1

Segurana em caldeiras e equipamentos sobre presso

Caldeiras

Gerador de vapor um trocador de calor que produz vapor a partir da energia

trmica (combustvel).

O gerador de vapor compreende todas os equipamentos que vaporizam a gua,

mercrio ou fluidos de alta temperatura, denominados fluidos trmicos. As mais

simples unidades de gerao de vapor dgua so denominadas de caldeiras de

vapor

Tipos fundamentais:

Essencialmente, uma caldeira de vapor, constituda por um vaso fechado a

presso, com tubos, no qual se introduz gua, que pela aplicao externa de

calor pode se transformar em vapor.

Existem dois tipos fundamentais de caldeiras:

- Caldeiras tubo de fumaa ou tubo de fogo,ou ainda flamutubulares; - Caldeiras tubo de gua ou aquatubular.

Caldeiras tubo de fumaa

Tambm conhecidas por multitubulares ou flamotubulares, nas quais os gases

da combusto (fumos), atravessam toda a caldeira pelo interior dos tubos,

cedendo calor gua contida no corpo e que envolve todos os tubos.

Esquema de uma caldeira flamotubular Caldeira flamotubular de pequeno tamanho

2

As caldeiras tipo tubo de fumaa podem ser horizontais e verticais.

Caldeira a leo horizontal Pequena caldeira eltrica vertical

Quanto ao combustvel

As caldeiras de tubo de fumaa podem ser alimentadas por:

- Lenha; - Carvo - leo; - Gs - Eletricidade.

Combustveis slidos

As caldeiras de tubo de fumaa, projetadas para combustveis slidos, j no

apresentam tanto sucesso como as de combustveis lquidos e a gs.

O prprio combustvel slido ao queimar desprende certa quantidade de fuligem

que acompanha os gases da combusto. Parte deste material se deposita ao longo

do percurso dos gases na caldeira e parte se desprende na chamin,

representando um aspecto negativo no agravamento da poluio atmosfrica.

3

Fornalha de lenha em uma caldeira com combustvel slido

Combustveis lquidos e gasosos

Os combustveis lquidos e gasosos vem sendo responsveis pela permanncia

deste tipo construtivo, extremamente favorvel a concepes bem compactas de

alto poder competitivo quanto ao investimento inicial.

Podem alcanar atualmente uma capacidade de 20 toneladas de vapor por hora

(20tv/h) e presses de 16 kgf / cm2 e graas performance dos queimadores e a

confiabilidade dos controles automticos, tornam-se extremamente eficazes e

quase insubstituveis para processos industriais de baixa temperatura.

A concepo ainda tem a vantagem de fcil substituio da tubulao, mas exige

o inconveniente de eliminar as incrustaes acumuladas sobre a superfcie

externa dos tubos, quando o usurio no trata convenientemente a gua de

alimentao.

Caldeira horizontal a leo Corte de uma caldeira a leo

4

Caldeira vertical a gs

Eltrica

As caldeiras eltricas apresentam-se bastante versteis e vantajosas em regies

onde exista um suprimento abundante de energia eltrica.

So as caldeiras normalmente utilizadas em hospitais, escolas, refeitrios e

outros centros de comrcio.

As caldeiras eltricas oferecem certas vantagens que so:

- Ausncia de poluio ambiente - Modulao de carga de 0 a 100% - Resposta rpida a variao de consumo de vapor - Manuteno simples - A falta dgua no provoca danos caldeira - rea reduzida de instalao - No necessita de rea para estocagem de combustvel - Reduo considervel no custo do vapor em relao ao produzido por

leo combustvel

As caldeiras eltricas fabricadas no Brasil podem atingir as seguintes

caractersticas:

- Presso de trabalho 10,55 kgf/cm2 - Produo de 1000 a 20.000 kgv/h - Presso mxima 25 kgf/cm2 - Tenses de alimentao 2300 a 13800 V - Potncia instalada 1500 a 40000 kW

5

Tipos de Caldeiras eltricas

Existem dois tipos de caldeiras eltricas:

- Caldeiras eltricas a resistores - Caldeiras eltricas de eletrodos

Nas caldeiras eltricas a resistores o calor gerado no condutor transferido

gua por conduo.

Este tipo de caldeira o mais utilizado quando se deseja tambm a obteno de

gua quente para as atividades industriais e domsticas.

Nas caldeiras com eletrodos, duas ou mais barras denominadas eletrodos, so

introduzidas em uma cmara dentro da caldeira onde contem gua salinisada.

A energia que passa pelos eletrodos transforma cada kWh de eletricidade em

860 kCal.Os eletrodos normalmente so de ao, mas podem ser de cobre.

A quantidade de calor resultante :

Q = kWh .860 .

A caldeira operando como aquecedor, produz de gua quente:

)tt.(c

.860.kWhM

espa

Ma = quantidade de gua quente Kg/h

Cp = calor especfico da gua a presso constante kcal/kg 0C

ts = temperatura da gua quente na sada 0C

te = temperatura da gua no retorno 0C

Para a produo de vapor

)hh(

.860.kWhM

avv

Mv = quantidade de vapor gerado kg/h

hv = entalpia do vapor em kcal/kg

ha = entalpia do gua kcal/kg

= rendimento de converso; em ambos os caso 99%

6

Caldeira eltrica a resistncia. Caldeira eltrica a eletrodos.

Caldeira eltrica fabricada pela ATA Foto de uma caldeira eltrica.

7

As caldeiras horizontais abrangem ainda uma srie de concepes, tais como:

Caldeira Cornovaglia

Foram os primeiros tipos de caldeiras horizontais, possuam grande volume

necessrio de gua, considervel tempo para atingir as condies de operao e

baixssimo rendimento trmico.

Para uma superfcie de 100 m2 a produo de vapor no passava de 1200 kgv/h

Caldeira Lancashire

Apresentava certa vantagem sobre a anterior pois chegou a introduzir at quatro

tubules internos, de maneira a aumentar a superfcie de calor.

As superfcies conseguiram atingir 140m2 com a mesma vaporizao especfica

das anteriores.

Esquema de uma caldeira Lancashire.

Caldeira multitubular

Trata-se de uma unidade equipada com inmeros tubos fixados aos espelhos do

corpo cilndrico. Os gases de combusto circulam atravs desses tubos, os quais

por fora so banhados pela gua contida no corpo da caldeira.

No existe fornalha interna e esta parte da fornalha deve ser construda

externamente a caldeira.

Exemplo de uma caldeira multitubular

8

Caldeiras compactas So assim chamadas porque incorporam em uma nica pea, todos os dispositivos

indispensveis sua operao: equipamento de combusto de leo, aparelho de alimentao

de leo, pertences gerais de operao, controles automticos e painel de controle, saindo da

fbrica pronta para sua utilizao.

Entre os tipos que podem ser apresentados de caldeiras compactas os principais

so:

- Escocesa

- Locomotivas e locomoveis

- Caldeiras Martimas

Caldeira escocesa

a origem de todos os modelos que existem no mercado. altamente compacta

e proporciona a passagem dos gases de combusto vrias vezes pelo tubulo de

gua.

Esquema de funcionamento da caldeira tipo escocesa.

Caldeiras Locomotivas e locomoveis

A caldeira locomvel uma caldeira multicelular tipo locomotiva, anexada a

uma fornalha revestida construda com dupla parede metlica, formando uma

cmara por onde circula a prpria gua interna do corpo principal.

As caldeiras locomotivas so do mesmo tipo construtivo, porm no so

estacionrias, sendo utilizadas principalmente nas locomotivas a vapor.

