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UNIVERSIDADE Dê CAXIAS DO SUL CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA DISCIPLINA DE MAQUINAS TERMICAS APOSTILA SOBRE CALDEIRAS Prof. Carlos Roberto Altafini Semestre letivo 02/2 2 As caldeiras represen m Sv. içx tc view operação segura e ef lucratividade. Portan capital. Sua rítica para garantir ento e o desenvolvimento do pessoal respons vel por esses equipamentos. Falhas nas práticas bem estabelecidas de funcionamento das caldeiras podem ser catastróficas.

ASPECTOS GERAIS RELACIONADOS Às CALDEIRAS Caldeira é o nome popular dado aos equipamentos geradores de apor, cuja aplicação tem sido ampla no meio industrial e também na geração de energia elétrica nas chamadas centrais termelétricas. Portanto, as atividades que necessitam de vapor para o seu funcionamento, em particular, vapor de água pela sua acessórios principais; Riscos de explosões; Tratamento da água de Caldeiras e Norma Regulamentadora ND 13. . PRINCIPAIS CONCEITOS DA TERMODINAMICA RELACIONADOS OPERAÇÃO DE CALDEIRAS De modo geral, as substâncias podem existir em diferentes fases, que são a fase sólida, fase líquida e a fase gasosa. Assim é definido fase uma porção homogênea de matéria. Relacionado à fase gasosa da substância, utlliza-se com freqüência o nome vapor para essa fase quando a substância está próxima de um estado em que parte da mesma pode condensar-se.

O comportamento pressão, volume e temperatura, que para os chamados Gases Perfeitos é expresso pela equação pv = RT, para o vapor, que é considerado um gás real, essa equação não representa muito bem comportamento mencionado. As equações de estado utilizadas para expressar o comportamento dos gases reais são em geral muito complexas, inviabilizando de forma rápida os seus usos. Para tanto, utiliza-se na maioria das plicações em engenharia, os diagramas e as tabelas termodinâmicas para as diferentes fases das substâncias.

Nesses recursos, especialmente para as fases líquida e gasosa (vapor), são apresentadas os diversos valores das propriedades termodinâmicas: além das três identificadas acima, título, entalpia e entropia. Nas figuras 1, 2 e 3 são apresentados alguns diagramas para a água, nos quais são PAGF termodinâmicas e para auxiliar na visualização dos diversos processos pelos quais uma substância pode passar. É importante destacar aqui que o vapor d’água é utilizado como agente transportador e energia em diversos processos industriais e nas centrais termelétricas.

Isso se deve às vantagens a seguir: A água é a substância mais abundante sobre a Terra. Possui grande conteúdo energético (entálpico). Pouco corrosivo. Não é tóxico. Não é inflamável nem explosivo. Com base nos diagramas apresentados, algumas considerações são feitas: A pressão identificada nos diagramas é a pressão absoluta, a qual é medida em relação a um referencial fixo, dito absoluto. Desse modo, uma pressão medida acima da pressão atmosfé é variável (altura em PAGF 3 OF 3).

Nos diagramas são identificados os estados de líquido omprimido, de líquido saturado, de saturação líquido-vapor, de vapor saturado e de vapor superaquecido. Identifica-se ainda nos diagramas x h e h x s, o ponto crítico da água definido por p=22,09MPa e a partir da qual não se identifica mais a presença da fase líquida e vapor existindo em equillbrio. Para o estado de mistura líquido-vapor é comum definir-se o título (x) do vapor, que é a fração em massa (ou percentual em massa) do vapor em relação à massa total da mistura.

Isso significa dizer, por exemplo, se o vapor que sai de uma caldeira tem uma qualidade (título) de 97%, significa que 3% é umidade (água íquida). Ao iniciar-se a produção de vapor em uma caldeira, prmeiramente todo o calor fornecido a água (pela queima do combustível e pelos gases de combustão) serve para aumentar sua temperatura. Ao calor associado à mudança de temperatura da água dá-se o nome de cal uma caldeira, como em Se o vapor obtido na vaporização apresenta qualidade de 100%, seu titulo é Iguala 1 ea esse vapor dá-se o nome de vapor saturado seco.

