Edson Luiz Neri - Rosylene dos Santos Carvalho - Sthenyo Ribeiro de Souza

CONTROLE DE PROCESSOS INDUSTRIAIS

CONHECENDO AS CALDEIRAS

AutorEdson Luiz NeriAtuando no setor de Educação, Tecnologia e Inovação, do SENAI do Distrito Federal nos últimos 20 anos. Graduado em Ciências e Pedagogia, Pós Graduado em Consultoria Empresarial e EaD, Elaboração de Planos de Negócios e Plano de Marketing pelo Ibemec, extensão em Marketing na ESPM, Desenvolvimento, Elaboração e Vendas de Serviços Técnicos e Tecnológicos, pelo SENAI SC, Gestão de Projetos, Elaboração de Projetos, adquiriu experiência em Coordenação de Proje-tos, realização de eventos de educação, e atua como palestrante e educador.

Rosylene dos Santos CarvalhoAtuando no setor de Educação e Tecnologia, do SENAI do Distrito Federal nos últimos 06 anos. Licenciada em Pedagogia, Pós Graduada em Psicopedagogia. Atua também como Técnica em Segurança do Trabalho, há mais de 15 anos, prestando Consultoria à empresas, elaborando laudos técnicos, elaboração de materiais didáticos e diagnósticos na área de Segu-rança, além da Instrutoria no SENAI e diversas outras empresas de educação.

Sthenyo Ribeiro de SouzaAtuando no setor de Educação, Tecnologia e Inovação, do SENAI do Distrito Federal nos últimos 03 anos. Graduado em Engenharia de Controle e Automação e Técnico Mecânico. Atuou no SENAI no suporte em estudos de viabilidade técnica e econômica, para na implantação de novos produtos e serviços. Prospecção de mercado para serviços de educação e tecnologia. Proposição de condições adequadas de infraestrutura, material didático, recursos para realização de cursos e serviços técnicos.

RevisãoGrupo NT

Projeto GráficoNT Editora

Editoração EletrônicaNT Editora

IlustraçãoMárcio RochaJorge Olaff

CapaNT Editora

NT Editora, uma empresa do Grupo NTSCS Q.2 – Bl. D – Salas 307 e 308 – Ed. Oscar NiemeyerCEP 70316-900 – Brasília – DFFone: (61) 3421-9200sac@grupont.com.br - www.nteditora.com.br e www.grupont.com.br

V 1.0

Conhecendo as Caldeiras / NT Editora.

-- Brasília: 2014. 52p. : il. ; 21,0 X 29,7 cm.

ISBN

1. Doenças profissionais – 2. Segurança e saúde do trabalhador – 3. controle de riscos.

Copyright © 2014 por NT Editora.Nenhuma parte desta publicação poderá ser reproduzida por

qualquer modo ou meio, seja eletrônico, fotográfico, mecânico ou outros, sem autorização prévia e escrita da NT Editora.

LEGENDA

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Prezado(a) aluno(a),Ao longo dos seus estudos, você encontrará alguns ícones na coluna lateral do mate-rial didático. A presença desses ícones o(a) ajudará a compreender melhor o conteúdo abordado e também como fazer os exercícios propostos. Conheça os ícones logo abaixo:

Saiba MaisEsse ícone apontará para informações complementares sobre o assunto que você está estudando. Serão curiosidades, temas afins ou exemplos do cotidi-ano que o ajudarão a fixar o conteúdo estudado.

ImportanteO conteúdo indicado com esse ícone tem bastante importância para seus es-tudos. Leia com atenção e, tendo dúvida, pergunte ao seu tutor.

DicasEsse ícone apresenta dicas de estudo.

Exercícios Toda vez que você vir o ícone de exercícios, responda às questões propostas.

Exercícios Ao final das lições, você deverá responder aos exercícios no seu livro.

Bons estudos!