Esquema de uma caldeira locomvel Esquema de uma caldeira locomotiva

9

Seqncia de transporte e montagem de uma caldeira flamotubular compacta a gs

10

Caldeiras de tubo de gua ou Aquotubulares

So aquelas, nas quais os fumos atravessam toda a cadeira externamente aos

tubos, transmitindo calor gua contida no interior dos tubos e tambm aos

vasos de acumulao.

Principais componentes da caldeira aquotubular Foto de uma caldeira aquotubular

Este tipo de caldeira apresenta grande produo de vapor, certas unidades

atingem capacidades de 120 tv/h, na forma construtiva compacta.

As produes de vapor das caldeiras aquotubulares se estendem desde as

menores unidades de 90 a 100 kgv/h at grandes unidades com produes na

faixa de 600 a 750 tv/h, com presses de operao de 150 a 200 kgf/cm2,

temperatura de superaquecimento em torno de 4500 ou 500

0 C existindo casos

excepcionais de caldeiras que operam a presso crtica (226 atm) e supercrtica

(350 atm).

At 130 kgf/cm2, a circulao da gua e do vapor saturado se da de forma

natural, com as correntes de conveco, fazendo com que o vapor preencha a

parte superior do tubulo superior. A partir de 130 atm de presso recomenda-se

a circulao forada.

11

Classificao:

As caldeiras de tubo de gua ou aquotubulares podem ser agrupadas em 3

grandes categorias:

1 A primeira categoria compreende as de tubos retos, historicamente as que se seguiram as de tubo de fumaa (fogotubulares), com uma gama de

capacidade de 3 a 30 tv/h e presses limitadas a 45 kgf/cm2.

As caldeiras com tubos retos podem apresentar ainda os tubos na posio

horizontal e tambm na posio inclinada.

Caldeira aquotubular de tubos retos paralelos. Aquotubular de tubos retos transversais.

2 A segunda categoria engloba todas as unidades executadas com tubulaes curvadas. Nesta categoria se encontram uma grande variedade de

concepes, desde as com 4 tambores at as de 1 tambor apenas.Conforme o

arranjo de disposio dos tubos curvados as caldeiras dessa categoria podem ser

transversais e longitudinais.

Ainda as caldeiras de tubos curvos com tambores transversais podem ter estes

componentes alinhados verticalmente ou em posio inclinada.

Caldeira aquotubular de tubos curvos e trs tubules (vasos)

12

Apenas possuem restries quando as presses superam o valor de 150 atm

devido pequena diferena de pesos especficos da gua e do vapor,

comprometendo assim o ponto de vista da circulao natural.

Atualmente as caldeiras mais modernas desse tipo possuem apenas dois ou

mesmo um tambor. Recorre-se, via de regra, a construo de apenas um tambor,

quando a presso de projeto ultrapassa 42kgf/cm2.

Estas unidades conservam as vantagens de:

- Limpeza interna de todos os tubos, - A acessibilidade a todas as partes da unidade - Uma evaporao rpida e, - Uma vaporizao especfica da ordem de 30 a 45 kgv/m2.h, para

combustveis slidos e de 50 a 80 kgv/m2.h, para combustveis lquidos.

Como desvantagem se se pode assim dizer, so bem mais exigentes quanto

qualidade da gua de alimentao. medida que as presses aumentam, as

exigncias na qualidade da gua so mais severas.

Dentro ainda das caldeiras de tubos curvos, cabe citar a verso das caldeiras de

tubos curvos compactas, que matem grande projeo no mercado consumidor,

de operao totalmente automatizada.

Com produes de at 100 tv/hora e eficincias que podem chegar a 90%.

Exemplos de caldeiras aquotubulares compactas com dois tubules

13

3 A terceira categoria a de caldeiras de vapor surgidas aps a segunda guerra mundial e que engloba as maiores caldeiras. So as denominadas de

caldeiras de circulao positiva.

Os tipos anteriores apresentam alguma imperfeio na circulao da gua pelo

interior dos tubos, a qual se processa naturalmente, graas ao efeito provocado

pela diferena de peso especifico da gua e da mistura gua mais bolhas de

vapor.

As caldeiras dentro desta categoria possuem recursos para manter a gua

circulando exclusivamente num nico sentido, seja pela aplicao de uma

bomba (so as chamadas caldeiras de circulao forada), ou por princpio

meramente construtivo (so as chamadas caldeiras de circulao positiva

natural).

Exemplos de disposies de caldeiras de circulao positiva

Caldeira aquotubular de circulao positiva de 3 tubules.

14

Componentes bsicos de uma caldeira de vapor

Os geradores de vapor de grande porte so constitudos de uma associao de

componentes, formando um aparelho complexo, principalmente quando

queimam combustveis slidos.

As caldeiras menores, destinadas a gerar vapor de calefao em pequenas e

mdias indstrias, dispensam muitos desses componentes listados a seguir:

A - Cinzeiro

B - Fornalha com grelhas ou queimadores de leo

C - Cmara de combusto

D - Caldeira

E - Superaquecedor

F - Economizador

G - Aquecedor de ar

H - Canais de gases

I - Chamin

Designao dos principais componentes bsicos de uma caldeira aquotubular

A - Cinzeiro

Lugar onde fica depositada as cinzas ou restos de combustveis que no se

queimam na combusto. Isto serve para os combustveis slidos.

B - Fornalhas

Local do processo de queima tanto para combustveis slidos, lquidos ou

gasosos.

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C Cmara de Combusto Espao onde se deve queimar toda matria combustvel antes dos gases da

combusto penetrarem no feixe de calor por conveco.

Muitas vezes, a cmara de combusto se confunde com a prpria fornalha,

outras completamente separada.

A cmara de combusto pode ser constituda pela prpria alvenaria de elemento

refratrio, revestida de tubos de gua ou integralmente irradiada.

D Caldeira de Vapor Corresponde ao vaso fechado, com presso, e tubos, contendo gua no seu

interior responsvel pela transformao da gua em vapor.

E Superaquecedor Responsvel pela elevao da temperatura do vapor saturado gerado na caldeira.

O vapor ao passar por esse dispositivo torna-se vapor superaquecido.

F Economizador Serve para economizar o calor do combustvel, pelo aquecimento da gua de

alimentao da caldeira. Este aquecimento feito com a utilizao dos gases

quentes da combusto, antes de serem eliminados pela chamin.

G Aquecedor de ar Serve para aquecer o ar da combusto antes de introduzi-lo na fornalha.

Utilizam-se tambm os gases da combusto depois que passaram pelo

economizador e antes de serem eliminados pela chamin.

H Canais dos gases So trechos que conduzem os gases at sua liberao na chamin. Esses canais

podem ser de alvenaria ou chapas de ao, conforme a temperatura dos gases

circulantes.

I Chamin a parte que garante a circulao dos gases quentes da combusto por todo o

sistema, pelo chamado efeito de tiragem.

Quando a tiragem feita por um ventilador exaustor, que conduz o gs para

atmosfera diz-se que a tiragem induzida.

Quando a tiragem feita por um ventilador soprador, com presso suficiente

para vencer todas as perdas de carga do sistema e forar a sada dos gases pela

chamin se diz que a tiragem forada.

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Seleo de um gerador de vapor:

A seleo de um gerador de vapor deve considerar os seguintes aspectos:

- Disponibilidade energtica - Caractersticas da energia

- Presso e temperatura do vapor

- Variao da demanda do vapor

- Eficincia trmica desejada

- Custo de Instalao, operao e manuteno.