Ainda, se a esse vapor for transferido calor, isso fará aumentar sua temperatura (calor sensível) e provocará o seu superaquecimento (vapor superaquecido) em um determinado grau de superaquecimento. Por exemplo, se ao vapor saturado seco à pressão absoluta de 10 bar (T-1800C) for transferido calor de modo a aumentar sua temperatura para 2200C, o grau de superaquecimento resultante é de 400C.

Para o completo entendimento de operação das caldeiras, aos conceitos introduzidos anteriormente somam-se aqueles relacionados aos dois princípio básicos da Termodinâmica (1a e 2a Leis da Termodinâmica), acrescidos dos princípios que regem o processo de combustão, os mecanismos de transferência de calor e escoamento dos fluidos. Em geral, o vapor é empregado para aquecimento e para a produção de trabalho ecânico. Para aquecimento, o vapor pode ser usado direta ou indiretamente. No processo de aquecimento direto, o vapor entra em contato direto com o material a ser aquecido.

Exemplo disso é o aquecimento de água ou outros líquidos com injeção direta de vapor. Outros exemplos: lavagem de garrafas, curtimento de couro, esterilização, engomagem de tecidos, etc.. No uso indireto, o vapor não entra em contato com o material a ser aquecido e fica, porta por uma superfície. Esse PAGF s OF de equipamentos que operam com vapor de uso indireto: calandras, 5 boylers, radiadores, autoclaves, etc.. ara a produção de potência, o vapor é utilizado em máquinas alternativas e em turbinas, sendo que nessas o vapor é em geral superaquecido.

Exemplos de máquinas alternativas: prensas, martelo para forjaria, locomóveis, locomotivas, etc.. O vapor pode ser empregado também para extração de gases não condensáveis, tais como o ar, dos espaços evacuados, nas chamadas bombas de jato. Outra aplicação muito comum do vapor é no bombeio da água de alimentação de caldeiras nos chamados injetores. 2. TIPOS E CLASSIFICAÇÃO DAS CALDEIRAS E SEUS ACESSÓRIOS PRINCIPAIS A primeira tentativa do homem em produzir vapor na evolução da istória da humanidade foi no século II a. C. quando Heron de Alexandria concebeu um aparelho que vaporizava água e movimentava uma esfera em torno de seu eixo. Esse foi o aparelho percursor das caldeiras e das turbinas a vapor. Entretanto, foi na época da Revolução Industrial que teve impulso o uso do vapor sob pressão para movimentar as máquinas. Muitos, entre cientistas, artlfices e operários, ocuparam-se por longos anos na evolução dos geradores de vapor. Os mais notáveis trabalhos neste campo se devem a Denis Papin na França, a James Watt na Escócia e a Wilcox nos Estados Unidos. xplodem, magina-se quantos acidentes ocorreram e quantas vítimas houveram desde a época em que o vapor passou a ser o principal agente de movmentação das máquinas. Atualmente as caldeira de uso industrial produzem até IO toneladas ou mais de vapor por hora e o fator limitante da capacidade de produção de vapor é as dimensóes da unidade e as propriedades metalúrgicas dos materiais utilizados. Aliado aos avanços da tecnologia na produção de vapor, houve a necessidade de avanços nas técnicas de proteção tanto dos operadores dos equipamentos geradores de vapor, quanto da comunidade ao redor da fábrica.

Foi a partir de um dos cidentes mais catastróficos ocorridos durante a evolução industrial, o qual aconteceu em 1905 na cidade de 7 Massachusetts/EUA, onde morreram 58 pessoas, que a sociedade alertou-se para a necessidade de normas e procedimentos para a construção, manutenção e operação das caldeiras. Assim, foram criados os códigos da American Society of Mechanical Engineers (ASME), o qual se constituem na principal fonte de referência normativa sobre caldeiras e vasos de pressão do mundo.