4 NT Editora

Sumário

1. CONHECENDO AS CALDEIRAS ...................................................................................71.1. Tipos de caldeiras ................................................................................................................................... 7

2. PARTES DE UMA CALDEIRA ......................................................................................18

3. PREVENÇÃO CONTRA EXPLOSÕES E NOÇÕES DE SAÚDE E SEGURANÇA NO TRABALHO ......................................................................................................................313.1. Panorama histórico sobre segurança do trabalho ..................................................................313.2. Segurança do Trabalho no Brasil ....................................................................................................333.3. Riscos ocupacionais .............................................................................................................................333.4. Medidas de Controle ...........................................................................................................................38

4. ACIDENTES DO TRABALHO .......................................................................................414.1 Causas ........................................................................................................................................................414.2. Riscos gerais de acidentes e riscos à saúde ................................................................................444.3. Legislação ................................................................................................................................................47

BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................52

APRESENTAÇÃO

5Conhecendo as CaldeirasSUMÁRIO

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O curso Conhecendo as Caldeiras foi organizado em 24 horas e está dividido em 2 etapas:

1. Conhecendo as caldeiras;

2. Prevenção contra explosões e noções de saúde e segurança no trabalho.

São objetivos deste curso mostrar: quais são os tipos de caldeiras e suas utilizações; as diversas partes de uma caldeira; o histórico da segurança no trabalho no Brasil; quais são os riscos ocupacio-nais envolvidos; que medidas de controle devem ser tomadas; causas e riscos de acidente de trabalho; o que diz a legislação trabalhista em favor do trabalhador.

Com base nestes objetivos, você aprenderá na primeira etapa, informações detalhadas sobre Caldeiras, bem como seus tipos e partes. Já na segunda etapa você estudará um assunto de extrema importância: como se prevenir contra explosões e noções de saúde e segurança no trabalho.

O curso Conhecendo as Caldeiras é destinado aos profissionais que já trabalham nessa área, bem como, profissionais da área de manutenção, segurança e áreas afins, que estejam interessados em ingressar na função de operar caldeiras. Espera-se com isso, um melhor atendimento às expecta-tivas do mercado.

Bom aprendizado!

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Olá! É muito bom estar de volta.Preparados para continuar com

o aprendizado?Vamos nessa!

1.1. Tipos de caldeirasCalor é o resultado da agitação de moléculas dentro dos corpos. É uma forma de energia que se

transfere de um corpo para outro quando há diferença de temperatura entre eles.

Essa transferência de calor se dá de três maneiras: por radiação, por condução e por convecção.

Como forma de energia, o calor é usado pelo homem para pro-duzir trabalho e um dos modos de conseguir isso é utilizando a transfe-rência de calor para produzir vapor.

Atualmente, muitas das indústrias usam vapor em seus proces-sos de produção. A fim de atender a essa necessidade sempre crescente, a geração de vapor pode ser realizada nas caldeiras, nos equipamentos geradores de vapor, ou pelo aproveitamento do calor residual prove-niente de alguns tipos de processos industriais, como a siderurgia.

As siderúrgicas produzem os metais que são utilizados na construção civil, fabricação de auto-móveis e eletrodomésticos, e muitos outros seguimentos.

Exercitando o conhecimento...

Como vimos, a transferência de calor se dá de três maneiras, quais são elas?

Marque a alternativa correta.

a) Energia, calor e vapor.

b) Radiação, condução e convecção.

c) Medição, condução e vapor.

Siderurgia: Gases de alto-forno.

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Um breve histórico do vapor

No primeiro século da era cristã, há mais de 1.800 anos, um estudioso chamado Heron de Alexandria construiu uma espécie de turbina a vapor, chamada eolípila.

Nesse engenho, enchia-se uma esfera de metal com água que produzia vapor que se expandia e fazia a esfera girar quando saía por meio de dois bicos, colocados em posições diametralmente opostas. Todavia, embora isso movimentasse a esfera, nenhum trabalho útil era produzido por esse movimento e o sábio não conseguiu ver ne-nhuma utilidade prática para seu invento.