- Espao disponvel

- Amortizao do investimento

Dados caractersticos e de Performance

So dados que devem ser includos pelo fabricante da caldeira para permitir sua boa

identificao e caracterizao

Entre os dados mais importantes tem-se:

- Superfcie de aquecimento - Produo normal de vapor - Produo mxima contnua de vapor - Produo de picos - Qualidade do vapor - Temperatura do vapor - Presso de trabalho - Presso de construo - Presso de prova - Eficincia trmica - Perdas

Superfcie de aquecimento

a rea de tubulao ou de uma placa metlica responsvel pela passagem trmica entre os

gases de combusto e a gua da caldeira. A superfcie dada em m2.

Produo normal de vapor

a quantidade de vapor que passa na vlvula principal de sada de vapor da caldeira em

condies de regime normal de presso e temperatura definidas no projeto

Produo mxima continua de vapor

a mxima descarga de produo de vapor capaz de ser gerada pela mesma caldeira em

regime continuo que normalmente corresponde 10 % a mais que a produo normal de vapor.

Produo de picos

Corresponde a maior descarga de vapor em curtos perodos de tempo, capaz de ser obtido na

mesma caldeira. S serve para grandes geradores de vapor. Em caldeiras flamotibulares no

so citados.

17

Qualidade do vapor

Identifica se o vapor produzido pela caldeira ser saturado, seco ou superaquecido.

Temperatura do vapor

Fixa a correspondente temperatura do vapor saturado e superaquecido

Presso de trabalho

a presso de vapor de operao da caldeira

Presso de construo

a presso em que a caldeira foi dimensionada e construda.

Presso de prova

a presso de teste hidrulico ao qual deve ser submetida caldeira aps a sua construo e

tambm durante os testes de inspees anuais obrigatrios pelo Ministrio do Trabalho. O

fabricante deve fornecer junto com a caldeira um certificado oficial deste teste.

Eficincia trmica

definida como a porcentagem da energia trmica liberada pelo combustvel que foi

absorvida pela gua. A eficincia trmica deve ser sempre referida ao PCI (poder calorfico

inferior do combustvel). O calor que foi transferido para a gua ao transform-la em vapor

chamado de calor til.

18

Resumo dos tipos de caldeiras e suas caractersticas

Tipos Classificao Modelos

Produo

de Vapor

(kg.v/h)

Presso

de

Trabalho

(kgf/cm2)

Vaporizao

Especfica

(kgv/m2/h)

Rendim/

%

Tubo de

Fumaa

(Flamotubular)

ou

(Fogotubular)

Verticais Diversos 1000 5 a 12 16 a 18 65

Horizontais

Cornovaglia 1200 10 a 16 14 70

Lancashire 1600 10 a 16 12 a 16 76

Multitubular 6000 10 a 16 12 a 20 65

Horizontais

Compactas

Compactas

Escocesa

15000 16 30 a 60 86

Locomveis

Locomotivas

10000 21 50 80

Aquatubular

Tubos retos

3000 a

30000 At 45 20 a 25 82

Tubos curvos 20000 a

100000

At 150

At 45 (slido)

50 a 80 (lquido) 88

Compactas At

100000 At 45 150 a 300 90

Circulao

Positiva

Circulao

Forada

200000 a

600000 120 a 200 500 92

Circulao

Natural 125000 40 a 120 300 a 500 90

Caldeiras

Eltricas

Por Resistores 2000 14 50 94

Por Eletrodos 20000 25 80 94

19

A transmisso de calor nas caldeiras

O clculo da superfcie de aquecimento para uma caldeira se faz pela seguinte

frmula:

T.k

QS

onde :

S = superfcie total de troca de calor em m2

Q = quantidade de calor necessria kcal/hora

k = coeficiente global de transmisso de calor kcal/m2.h.

0C

T= diferena mdia logaritima de temperatura

Coeficiente global de transmisso de calor

k =

e11

1

ag

sendo:

a = coeficiente de conveco do lado gua

Para caldeiras de vapor flamotubular = 5000 a 6000 kcal/m2 0C

Para caldeiras de gua de aquecimento = 2000 a 3000 kcal/m2 0C

Para caldeiras aquotubulares = 5000 a 10000 kcal/m2 0C

e = espessura do tubo em m

= Condutibilidade trmica do material do tubo kcal/m2 0C.h

Alguns valores de condutibilidade trmica de materiais

Material em kcal/m2 0C.h a certa temperatura em 0C

0 100 200 400 600

Ao carbono 40 40 39 33 30

Ferro fundido 43 42 40 35 30

Alumnio 197 197 197 200

Tijolo refratrio 0,75 0,79 0,83 0,9 0,98

L de rocha 0,028 0,040 0,053

Amianto 0,095 0,102

Vermicolite 0,048

20

g = coeficiente de conveco do lado gs

o mais difcil de se calcular, depende de uma srie de fatores entre os quais:

- disposio dos tubos com relao ao dimetro e espaamento entre os mesmos,

- nmero de fileiras de tubos, - Resistncia ao escoamento, dada pelo nmero de Reynolds

g = . G

= coef. que leva em conta os fatores acima = 2 a 3

G = velocidade de massa kg/m2.h depende da produo da caldeira

Se tomarmos tubos entre 1 a 3 G pode ser de 6 a 20 kg/m2.h

Diferena mdia logartmica de temperatura T

Esse valor dado pela seguinte frmula:

2

1

21

T

Tln

TTT

devendo para o clculo ser observado o esquema de indicao dos fluxos das

correntes

Fluxos equi-correntes Fluxos contra-corrente

21

Grfico para a determinao da temperatura mdia logartmica

22

Exemplo de aplicao:

Determinar a temperatura mdia logartmica para uma entrada nos gases de

9300C e uma sada de 360

0C, para uma presso da caldeira de 40 kgf/cm

2

Pelos bacos de termodinmica, para uma presso de vapor de 40 kgf/cm2,

corresponde a uma temperatura de vapor saturado de aproximadamente 2500 C.

Embora seja difcil de entender, toda a temperatura da gua na caldeira em

funcionamento ser a mesma do comeo ao fim ou seja 2500 C.

Assim: T1= 930 250 = 6800C

T2= 360 - 250 = 1100C

110

680ln

110680T

= 3130C

Utilizando o baco vamos encontrar o mesmo valor.

Determinar o coeficiente global de transmisso de calor para uma caldeira

tipo flamotubular com tubos de ao de 2 de dimetro e espessura de 2mm, sendo o fluxo de vapor de 12000 kg/m

2h.

k =

e11

1

ag

a = 5000 kcal/m2 0C

g = 2. 12 = 24 kcal/m2 0C

k =

36

051,0

5000

1

24

1

1

= 24 kcal/m2.h.

0C

23

Instrumentos e outros acessrios dos geradores de vapor

Os geradores de vapor necessitam para o seu funcionamento de uma srie de

pertences para os devidos controles e orientao dos processos em andamento

no interior da mesma.

Pertences de Operao

Denomina-se de pertences de operao no caso de caldeiras, o conjunto de

vlvulas necessrias para o seu bom desempenho.

A figura abaixo mostra de forma resumida a colocao de todas essas vlvulas e

a finalidade de cada uma delas.

Em muitos casos, nem todas as vlvulas indicadas so utilizadas, ficando apenas

para conhecimento das possibilidades de sua utilizao.

1 Vlvula principal de sada de vapor

2 Vlvula de segurana 3 Vlvula de alimentao 4 Vlvula de reteno 5 Vlvula de vapor auxiliar 6 Vlvula de escape de ar 7 Vlvula de descarga rpida 8 Vlvula de descarga lenta 9 Vlvula de descarga contnua 10 Introduo de produtos qumicos

11 Corpo de nvel com indicador 12 Manmetro com rubinete

Posio dos pertences de operao de uma caldeira de vapor.

