Caldeiras
CALDEIRAS Prof. José Luiz Gyurkovits 2004 SUMÁRIO Introdução 2 orq to view nut*ge Os diversos tipos de caldeiras Risco de explosões 15 4 Superaquecimento como causa de explosões evolução e, ainda hoje, apresenta dados surpreendentes. As duas características básicas das caldeiras, pressao e capacidade de produção de vapor, vêm alcançando valores jamais esperados pelos técnicos do século passado (Figura 1).
Atualmente, existem caldeiras com capacidade para produzir ate 3 ou 4 ton de vapor por hora e sabe-se que o fator limitante dessa característica é o tamanho da unidade, que se assemelha cada vez ais, a uma verdadeira fabrica de vapor. Por outro lado, a limitação das pressões relaciona-se às propriedades metalúrgicas dos materiais empregados, permitindo, no entanto, a existência de caldeiras que operem a pressões acima de 200 atmosferas, ou seja, “pressão critica”, onde se igualam determinadas caracteristicas da água nas fases liquida e de vapor.
Se a tecnologia de produção de vapor avançou, há necessariamente que ocorrer um avanço na técnica de proteção dos homens que trabalham nessa área. Pretendemos aqui dar uma contribuição para que esse objetivo seja alcançado e, dar uma contribuição para que sse objetivo seja alcançado e, para tanto, reunimos aqui, as pnncpals causas de acidentes na operação de caldeiras, cujo conhecimento consideramos indispensáv e ministram PAGF internacionais sobre a matéria.
OS DIVERSOS TIPOS DE CALDEIRAS Existem diversos tipos de caldeiras, as quais podem ser classificadas segundo diversos critérios: a) Quanto à localização relativa água-gases. Caldeiras Flamotubulares ( ou tubos de fogo). São aquelas em que gases quentes da combustão passam por dentro dos tubos, tubos estes circundados pela água ( figura 2). São feitas para operar em pressões limitadas, uma vez que o aso submetido a pressão é relativamente grande, o que inviabiliza o emprego de chapas de maiores espessuras.
Existem caldeiras flamotubulares verticals, porém, atualmente as caldeiras horizontais são mais comuns, podendo ser constituídas de fornalhas lisas ou corrugadas; 1, 2, 3 passes; traseira seca ou molhada. (conforme figura 3). Cadeiras aquatubulares. São aquelas em que os gases quentes envolvem os tubos que possuem água em seus interiores ( figura 4). Esse tipo de caldeira é de utilização mais ampla, uma vez que possui vasos pressurizados ( tubulões ) de menores dimensões relativas, o que iabiliza, econômica e tecnicamente o emprego de maiores espessuras formando sistemas complexos como o indicado na figura 6.
Existem, embora sejam raras, caldeiras que possuem partes aquatubulares e partes flamotubulares, constituindo-se, desta forma, o que se poderia denominar caldeiras mistas ou multitubulares. 6 7 8 10 Um exemplo desse tipo é uma caldeira aquatubular que possui tubulão superior atravessado longitudinalmente por tubos de fogo. O grande problema dessas concepções decorre da possibilidade de reunirem em uma só caldeira as desvantagens dos dois tipos. b) Quanto à energia empregada para o aquecimento.
O tipo mais comumente encontrado é o de caldeiras que queimam combustíveis: sólidos ( carvão, lenha, cavacos, bagaços, etc. líquidos ( óleos combustíveis, principalmente ) e gasosos ( gás liquefeito petróleo Gl_p, embora esse tipo de combustível esteja em desuso, sendo utilizado apenas em caldeiras de pequeno porte e em locais em gerado pela fissão do urânio é transmitido à água mediante circuitos fechados, gerando, assim, o vapor, que é utilizado em circuitos secundários à semelhança de caldeiras e turbinas convencionais, sugerindo desse modo, a denominação de caldeiras nucleares. Quanto ao fluido que contém. Além das caldeiras destinadas à vaporização de água, existem as são usadas para a vaporização de mercúrio, de líquidos térmicos outros. Ultimamente, vem sendo largamente empregadas as caldeiras de fluido térmico, que aquecem (vaporizando ou não, dependendo do caso) fluidos em circuitos fechados, fornecendo calor a processos, sem transferência de massa. ) Quanto à montagem Normalmente, as caldeiras flamotubulares são pré-montadas ou, como também se denominam, compactas, isto é, saem prontas de suas fabricas, restando apenas sua instalação no local em que serão peradas. As caldeiras aquatubulares, porém, além do tipo compacto, podem ser do tipo “montadas em campo”, quando seu porte justificar sua construção no local de operação, como por exemplo, a caldeira de 33 metros de altura contida na fi ura 7. A caldeira montada em ca PAGF s OF da, ser caracterizada desta.