Séculos mais tarde, a máquina a vapor foi a primeira maneira eficiente de produzir energia in-dependentemente da força muscular do homem e do animal, da força do vento e das águas correntes. Sua invenção e seu uso foi uma das bases tecnológicas da Revolução Industrial. Em sua forma mais simples, as máquinas a vapor usam o fato de que a água, quando convertida em vapor se expande e ocupa um volume até 1.600 vezes maior do que o original, quando sob pressão atmosférica. Esse é o segredo vapor.

A primeira utilização efetiva de uma tecnologia do vapor só veio em 1698, com a patente da invenção de Thomas Savery, aperfeiçoada em 1712 por Thomas Newcomen e John Calley.

A máquina de Newcomen captava o vapor gerado em uma cal-deira e o enviava para um cilindro localizado acima dela. Um pistão era puxado para cima por um contrapeso. Depois que o cilindro ficava cheio de vapor, injetava-se água nele, fazendo o vapor condensar. Isso redu-zia a pressão dentro do cilindro e fazia o ar externo empurrar o pistão para baixo. Um balancim era ligado a uma haste que levantava o êmbolo quando o pistão se movia para baixo. O vácuo resultante retirava a água de poços de mina inundados.

Em 1782, o construtor de instrumentos escocês chamado James Watt projetou e patenteou a máquina rotativa de ação dupla na qual o vapor era introduzido de ambos os lados do pistão de modo a produzir um movimento para cima e para baixo. Isso tornou possível prender o êmbolo do pistão a uma manivela ou um conjunto de engrenagens para produzir movimento rotativo e permitiu que essa máquina pudesse ser usada para impulsionar mecanismos, girar rodas de carroças ou pás para movimentar navios em rios.

Que tal conhecer a história do vapor?

Vamos lá!

Diametral-mente: em sentidos diferentes.

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No fim do século XVIII, as máquinas a vapor produzidas por Watt e seu companheiro Matthew Boulton forneciam energia para fábricas, moinhos e bombas na Europa e na América.

O aparecimento das caldeiras, que podiam operar com altas pressões e que foram desenvolvi-das por Richard Trevithick na Inglaterra e por Oliver Evans nos Estados Unidos, no início do século XIX, tornou-se a base para a revolução dos transportes, uma vez que elas podiam ser usadas para movi-mentar locomotivas, barcos fluviais e, depois, navios.

A máquina a vapor tornou-se a principal fonte produtora de tra-balho do século XIX e seu desenvolvimento se deu no esforço de melho-rar seu rendimento, a confiabilidade e a relação peso/potência. O adven-to da energia elétrica e do motor de combustão interna no século XX, todavia, condenaram pouco a pouco, nos países mais industrializados, a máquina a vapor ao quase esquecimento.

TIPOS DE CALDEIRAS E SUAS UTILIZAÇÕES

Geradores de vapor (caldeiras) são equipamentos complexos, fechados, destinados a produzir e acumular vapor de água à pressão maior que a atmosférica, por meio da aplicação de calor. É produ-zido vapor a partir da energia térmica, ou seja, da queima de algum tipo de combustível em fornalha apropriada. Em alguns casos, as fontes de calor podem ser eletrodos, resistências elétricas, fissão nu-clear, gás, óleo, lenha, etc.

As caldeiras podem ser classificadas de acordo com:

• classesdepressão;

• graudeautomação;

• tipodeenergiaempregada;

• tipodetrocatérmica.

Nas classes de pressão, as caldeiras foram classificadas segundo a NR-13 em:

•categoriaA:caldeiracujapressãodeoperaçãoésuperiora1960kPa(19,98kgf/cm²);

• categoriaC:caldeirascompressãodeoperação igualou inferiora588kPa (5,99kgf/cm²)evolume interno igual ou inferior a 100 litros;

• categoriaB:caldeirasquenãoseenquadramnascategoriasanteriores.

No grau de automação, as caldeiras podem se classificar em:

•manuais;

• semiautomática;

• automática.

No tipo de energia empregada, elas podem ser do tipo:

•combustívelsólido;

• líquido;

• gasoso;

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• caldeiraselétricas;

• caldeirasderecuperação.