A vlvula principal responsvel pelo controle de sada do vapor da caldeira,

normalmente do tipo globo.

As vlvulas de segurana so de fundamental importncia para o perfeito

funcionamento da caldeira.Seu funcionamento deve levar em conta:

24

- abertura total a presso de regulagem evitando-se desprender vapor antecipadamente;

- permanncia na abertura total enquanto houver sobrepresso no interior da caldeira;

- vedao instantnea e perfeita por ocasio da queda de presso; - fechamento hermtico para presses inferiores a de regulagem.

Para assegurar essa performance, estas vlvulas devem ser submetidas a

sistemticas inspees e perfeita manuteno.

Encontram-se dois tipos de vlvulas de vlvulas de segurana:

- de contra peso; - de mola.

As de contra peso so mais simples,porm sua vedao imperfeita e no

impede vazamentos vez ou outra.

As vlvulas de mola predominam nas instalaes modernas.

Vlvula de segurana com contra peso Vlvula de segurana com mola

A vlvula de alimentao de gua na caldeira uma vlvula de bloqueio,

permanecendo aberta ou fechada, permanecendo sempre aberta e s sendo

fechada para permitir uma manuteno na vlvula de reteno.

A vlvula de reteno de alimentao da gua na caldeira, tambm uma

vlvula muito importante, ela que impede o retorno da gua sobre presso

de dentro da caldeira para a linha de alimentao.

Quando essa vlvula apresenta defeito, o vapor acaba por aquecer toda a

linha de alimentao e a prpria bomba deixa de operar convenientemente.

A vlvula de reteno da alimentao tambm deve merecer certa ateno

durante a inspeo de uma caldeira.

25

O corpo de nvel, com o respectivo indicador de nvel de gua na caldeira,

tambm um dispositivo de grande importncia.

O corpo de nvel uma espcie de garrafa, construda na forma de tubo, ao

qual esto unidos os registros dos visores de nvel, que permitem controlar o

nvel de gua interno da caldeira.

Posio de instalao e tipos de controles de nveis de geradores de vapor

As descargas de prova para verificao do perfeito funcionamento e verificao

do nvel correto da gua na caldeira devem ser feitas diariamente.

Outra vlvula existente no conjunto da caldeira a vlvula de descarga de

fundo. Esta vlvula responsvel pela extrao dos lodos. Deve oferecer uma

instantnea abertura para passagem do fluido, e por isso o nome de vlvula de

descarga rpida.

Vlvula de descarga de fundo Vlvula de descarga de fundo contnuo

26

Instrumentos de medio e controle

Os instrumentos aplicados as caldeiras, reflete a preocupao com a segurana

operacional e com a otimizao do rendimento trmico das instalaes.

So os seguintes os fatores bsicos que levam o sistema do gerador de vapor a

um controle automatizado, sobretudo nos dias atuais:

1 O suprimento da gua de alimentao da caldeira 2 A presso de vapor 3 A quantidade de combustvel 4 A quantidade de ar necessrio combusto 5 A extrao simultnea dos gases formados na combusto.

O suprimento da gua de alimentao feito de duas maneiras possveis:

- Controle eletrnico

- Controle de bia

O controle de nvel eletrnico pode ser feito atravs de eletrodos sensveis que

funcionam utilizando o fator da condutibilidade eltrica da gua. Esse processo

considerado bastante eficiente, porm, exige manuteno perfeita para assegurar

o bom isolamento dos eletrodos.

O controle de nvel tipo bia, tambm automtico, contem um elemento sensor

numa bia que flutua no interior de um garrafa ligada a caldeira, pelas tomadas

abaixo e acima do nvel interno.

Controle de nvel eletrnico Controle de nvel com bia

27

A presso de vapor medida atravs de manmetros.

Quando se tem vapor superaquecido alem da medio da presso conveniente

tambm medir a temperatura para confirmao da correspondncia entre presso

e temperatura em vapores superaquecidos.

Para a medio de presso faz-se uso dos manmetros.

Para medio da temperatura utilizam-se os termmetros.

Exemplos de termmetros para medio de temperatura em geradores de vapor: A termmetro de mercrio. B termmetro bi-metlico. C termmetro de bulbo.

Princpio de funcionamento do manmetro tipo Bourdon

Existem ainda os analisadores de gases destinados a medir o teor de CO2 e O2,

existentes nos gases de combusto que emanam pelas chamins ou dutos de

exausto dos geradores de vapor.

Esses aparelhos fazem parte de estudo especial de outra matria do curso de

Engenharia de Segurana.

28

Orientaes para gerenciamento de anlise de caldeiras

Existe uma proporcionalidade entre a elevao da temperatura dos gases de

escape e a dificuldade das trocas trmicas nas superfcies, por acumulao de

fuligem, incrustaes, lama, etc., pela presena de um filme de ar e finalmente

pela m circulao dos fludos.

A presena de incrustaes do lado da gua estabelece uma barreira trmica a

jusante da superfcie metlica aquecida pelos gases e traz, alm disso, uma

possibilidade de degradao das superfcies de troca, pondo em risco a vida til

da caldeira.

A presena de fuligem forma uma barreira trmica do lado dos gases quentes e

tem influncia desfavorvel sobre a qualidade da troca trmica e, portanto, sobre

o rendimento.

O resfriamento da fornalha feito atravs do fluxo de gua que circula pelos

tubos que formam as paredes e sua performance depende grandemente da

limpeza interna dos tubos que pode ser obtida atravs de um tratamento

adequado da gua.

A presena de incrustaes nos tubos vaporizadores pe em risco a vida til da

caldeira. Elas so facilmente detectadas por simples inspeo visual ou pela

deteriorao das caractersticas de funcionamento do equipamento (baixa

produo de vapor, aumento do consumo de combustvel e alta temperatura dos

gases de escape).

Estas condies indicam a necessidade de se reconsiderar as condies de

operao do equipamento e o tratamento que se est utilizando na gua de

alimentao da caldeira.

A soluo dos problemas detectados pode sinalizar para a necessidade de

modificaes nas instalaes existentes e da quantidade e do tipo dos produtos

qumicos que esto, no momento, sendo utilizados. Qualquer uma das opes

apresentadas poder acarretar um custo adicional devido introduo de

modificaes, mas de qualquer forma, este gasto ser rapidamente amortizado

pelas economias conseguidas na operacionalizao das caldeiras de vapor.

Um tratamento eficaz da gua de alimentao tem por finalidade:

o Melhorar as trocas trmicas,

o Atrasar ou at evitar a necessidade de desincrustaes qumicas e

mecnicas,

o Reduzir os fenmenos de oxidao,

29

o Diminuir as perdas causadas pelas purgas de desconcentrao,

o Aumentar o ttulo do vapor, limitando o arraste de gotculas da

superfcie do plano dgua.

Para se ter uma idia do problema, cita-se como exemplo incrustaes de 0,8

mm2 que pode acarretar uma perda de rendimento de 2% caso esta seja comum

(sal de clcio e magnsio) ou de 7% quando esta apresenta um alto teor de ferro.