Nos geradores de vapor, a energia térmica é liberada através das seguintes formas: Pela queima de um combustível sólido (carvão, lenha), líquido óleos derivados do PAGF 7 transferida para as superfícies de absorção de calor. Existem diversos tipos de caldeiras, as quais podem ser classificadas segundo diversos critérios. Segundo uma classificação mais genérica, as caldeiras se classificam FUMOTUBULARES e AQUOTUBULARES. As caldeiras fumotubulares ou flamotubulares se caracterizam pela circulação interna dos gases de combustão, ou seja, os tubos conduzem os gases por todo o interior da caldeira, como mostra a figura 4.

São construídas para operar com pressões limitadas, pois as partes internas submetidas à pressão são relativamente grandes, nviabilizando o emprego de chapas de maiores espessuras. Existem caldeiras fumotubulares verticais (figura 4), porém, atualmente, as caldeiras horizontais são muito mais comuns, podendo ser fabricadas com fornalhas lisas e corrugadas, com 1, 2 ou 3 passes, com traseira seca ou molhada, conforme visto na figura 4. Nas caldeiras fumotubulares que operam com combustíveis líquidos ou gasosos, o queimador é instalado na parte frontal da fornalha.

Nessa, predomina a troca de calor por radiação luminosa e nas partes posteriores da caldeira (caixas de reversão e tubos) a troca de calor se processa essencialmente por radiação asosa e convecção. A fornalha e os tubos ficam circundados de água e são ancorados nos espelhos (discos externos) por solda ou por mandrilagem. Os espelhos são ancorados por solda ao tubulão externo. Esses estão submetidos à press apor e os tubos e construtivo, são limitadas em produção e pressão, que em geral não ultrapassam valores de 15 ton/h de produção de vapor e 8 18 bar de pressão de trabalho.

As caldeiras aquotubulares se caracterizam pela circulação externa dos gases de combustão e os tubos conduzem massa de água e vapor. A figura 5 ilustra este tipo de caldeira, cuja produção de vapor é maior que a das umotubulares. As caldeiras aquotubulares são de utillzação mais ampla, pois possuem vasos pressurizados internamente e de menores dimensões relativas. Isso viabiliza econômica e tecnicamente o emprego de maiores espessuras e, portanto, a operação em pressões mais elevadas.

Outra característica importante desse tipo de caldeira é a possibilidade de adaptação de acessórios, como o superaquecedor, que permite o fornecimento de vapor superaquecido, necessário ao funcionamento das turbinas. Nas caldeiras aquotubulares o volume de água é distribuído por um grande número de tubos submetidos, exteriormente, ao contato dos gases de ombustão. Os tubos podem ser retos ou curvados, dispostos de forma a garantir uma eficiente circulação da água em ebulição.

A circulação natural da água está condicionada às unidades que operam a baixas pressões de trabalho, pois valores próximos à pressão crítica tornam a circulação natural deficiente (yLiq=yVap, figura 6). As figuras de 7 a 11 mostram diversos tipos construtivos de caldeiras aquotubulares. caldeiras mistas. As caldeiras fumotubulares são em geral, compactas, isto é, saem prontas da fábrica, restando apenas sua instalação no local em que serão operadas. As caldeiras aquotubulares, porém, além do tipo compacto, podem ser do tipo montadas em campo, quando seu porte justificar sua construção no local de operação.

Essas se caracterizam de acordo com a estrutura que a suporta: caldeira auto-sustentada, quando os próprios tubos e tubulões constituem sua estrutura; caldeira suspensa, quando a necessidade de uma estrutura a parte; e caldeira mista, que emprega estas duas formas básicas de sustentação. Após a queima do combustível na fornalha, os gases quentes percorrem o circuito dos gases, desenvolvendo diversas passagens para melhor aproveitamento do calor, sendo, inalmente, lançados na atmosfera através da chaminé. ? evidente que, para essa movimentação, há necessidade de diferenças de pressões para promover a retirada dos gases queimados e possibilitar a entrada de nova quantidade de ar e combustível. Dá-se o nome de tiragem ao processo que retira os gases mediante a criação de pressões diferenciais na fornalha. Portanto, as caldeiras podem ser de tiragem natural, quando esta se estabelece por meio da chaminé, e de tiragem forçada quando, para produzir a depressão, são utilizados ventiladores. Finalmente, para os propósitos da NR 13, as caldeiras são classificadas em 3