Existem outras maneiras particulares de classificação, a saber:

•quantoaotipodemontagem;

• circulaçãodeágua;

• sistemadetiragem(formadeextrairafumaçadequeimadocombustível);

• tipodesustentação.

Exercitando o conhecimento...

Marque a alternativa correta.

Caldeiras da categoria “A” são aquelas cuja pressão de operação é igual ou superior a:

a)1960kPa(19.98kgf/cm²)

b)1360kPa(16.95kgf/cm²)

c)300kPa(4.48kgf/cm²)

d)588KPa(5.99kgf/cm²)

e)58.8KPa(0.599kgf/cm²)

Caldeiras de tubos de fogo (fogotubular ou flamotubular)

As caldeiras flamotubulares ou fogotubulares são aquelas em que as chamas e os gases quentes provenientes da combustão passam pelo interior (por dentro) dos tubos, cedendo calor à água que os envolve. São de construção simples e podem ser classificadas quanto à disposição de seus tubos em:

a) verticais;

b) horizontais.

CALDEIRAS VERTICAIS

Nelas, os tubos são colocados verticalmente em um corpo cilíndrico, fechado nas extremidades por placas chamadas espe-lhos. Podem ser de fornalha interna ou externa.

A fornalha interna, veja na figura ao lado, fica no corpo cilín-drico, logo abaixo do espelho inferior (entrada de gases quentes pelos tubos verticais). Os gases da combustão sobem por meio dos tubos, saindo pelo espelho superior (saída dos gases quen-tes), aquecendo e vaporizando a água que se encontra externa-mente a eles.

As fornalhas externas são utilizadas, principalmente, para combus-tíveis de baixo poder calorífico, tais como lenha e bagaço de cana.

Flamotubula-res ou fogotu-bulares: Tubos de fogo.

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A figura ao lado demonstra a forma que os tubos são montados na caldeira, observe a quantidade. A parte em que os tubos são vistos é chamada de espelho superior. Os gases quentes saem da câmara de combustão, entram pelos tubos no espelho inferior e saem pelo espelho superior. A água que vai gerar o vapor circula entre dois espelhos, nos espaços existentes entre todos os tubos que vemos na figura.

CALDEIRAS HORIZONTAIS

Abrangem várias modalidades, desde as caldeiras Cornuália e Lancaster, de grande volume de água, até as modernas unidades compactas. As principais caldeiras ho-rizontais apresentam tubulões internos, por onde passam os gases quentes.

Caldeira Cornuália

Formada basicamente por 2 cilindros horizontais unidos por placas planas. Seu funcionamento ébemsimples,porémapresentabaixorendimento.Paraumasuperfíciedeaquecimentode100m²,apresenta grandes dimensões, o que limita o ganho de pressão. Neste tipo, a pressão não deve ir além de10kg/cm².

Caldeira Lancaster

É constituída por duas (podendo chegar a 4) tubulações internas (fornalhas), alcançando superfície de aquecimento de até140m².Atingematé18kgdevaporpormetroquadradodesuperfície de aquecimento. Está em desuso.

Exercitando o conhecimento...

Quais os tipos de caldeira flamotubulares?

Marque a alternativa correta.

a) Apenas horizontal

b) Apenas vertical

c) Vertical e horizontal

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Nestas caldeiras, o vapor gerado serve para movimentar a própria caldeira e os vagões. Atualmente é mais vista em museus, pois é movida a carvão ou lenha como combustível. A caldeira locomóvel é do tipo multitubular, apresentando uma dupla parede metálica, por onde circula a água do próprio corpo. Entre suas maiores vantagens está a facilidade de transferência de local e proporcionar acionamento mecânico em lugares desprovidos de energiaelétrica.Sãoconstruídasparapressãodeaté21kgf/cm²evaporsuperaquecido.

Caldeira escocesa

Esse tipo de caldeira, veja na figura ao lado, foi conce-bido para uso marítimo, por ser bastante compacta. Os gases quentes, oriundos da combustão, podem circular em 2, 3 e até 4 passes. Esse tipo de caldeira é construída completa, ou seja, pode ser transportada e instalada para operação de imediato. Essas caldeiras operam exclusivamente com óleo ou gás, e a circulação dos gases é feita por ventiladores. Alcançam rendi-mentos de até 83%.