As condies ideais da gua de alimentao dependem da presso de operao e

do tipo de caldeira. Mostra-se a seguir alguns limites que podem ser observados

Limites de Tratamento da gua da Caldeira

Tipo De

Impurezas

Tolerncias

Solubilidade Tipo de

incrustao At 40 kgf/cm2

De 40 a 65 kgf/cm2

Fosfato (PO4)

30 a 50 ppm

20 a 40 ppm moderada Semidura

Alcalinidade (CaCO3)

300 a 400 ppm

250 a 350 ppm moderada Dura

Sulfato (SO3)

30 a 50 ppm

20 a 40 ppm moderada Dura

Hidrazina na gua de alimentao (N2H4)

0,1 a 0,2 ppm

0,05 a 0,15 ppm

Ligeiramente

solvel

Lodo e

corroso

Slica (SiO2) 150 ppm mx

50 a 125 ppm mx

Ligeiramente

solvel

Muito dura

Slidos dissolvidos

3.500 ppm mx

2.000 ppm mx

Altamente solvel Espuma e

corroso

pH da gua de alimentao

8,5 min. 8,5 min. - -

pH do condensado

8,0 a 8,5 8,0 a 8,5 - -

ppm - partes por milho

A limitao da formao de depsitos de fuligem pode ser feita atravs das

seguintes medidas:

o Regulagem da combusto,

o Verificao freqente do aspecto da chama,

o Medio regular do enegrecimento dos gases de escape,

30

o Manuteno e controle sistemtico do queimador e dos

equipamentos auxiliares.

o Remoo manual e/ou qumica da fuligem da cmara de combusto

pelo menos uma vez por ano.

o Uso de aditivos adequados nos leos pesados.

Recomenda-se a utilizao de aparelhos que permitam acompanhar a quantidade

de slidos no queimados, no mnimo 2 vezes por turno, produzidos conforme o

acmulo de fuligem nas superfcies de troca trmica.

Para manter o rendimento no nvel ideal necessrio, alm das providncias

anteriormente citadas, a limitao das perdas de calor para o ambiente externo

que so causas evidentes de desperdcio. Para tanto deve-se considerar as

seguintes recomendaes:

o Verifique periodicamente a estanqueidade do casco da caldeira,

particularmente as aberturas em volta dos queimadores e dos

visores da cmara de combusto,

o Elimine rapidamente todas as perdas de calor e de gua quente,

o Proteo e manuteno dos isolantes trmicos,

o A isolao trmica de recipientes e tubos contendo leo

combustvel pesado, gua ou fludos quentes.

O queimador o equipamento que realiza a combusto do leo ou do gs e tem

como varivel essencial, da qual depende o rendimento da instalao, o excesso

de ar cujo valor ideal situa-se, na prtica, entre 10 e 30%. Este valor somente

pode ser mantido se o queimador permanecer em perfeito estado de

funcionamento, isto , se for submetido a uma manuteno regular e cuidadosa.

O projeto dos queimadores utilizados nas caldeiras deve assegurar a estabilidade

da ignio, ausncia de pulsaes na presso da fornalha e a completa

combusto com o mnimo de excesso de ar. O processo de combusto e o tipo

construtivo da caldeira devem permitir que no haja vazamentos de gs nem

infiltraes de ar.

A limpeza, regulagem e troca peridica de algumas peas so necessrias para

evitar que o combustvel coqueificado obstrua os queimadores. Esta regra

particularmente importante para os modelos com pulverizao parcial calibrada,

nos quais a limpeza e a manuteno do dimetro do bico so essenciais ao seu

bom funcionamento.

Quando possvel, a modernizao de um queimador, atravs de reforma, permite

obter, com investimento no muito elevado, desempenhos melhores

proporcionados pelas tcnicas de automao.

31

Em funo do tipo de combustvel slido utilizado e de seu grau de umidade,

ser definido o sistema de combusto que melhor se adapte s necessidades

inerentes ao sistema de gerao de vapor. Os sistemas que utilizam grelhas

podem ser dos seguintes tipos:

o Grelha plana refrigerada a gua;

o Grelha inclinada refrigerada a gua;

o Grelha basculante;

o Grelha rotativa.

O combustvel slido a ser queimado pode ser distribudo de uma maneira

uniforme sobre a grelha por meio de espargidores, proporcionando o mximo

rendimento para este tipo de queima. Este tipo de equipamento pode ser tambm

fornecido com um alimentador rotativo, cuja funo controlar a quantidade de

insumo a ser introduzido na fornalha, ou com um sistema de rosca sem fim.

Muitos dos projetos dos equipamentos atualmente desenvolvidos utilizam o

conceito da construo modulada o que permite facilidades na montagem com a

minimizao de soldagens de campo e melhores condies de combusto,

absoro de calor e fluxo de gs. Este tipo de projeto tambm reduz o peso

estrutural da unidade de gerao de vapor.

A localizao do superaquecedor na largura total da rea de sada dos gases da

fornalha proporciona uma grande vantagem para uma distribuio uniforme dos

gases de combusto, pois alem da troca de calor por conveco nos mltiplos

"loops" do equipamento, as suas sees frontais ainda so submetidas

irradiao da fornalha.

O correto dimensionamento desse equipamento permite que esses dois tipos de

troca trmica resultem na manuteno da temperatura do vapor dentro de limites

muito prximos aos superiores da faixa normal de operao.

importante salientar que estas unidades de gerao devem ser projetadas e

dimensionadas para que seja possvel uma armazenagem adequada do vapor, a

fim de minimizar as flutuaes de nvel resultantes de mudanas sbitas na

demanda.

Para se atingir o mximo rendimento trmico, as caldeiras podem ser fornecidas

com conjuntos de trocadores de calor que propiciem o aquecimento do ar de

combusto e da gua de alimentao aproveitando-se para estas operaes o

calor residual proveniente dos gases da combusto.

32

Os procedimentos de manuteno e gerenciamento de materiais e equipamentos

variam de acordo com os recursos disponveis em cada empresa, mas a atuao e

o treinamento do operador da caldeira tambm so fundamentais.

Dados Tcnicos

A finalidade da apresentao, a seguir, dos dados tcnicos de alguns

equipamentos a de balizar os estudos de viabilidade da introduo de sistemas

de cogerao a partir das caractersticas comumente encontradas no mercado.

Equipamento No 1 -

Denominao Caracterstica

Tipo Aquatubular

Capacidade De 40 a 340 t/h

Presso do vapor De 15 a 120 kgf/cm2

Temperatura do vapor At 520 oC

Sistema de combusto Frontal ou Tangencial

Tipo de combustvel leo e/ou Gs

Equipamento No 2 -

Denominao Caracterstica

Tipo Aquatubular

Capacidade De 5 a 32 t/h

Presso do vapor De 8 a 32 kgf/cm2

Temperatura do vapor At 350 oC

Sistema de combusto Grelha

Tipo de combustvel Carvo e outros

Dimenses:

Comprimento De 5.800 a 9.500 mm

Altura De 5.000 a 5.600 mm

Largura De 2.800 a 6.400 mm

33

Equipamento No 3 -

Denominao Caracterstica

Tipo Aquatubular

Capacidade De 10 a 20 t/h

Presso do vapor 30 bar

Temperatura do vapor 300o C

Equipamento No 4 -

Denominao Caracterstica

Tipo Aquatubular

Capacidade De 6 a 27 t/h

Presso do vapor 33 bar

Temperatura do vapor 360 a 390o C

Combustvel Slidos, Lquidos e Gasosos

Rendimentos :

Slidos -

S/pr-aquecedor De 60 a 72%

C/pr-aquecedor De 65 a 77%

Lquidos -

S/pr-aquecedor 84%

C/pr-aquecedor 89%

Gasosos -

S/pr-aquecedor 79%

C/pr-aquecedor 84%

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Dados Econmicos -

Estes dados tem a finalidade de balizar os estudos de viabilidade da introduo

de sistemas de cogerao a partir das caractersticas comumente encontradas no

mercado.

