita-se o choque térmico
resultante da entrada de água fria no tubulão.

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