Caldeira multitubular

Este tipo possui vários tubos de fumaça. Podem ser de três tipos:

• tubosdefogodiretos:osgasespercorremocorpodacaldeiraumaúnicavez;

• tubosdefogoderetorno:osgasesprovenientesdacombustãonatubulaçãodafornalhacir-culam pelos tubos de retorno (veja na figura abaixo);

• tubosdefogodiretosederetorno:osgasesquentescirculampelostubosdiretosevoltampelos de retorno.

Acabamos de ver os principais tipos de caldeiras flamotubulares ou fogotubulares e

o esquema básico de suas formas construtivas.

Passe: é a passagem do gás quen-te da com-bustão por um conjunto de tubos imersos na água.

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Caldeiras de tubos de água (aquatubular)

Com a evolução dos processos industriais, aumentou muito a necessidade de caldeiras com maior rendimento, menor consumo, rápida gera-ção e grandes quantidades de vapor. Baseados nos princípios da transferência de calor e na expe-riência com os tipos de caldeiras existentes, os fa-bricantes inverteram a forma de geração de calor: trocaram os tubos de fogo por tubos de água, o que aumentou muito a superfície de aquecimen-to, surgindo a caldeira aquatubular.

Os gases de combustão envolvem os tubos por onde circula a água. Esse tipo de caldeira ba-seia-se no princípio da convecção. Por esse princípio, quando um líquido é aquecido, as partículas aquecidas ficam mais leves e sobem, enquanto que as partículas frias, que são mais pesadas, descem. Recebendo calor, elas tornam a subir, formando um movimento contínuo, até que a água entre em ebulição.

A imagem demonstra a planta de uma grande caldeira aquatubular, instalada em uma indús-tria de álcool e açúcar. Esta planta possui o prédio da caldeira e o sistema de filtragem completa dos resíduos provenientes da queima do bagaço de cana, o principal combustível desse seguimento da indústria. A filtragem serve para controlar resíduos que serão lançados na atmosfera, esse controle deve ser rigoroso, pois o não atendimento implica em multas altíssimas e, em alguns casos, pode levar à interdição da fábrica até que se resolva o problema.

Paraseterumaideia,acaldeira“A”ocupaumaáreadeaproximadamente600m²,bemdiferentedacaldeira“B”,queocupaemmédia11m².Porémotamanhoéjustificadopelacapacidadedegeraçãode vapor, que é de 130 toneladas de vapor hora (TVH), aproximadamente 76 vezes superior às conven-cionais de menor porte, movidas a óleo ou gás.

Podemos dividir as caldeiras aquatubulares em três grupos principais:

a) caldeiras aquatubulares de tubos retos;

b) caldeiras aquatubulares de tubos curvos;

c) caldeiras aquatubulares de circulação positiva.

Sobem: eva-poram.

Álcool e açú-car: sucroalco-oleira.

Prédio da caldeira: prédio, pois passa de 15 m de altura.

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A caldeira elétrica é um equipamento que transforma energia elétrica em energia térmica,

transmitindo-a para um fluido apropriado (geralmente água) e transformando-o em vapor.

Principio de funcionamento

A produção do vapor em uma caldeira elétrica baseia-se em um princípio pelo qual a corrente elétrica, ao atravessar qualquer condutor, encontra resistência à sua livre circulação e desprende calor (efeito Joule).

A água pura é considerada um mau condutor de corrente elé-trica. Portanto, para que se possa obter a condutividade desejada devem ser adicionados a ela deter-minados sais. Alguns fabricantes recomendam a adição de produtos para o ajuste da condutividade (soda cáustica, fosfato trissódico, etc.) na água de alimentação. Essa adição deve ser calculada e colo-cada após o tratamento químico da água de alimentação, com acompanhamento por técnicos espe-cializados de empresas químicas especialistas em tratamento de água para caldeiras.