Preo de Caldeira - Combustvel Slido (US$) *

Vazo(t/h) Vapor

Saturado Superaquecido

21 kgf/cm2 42 kgf/cm2

7 413.360 519.000

10 433.080 553.600

15 531.930 692.000

20 630.790 830.400 1.245.600

25 661.640 885.800 1.349.400

30 692.410 927.300 1.446.300

35 723.180 968.800 1.522.400

55 1.430.470 1.972.200

70 1.917.600 2.560.400

90 2.371.930 3.114.000

110 2.586.470 3.390.800

* Dados para referncia obtidos junto a fabricantes

Preo de Caldeira - Combustvel Lquidos/Gasosos (US$) *

Vazo(t/h) Vapor

Saturado Superaquecido

21 kgf/cm2 42 kgf/cm2

7 531.000 657.400

10 609.540 761.200

15 649.570 830.400

35

20 689.600 899.600 1.384.000

25 720.460 955.000 1.501.600

30 751.230 1.003.400 1.612.400

35 782.000 1.038.000 1.730.000

55 1.518700 2.076.000

70 1.741.060 2.352.800

90 1.960.190 2.629.600

110 2.233.550 2.975.600

* Dados para referncia obtidos junto a fabricantes

Corroso em Sistema de Gerao de Vapor O vapor o fluido depois da gua mais utilizado nos processos industriais.

Pode ser usado para:

Gerao de energia decorrente da utilizao do vapor superaquecido de mdia ou alta presso;

Controle de temperatura em reaes qumicas;

Auxiliar no processo de destilao;

Aquecimento do meio ambiente na rea de conforto trmico;

Combate ao fogo;

Agente de limpeza, e acelerador das limpezas alcalinas e cida.

Observaes sobre diferentes presses:

Muito Baixa Presso at 100 psi

Baixa Presso 100-200 psi

Mdia Presso 200-700 psi

Alta Presso 700-1500 psi

Muito Alta Presso 1500-3209 psi

Supercrtica acima de 3209 psi

Fatores que aceleram a corroso

Como as caldeiras so de grande importncia para as indstrias que necessitam de vapor, o

processo de corroso deve ser controlado e evitado ao mximo.

Por esse motivo necessrio o controle e tratamento da gua que utilizada em caldeiras.

Fatores associados a corroso:

1.Corroso cida Generalizada

Corroso nas superfcies internas da caldeiras resultante do uso de guas com baixo

valores de pH.

36

2.Corroso por Oxignio

Aerao Diferencial: Quando a gua utilizada aerada ou a remoo de oxignio

incompleta ou em caldeiras fora de operao

Fratura da Magntica Protetora: A corroso localizada na forma puntiforme em

decorrncia da existncia de pequenas reas andicas, junto a grandes reas catdicas.

3.Corroso por Metais Dissimilares

Corroso Galvnica Diferentes metais podem ser conduzidos para o interior da caldeira,

quando ionizados, complexados pela ao da amnia e/ou no estado particulado.

4.Corroso por cido Sulfdrico

A reao de gs sulfdrico com gua produz cido sulfdrico, que pode a vir se combinar

com diferentes metais formando sulfatos metlicos correspondentes.

5.Corroso cida Localizada

Concentrao de sais cidos ou de cloretos dissolvidos na gua da caldeira poder nos

levar aos seguintes casos:

a) Sais cidos podero se hidrolisar sob depsitos produzindo condies de pH baixo.

b) Elevados teores de cloretos em geral na gua da caldeira, podero concentrar-se em

altos nveis sob depsitos ou fendas em meio aerado, provocando problema semelhante ao

caso anterior.

A corroso nos dois casos se estende por toda a rea onde se armazenou o cido formado.

Soda Custica: usado na gua de caldeira afim de elevar o valor de pH, para preservao

do fino filme protetor de xido de feno magntico.

6.Corroso por Agente Quelante

Tem caractersticas semelhantes a da corroso custica. Ela ocorre quando camadas de

vapor se formam ao longo das linhas de gua ou quando a evaporao da gua deixa um

resduo concentrado de quelato.

PREVENO DE CORROSO EM CALDEIRAS:

Consiste em: -Tratamentos externos nas guas de alimentao;

-Tratamentos internos nas guas de caldeiras.

1. Tratamentos Externos

1.a) Remoo da Turbidez e Cor

Para evitar que haja o aumento de depsitos nas superfcies de gerao de vapor.

1.b) Remoo de Ferro e Mangans

necessrio fazer uma pr-clorao na gua, a fim de que o processo de oxidao do

Fe e Mg seja acelerado mantendo-se um residual de cloro de 2ppm.

1.c) Remoo da Dureza

Pode ser obtida utilizando-se os seguintes processos:

- Recuperao mxima possvel de vapor condensado;

37

- Utilizao de hidrognio de clcio para o abrandamento de gua com dureza

temporria;

- Utilizao de ortofosfato em meio alcalino e a temperatura de 800C, para reduo

da dureza total a zero;

- Reduo da dureza pela utilizao de resinas trocadoras ou permutadoras de ons

de natureza catinica.

1.d) Desmineralizao

Remoo de todos os ons de uma gua por meio de utilizao de resinas catinicas e

aninicas.

1.e) Remoo de Gases

Desaerao Mecnica: feito aquecendo-se a gua com vapor em contracorrente.

Tipos de processos:

- Jateamento ou escoamento da gua em uma grande superfcie em contra corrente

com vapor;

- Desaerao vcuo feito a frio por abaixamento de presso.

2.Tratamentos Internos:

Tratamento usado para remoo de oxignio, neutralizao do dixido de carbono,

correo do pH das caldeiras. tambm usado para evitar incrustaes ou depsitos nas

superfcies de gerao de vapor.

2.a) Desaerao Qumica

Utiliza o composto sulfito de sdio, que acarreta um constante aumento dos slidos

dissolvidos na gua, devido a formao de sulfato de sdio. uma reao lenta e

incompleta em guas com temperatura acima de 1200C, e uma reao completa na gua

do interior da caldeira. Utiliza-se tambm Hidrazina, que com o oxignio produz gua e

nitrognio, gs inerte que se desprende com o vapor.

2.b) Ataque cido

Consiste na alcalinizao da gua de alimentao, utilizando-se soda cutica no

carbonatada e isenta de cloretos.

2.c) Corroso Galvnica

evitada com eliminao da contaminao por cobre ionizado, complexado e no

estado metlico, das seguintes maneiras:

- Utilizao de hidrazina; - No utilizao da amnia; - Evitar condensados cidos, e setores de bombas feitos com bronze; - Ser rigoroso na operao de limpeza qumica.

2.d) Ataque pelo cido Sulfdrico

No utilizar gua que contenha H2S e sulfito de sdio catalisado.

2.e) Ataque sobre Depsitos

38

Utilizar guas abrandadas, limitar o valor de cloretos na gua de caldeira e limitar a

presena de alcalinidade hidrxido.

2.f) Ataque Quelante

Evitar zonas de concentrao, no utilizar tratamento quelante em guas com durezas

variveis e evitar excetos de quelantes

2.g) Corroso Sob Tenso Fraturante

Evitar alcanilidade hidrxido acima do limite indicado e reas de concentrao junto a

zonas tensionadas.

2.h) Corrente por Corrente de Fuga

Montar a caldeira corretamente aterrada.

2.i) Proteo de Caldeiras Paradas

Proteo contra a corroso pelo oxignio.

2.i.1) Proteo por Curto Perodo: feita por agentes redutores como o sulfito de

sdio catalisado ou pela hidrazina ativada.

2.i.2) Proteo por Longos Perodos: feita com inibidores de corroso ou pela

proteo seca.

2.i.3) Proteo Seca com Inibidores em Fase Vapor: Utiliza inibidores, que so

substncias cristalinas como, o nitrito ou benzoato associados a bases orgnicas volteis.