Quando a circulação é mantida graças a diferenças de densidade entre a égua mais quente e a menos quente, a circulação da água é denominada “natural”. Em contraposição, denominam- caldeiras de circulação forçada àquelas que possuem sistemas de coletores e de impulsionamento da água. ) Quanto ao sistema de tiragem Após a queima do combustível na fornalha, os gases quentes percorrem o circuito dos gases, desenvolvendo diversas passagens, para o melhor aproveitamento do calor, sendo, finalmente, lançados ? atmosfera pelas chaminés. ? evidente que, para haver essa movimentação, há necessidade diferenças de pressões, que promovam a retirada dos gases queimados e possibilitem a entrada de nova quantidade de ar e combustível. Denomina-se tiragem o processo que retira os gases mediante a criação de pressões diferenciais na fornalha. Pode-se, portanto, aracterizar as caldeiras como caldeiras de tiragem natural, quando esta se estabelece por meio de chaminés, e como caldeiras de tiragem artificial, (mecânica ou forçada) quando, para produzir a depressão, empregam-se ventiladores ou ejetores. 2 Como se vê, existem inúmeros critérios para a classificação (identificação) de caldeira PAGF 6 OF só de um país para 26/04/1995, constituindo-se no documento oficial brasileiro para avaliações e regulamentações sobre CALDEIRAS E VASOS DE PRESSÃO. Caldeira nova e não nova, caldeira estacionária e não estacionárias são utras classificações também de uso corrente, que regem artigos desta nova legislação. 13 14 RISCO DE EXPLOSÕES A utilização de caldeiras implica a existência de riscos de natureza diversificada, tais como: explosões, incêndios, choques elétricos, intoxicações, quedas, ferimentos diversos, etc..
Deve-se, no entanto, destacar a importância do risco de explosões, por quatro motivos principais: • por se encontrar presente durante todo o tempo de operação, sendo necessário o seu controle continuo, sem interrupção • Em razão da violência com que as explosões se manifestam, a maioria dos casos suas consequências são catastróficas, em face da grande quantidade de energia liberada instantaneamente; • Por envolver não só o pessoal de operação, como também os que trabalham nas proxmldades, podendo atinglr até mesmo a comunidade (vizinhos e vias públicas) e a clientela, quando se trata de empresas de serviços (hospitais e hotéis, principalmente); • Porque sua prevenção deve ser considerada em todas as fases: projeto, fabricação, nutenção, inspeção e PAGF 7 OF espaço 10 vezes menor do que ocuparia se estivesse submetida pressão atmosférica. Essa massa “deseja”, portanto, ocupar um espaço 10 vezes maior, “procurando”, através das fendas e rupturas, e “conseguindo-o” com a explosão, quando, por um motivo ou outro, a resistência do vaso é superada. Daí a necessidade do emprego espessuras calculadas em função de resistência do material e das características de operação. No caso de caldeiras, outro fator importante a ser considerado para avaliarem-se as conseqüências de uma explosão é a quantidade calor encerrada no processo de vaporização da água.
De fato, entendendo-se que a entalpia ( H ) de um sistema é o conteúdo lobal de sua energia e que H—U+PV, onde U é a energia interna, P a pressão e V o volume, nota-se que: a) Se comparada a um reservatório comum de ar comprimido à mesma pressão e mesmo volume, uma caldeira operará com entalpia ( HC ) maiordoq u e adore se rvatório(H pois nesses casos: – UC+PV Ur+PV HC – – IJr+PV-pv E sendo > > Ur ( a energia interna no sistema caldeira é muito superior à do reservatório de ar, dada a grande quantidade de calor latente e de calor sensível absorvida pelo vapor ) tem-se que: única de analisar o comportamento das curvas de alculo de espessuras, é valido simplificar a expressão aplicável a equipamentos submetidos a pressões internas, eliminando-se os termos que exercem pequena influencia, obtendo-se: Onde: t = espessura P – pressão de projeto R raio interno = tensão admissível Considerando-se determinado diâmetro D, constante, observemos na flg. , o comportamento das curvas t em função de S e de p. A partir dessa observação, concluir que, para resistir a determinada pressão P, os valores de t e de S podem variar sem prejudicar a segurança do equipamento, desde que os pontos cartesianos ( Si , stejam contidos pela área situada acima da curva referente ? com que se quer trabalhar. 16 Dessa forma, os valores: • ( ti , SI ), que caracterizam o onto 1 são satisfatórios para que o equipamento trabalhe n PAGF 61 diminuição da espessura, que pode advir da corrosão ou da erosão ( fig. 10 ); aumento da pressão, que pode ser decorrente de falhas diversas,operacionais não (fig. li). 7 18 4 SUPERAQUECIMENTO COMO CAUSA DE EXPLOSÕES Superaquecimento é a exposição do aço, material com que é construída a caldeira, a temperaturas superiores às admissíveis, o que causa iminuição da resistência do material e cria o risco de explosões. Pode causar danos intermediários antes da ocorrência de explosões, tais como o empenamento, o envergamento, o abaulamento de tubos e Nas caldeiras aquatubulares é muito freqüente a ocorrência do abaulamento (defeito usualmente denominado “laranja” ou “joelho”, dada sua forma esferóidica, coma superfície convexa voltada para lado dos gases), decorrente de deformação plástica do aço em temperatura da ordem de 400 a 540 oc, sob a ação prolongada da pressão interna do vapor. O superaquecimento contribui também para a oxidação das superffcies