Características

Por não queimar combustível para produzir vapor, a caldeira elétrica é diferente das outras cal-deiras. Por isso, ela não possui fornalha, ventiladores, queimadores e chaminé.

As principais características das caldeiras elétricas são:

• nãonecessitadeáreaparaestocagemdecombustível;

• ausênciatotaldepoluição(nãoháemissãodegases);

• baixonívelderuído;

• modulaçãodaproduçãodevapordeformarápidaeprecisa;

• altorendimentotérmico(aproximadamente98%);

• melhoradoFatordePotênciaeFatordeCarga;

• áreareduzidaparainstalaçãodacaldeira;

• necessidadedeaterramentodacaldeiradeformarigorosa;

• tratamentodeáguarigoroso.

A quantidade de vapor gerada (kgf/h) depende diretamente dos seguintes parâmetros:

• condutividadedaágua;

• níveldeágua;

• distânciaentreoseletrodos.

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Tipos de caldeiras elétricas com eletrodos:

• condutoresmetálicosporondeumacorrenteelétricaentranumsistemaousaidele;

• égeralmentedestinadaatrabalharcompressõesdevapornãomuitoelevadas(aproximada-mente15kgf/cm²).

Com resistências elétricas:

• fontesdecalorondeeleégeradopelapassagemdacorrenteelétricaporumcondutor,prin-cipio idêntico ao do chuveiro elétrico;

• édestinada,geralmente, àproduçãodevaporempequenasquantidades.Namaioriadasvezes é do tipo horizontal, utilizando resistências de imersão.

Com jatos de água (cascata):

• éusadaparaaplicaçõesdemaiorproduçãodevapor;

• o cascoé construídonaposiçãovertical. Internamente,possuiumelementodenominadocorpo da cascata, que tem como função criar jatos de água que incidem sobre os eletrodos e destes aos contraeletrodos.

• possuiumabombadecirculaçãoquecoletaáguanofundodacaldeiraealimentaocorpodacascata. O controle de pressão é feito pelo volume de água introduzido no corpo da cascata.

A seguir a representação esquemática de uma caldeira de jatos de água.

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SUMÁRIO

a. corpo da caldeira h. válvula de controle de alimentação

b. eletrodo i. saída de vapor

c. contraeletrodo j. válvula de respiro (vent)

d. corpo da cascata l. válvula de segurança

e. bomba de circulação m. controle de nível de água

f. bomba de alimentação n. descarga de fundo

g. válvula de controle de produção

Você chegou ao final da lição. Por meio desta, você pôde conhecer os vários tipos

de caldeiras existentes.Quanto conhecimento adquirido não é

mesmo? Mas ainda vem muito pela frente. Você está pronto?

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Exercícios

Questão 1- As caldeiras podem ser classificadas, segundo a NR-13, em:

a) caldeiras da categoria A, B e C.

b) caldeiras da categoria A, B e D.

c) caldeiras da categoria A, C e E.

d) caldeiras da categoria B, C e D.

Questão 2 - A transmissão de calor pode se dar por:

a) condução, convecção, radiação.

b) condução, convecção, irradiação.

c) convecção, radiação, aquecimento.

d) resfriamento, condução, radiação.

Questão 3 - As caldeiras flamotubulares têm:

a) alto rendimento térmico.

b) capacidade de produção limitada.

c) limitação da pressão de operação.

d) partida rápida.

Questão 4 - Por que a água totalmente pura não é recomendada para caldeiras elétricas?

a) Porque ela é uma boa condutora de corrente elétrica.

b) Porque ela é mais limpa.

c) Porque ela é mais barata para a indústria.

d) Porque ela é um mau condutor de corrente elétrica.

Questão 5 - As caldeiras aquatubulares...

a) queimam qualquer tipo de combustível.

b) não precisam de materiais refratários.

c) não podem gerar vapor superaquecido.

d)geramvapornapressãomáximade25kgl/cm².

Parabéns, você fina-lizou esta lição!

Agora responda às questões ao lado.