FALHAS QUE PODEM OCORRER EM CALDEIRAS

1. Falhas por Superaquecimento

So ocasionadas por incrustaes ou camadas de vapor depositadas sobre as superfcies

dos tubos das caldeiras que podem reduzir a taxa de transferncia de calor.

1.a) Superaquecimento por Longo Perodo-Provocado por Incrustaes-Fluncia:

Ocasionada por sais minerais dissolvidos em suspenso na gua de caldeiras. Entre

os problemas gerados temos:

Aumento no consumo de combustvel e formao de depsitos porosos, propcios

a localizao de cloretos, quelantes e soda custica que provocam a corroso.

1.b) Superaquecimento por Curto Perodo Provocada por Camadas de Vapor

As camadas de vapor sobre as superfcies do tubo impedem sua refrigerao pelo

seu grande poder isolante, gerando assim um superaquecimento das suas paredes com

temperaturas oscilando entre 700 e 8000C, provocando assim deformao plstica e ruptura.

2. Fadiga Trmica

Esse tipo de corroso resultante de esforos de trao cclicos, que so acelerados

quando operados em um ambiente corrosivo.

3. Ocultamento - Hide-Out

o decrscimo de concentraes de sais minerais solveis na gua da caldeira, tais como

fosfato, sulfato, cloreto e hidrxido de sdio. Acontece em zonas de elevada taxa de

transferncia de calor. As conseqncias so a falta de refrigerao das paredes dos tubos

onde ele se estabelece.

39

Tipos de Tratamento de Caldeiras

Tratamento Convencional

O tratamento convencional para abrandamento da dureza consiste basicamente no uso de

fosfatos, lcalis, colides e dispersantes.

Tratamento Com Quelatos

O Tratamento base de quelatos difere do tratamento convencional para preveno de

incrustaes nos tubos da caldeira. Este tipo de tratamento visa complexar os ons clcio e

magnsio e no precipitar como no tratamento convencional, formando compostos

solveis e impassveis de sofrer incrustaes nas condies de operao.

Tratamento Com Polmeros

O tratamento base de polmeros foi desenvolvido para tratar guas de caldeiras de baixa

e media presso. Os polmeros so usados como inibidores de incrustao e dispersantes,

possuem uma atuao diferenciada dos quelatos, pois no seqestram os ons clcio e

magnsio presentes na gua.

Tratamento Conjugado

O tratamento qumico dito Conjugado quando usa-se um quelato ou fosfato junto com

polmeros na gua da caldeira.

A concentrao e o tipo de composto qumico a ser usado depender do problema

verificado na caldeira, pois o tratamento conjugado geralmente utilizado quando o

mtodo anterior no demonstrou eficincia.

Em caldeiras aquatubulares pode-se fazer uma limpeza mecnica, a qual facilita a limpeza

qumica, porm em caldeiras fumotubulares (flamotubulares), compactas a limpeza

mecnica torna-se extremamente difcil.

Sabe-se que processos de incrustao nas paredes dos tubos diminui consideravelmente o

rendimento trmico da caldeira, alm de submeter o metal a um superaquecimento

provocando deformaes plsticas, abaulamentos e at ruptura do material.

O tratamento da gua de alimentao para a caldeira mesmo sendo eficiente e adequado,

s vezes no impede que ocorra uma certa quantidade de depsitos na tubulao. Estes

depsitos acarretam uma srie de inconvenientes, que comprovam a necessidade de uma

limpeza qumica para a remoo dos mesmos.

Limpeza Qumica Pr-operacional

Os geradores de vapor devem sofrer uma preparao especial antes que inicie sua

operao, isto se faz necessrio porque durante o perodo de construo o equipamento

pode ficar sujeito a chuvas, umidade, poeira, barro, exposio ao ar, entre outros fatores

de deteriorao. As caldeiras ainda podem conter leo e graxa sobre a tubulao, resduos

de solda, limalhas de ferro, etc.Portanto o objetivo principal da limpeza pr- operacional

40

a retirada de depsitos soltos no interior da caldeira e a parte oxidada do metal,

preparando-o para receber um tratamento qumico adequado.

Limpeza Qumica de Caldeiras em Operao

As caldeiras sujeitas a operao por um determinado perodo de tempo, apresentam uma

srie de depsitos diferentes daqueles encontrados em geradores de vapor novos. Podemos

citar como exemplo de depsitos existente em caldeiras os carbonatos e sulfatos de clcio,

sulfatos de sdio, silicatos, xidos de ferro e hidrxido de magnsio entre outros.

Geralmente a remoo destes depsitos feita por meio de uma soluo cida que

circulada no interior da caldeira tendo o seu tempo de residncia uma funo da

quantidade, espessura e tipos de depsitos encontrados.

Costuma-se fazer uma lavagem alcalina quente antes de proceder a limpeza qumica

cida, com a funo de amolecer e tornar porosos os depsitos facilitando a reao cida.

Acomodao das crostas O processo consiste em fazer uma lavagem alcalina quente para a emoo as graxas e

leos alm de amolecer e tornar porosos os depsitos, o que facilitar posteriormente a

limpeza qumica cida.

Limpeza cida O cido mais utilizado para a limpeza qumica o clordrico, mas o sulfrico, fosfrico e

sulfmico so tambm bastantes empregados industrialmente sempre acompanhados por

um inibidor de oxidao.

Neutralizao Aps a lavagem com jato de gua sob presso a caldeira dever ser enchida com gua

limpa e adicionada uma soluo alcalina com inibidor para neutralizao, mantendo-se a

temperatura da soluo a 60C por um perodo de 8 a 16 horas.

Cuidados com a atmosfera de Hidrognio O hidrognio desprendido durante a limpeza qumica pode causar dois grandes problemas:

fragilidade do ao pelo hidrognio e atmosfera explosiva na caldeira.

41

Vasos de Presso

So todos os recipientes estanques, de qualquer tipo, dimenses, formato e

finalidade, que armazenam um fluido pressurizado.

Podem abranger desde uma panela de presso de cozinha at o mais sofisticado

reator de uma usina nuclear.

Classes e finalidades dos tanques de presso:

Classes:

Vasos de presso no sujeitos a chamas:

- Vasos de armazenamento e de acumulao - Torres de destilao fracionada, retificao, absoro, etc. - Reatores diversos - Esferas de armazenamento de gases - Permutadores ou trocadores de calor Permutadores propriamente ditos

Aquecedores

Resfriadores

Condensadores

Refervedores

Resfriadores a ar

Vasos de presso sujeitos chama

Caldeiras

Fornos

Os vasos no sujeitos chama so empregados, de uma maneira geral, nos

seguintes casos:

- Armazenagem de gases sobre presso - Processamento de gases e lquidos - Acumulao intermediria de gases e lquidos em processos industriais.

Os gases so quase sempre armazenados sob presso, para que se possa ter

grande massa dos mesmos em um volume relativamente pequeno.

A armazenagem de gases a presso atmosfrica exigiria reservatrios enormes,

que se tornariam antieconmicos.

42

Na maioria das vezes, os gases so armazenados na forma lquida, sob presso.

Formatos dos vasos de presso

A parede de presso de um vaso compe-se basicamente do casco (Shell) e dos

tampos (heads).

O formato e a posio do vaso de presso decorrente ou ainda imposio da

finalidade ou do servio do mesmo.

Os vasos verticais so em geral mais caros que os horizontais, principalmente os

de grande comprimento, por outro lado ocupam sempre a menor rea do terreno.

Os vasos horizontais, mais comuns, s utilizados, entre outros casos, para

trocadores de calor e para vasos de acumulao como por exemplo, ar

comprimido.

Na maioria dos casos o casco cilndrico. Isto deve-se ao fato de que o vaso

cilndrico o mais fcil de fabricar.

Teoricamente, o formato ideal para um vaso de presso uma esfera, com o

qual se chega a menor espessura de parede e ao menor peso, em igualdade de

condies de presso e volume contidos.

Tipos de construo dos vasos de presso mais utilizados na prtica

43

Exemplos de Vasos de presso, Reatores e Agitadores

Exemplos de Trocadores de calor

Equipamento: Condensador

- corpo em cobre e feixe tubular em Inox;

- distncia entre espelhos 3353 mm;

- espessura do costado 12 mm.

Equipamento: Trocadores, Condensadores e

Resfriadores

- tanto corpos em a.c. e cabeotes em Inox como

corpos em Inox e cabeotes em a.c. e feixes

tubulares em Inox;

- distncia entre espelhos de 1200 mm a 5000 mm;

Equipamento: Tanque Aquecido - cap. 25 m3

- corpo e serpentina em Inox;

- dimetro 2800 mm, altura costado 3200 mm e esp.

12 mm;

- peso vazio 8000 Kg.

Equipamento: Reservatrio Resfriado

- corpo e serpentina em Inox;

- dimetro 3000 mm, altura costado 8000 mm e esp.

8 mm;

- peso vazio 14250 Kg.

Equipamento: Reator com Agitador - cap. 71 m3

- corpo em Inox;

- dimetro 4200 mm, altura costado 4030 mm e esp.

6 mm;

- peso vazio sem agitador 9100 Kg.

44

Exemplo de Colunas de Destilao, Destilarias e Evaporadores

Colunas de Destilao com pratos com calotas,

vlvulas ou perfurados

- dimetro de 400 mm 4500 mm;

- capacidade de 100 litros/hora at 20000 litros/hora;

- colunas em Inox tipo 304, 316 ou Cobre;

- peso de at 100 toneladas.

Evaporadores de caldo de cana, vinhaa, licor

negro e outros

- patentes com Reduger, K1K2, mltiplos efeitos e

pelcula fina;

- reas de 50 at 500 m3/corpo.

Exemplos de Tanques e Reservatrios

Equipamento: Vaso de Processo - cap. 100 m3

- vaso em Inox;

- dimetro 3800 mm, altura costado 9000 mm e esp.

6 mm

- peso vazio 9100 Kg

Equipamento: Vaso Pulmo

- vaso em ao carbono submetido tratamento

trmico;

- dimetro 3700 mm, altura costado 6000 mm e esp.

5/8"

- peso vazio 20000 Kg

45

Tampos dos vasos de presso

So as peas utilizadas no fechamento dos cascos cilndricos dos vasos de

presso.

Os tampos podem ser de vrios formatos, sendo os mais usuais: elptico,

torisfrico, cnico, hemisfrico e plano.

Tampo elptico apresenta a geometria de uma elipse geomtrica perfeita. O dimetro do tampo quatro vezes a altura. Pode ser construdo com a mesma

espessura da chapa de construo do casco do vaso, devido sua resistncia

interna ser a mesma do cilindro do mesmo dimetro.

Tampo torisfrico construdo de uma calota central esfrica, e por uma seo toroidal de concordncia.

O tampo torisfrico mais fcil de fabricar que o elptico, e essa facilidadade

maior quanto menos profundo for. Sua resistncia tanto maior quanto maior

for o raio de concordncia

Qualquer tampo torisfrico sempre mais fraco do que um elptico de mesmo

dimetro.

Tampo hemisfrico o tampo mais resistente de todos, podendo ter cerca da metade da espessura de um casco cilndrico de mesmo dimetro. Por outro lado

difcil de construir e ocupa mais espao devido sua maior altura. empregado

para vasos horizontais em geral, vasos verticais de dimetro muito grande

(acima de 10 m), e tambm para vasos pequenos e mdios de alta presso, caso

em que o tampo de construo forjada. Para grandes dimetros esses tampos

so construdos em gomos.

Tampo cnico o mais fcil de se construir, porm pouco utilizado por ser bem menos resistente que qualquer um dos anteriores. O seu emprego limita-se

praticamente ao tampo inferior de vasos em que seja necessrio o esvaziamento

rpido e completo, ou que trabalhem com fluidos difceis de escoar (grande

viscosidade).

Tampos de calota esfrica prensado e flangeado fabricado de chapa prensada e soldada em uma flange que parafusada ao casco do vaso, sendo

assim facilmente removvel.

tradicionalmente utilizado para tampa de trocadores de calor.

Existe ainda o tampo plano, que pode ser utilizado em trocadores de calor de

baixa presso

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Tipos de tampos utilizados em vasos de presso.

Calculo do corpo de um vaso de presso submetido a presso interna

Vasos cilndricos

com pares finas e

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Exemplo de aplicao:

Calcular a espessura do corpo de um vaso de presso para 50 atm, com dimetro interno de

0,6 m. O corpo ser radiografado em 100% aps a soldagem e tratamento trmico

Aplicando a frmula e utilizando o material especificado acima teremos:

e = 3,050.6,01.920

60.50

= 3,68 cm aproximadamente 1 1/2

Calculo dos fundos para vasos de presso

Fundo elptico

Para o clculo do fundo elptico submetido a presso interna podemos usar a

equao:

P.2,0SE.2

K.D.Pt i

onde : K=

2

i

h.2

D2

6

1

Valores de K so em funo da razo Di/2h

Di/h 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6

K 0,50 0,53 0,57 0,61 0,66 0,71 0,76 0,81 0,87 0,93 1,0 1,07 1,14 1,21 1,29 1,37 1,46

Para o vaso anterior fazendo Di/2h = 2,2 K=1,14

50.2,01.920.2

14,1.60.50t

= 1,83 +0,3 = 21,6 (7/8)

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Trocadores ou permutadores de Calor

Trocador de calor ou permutador de calor um equipamento onde dois fluidos

com temperaturas diferentes trocam calor atravs de uma superfcie metlica.

Classificao

Numa classificao ampla, segundo a finalidade a que se destinam, os

trocadores de calor so classificados em:

Trocadores para aquecimento: subdividem-se em:

- Aquecedores quando aquecem um fluido por meio de vapor da gua ou outro meio.

- Refervedores quando vaporizam um lquido por meio de vapor da gua ou outro fluido em elevada temperatura.

- Geradores de vapor quando produzem vapor da gua utilizando calor de um lquido quente proveniente de um processo.

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Trocadores para resfriamento: podem ser

- Resfriadores- quando empregam gua para resfriar fluidos em processos. - Condensadores quando condensam um fluido usando gua como meio

de resfriamento.

- Caixas resfriadoras quando resfriam um lquido de processo passando em uma serpentina no interior de um reservatrio de gua.

Intercambiadores ou permutadores de calor propriamente ditos realizam a troca de calor entre dois fluidos sem que estes se misturem

Podemos citar dois tipos fundamentais de intercambiadores, ambos de forma

tubular:

- Recuperador onde o fluido quente passa no interior de um ou mais tubos e, atravs de suas paredes, cede calor sensvel ininterruptamente um

fluido frio que se encontra ao redor do tubo.

- Regenerador empregado no aquecimento do ar ou outros gases. Em vez de operar de forma contnua, como o recuperador, opera por estgios

Os trocadores e calor podem ter vrios passes, que designa o nmero de vezes

que um dos lquidos circula internamente pelos tubos dispostos do trocador.

Essa disposio depende da ares necessria para a troca de calor entre o fluido a

ser resfriado ou aquecido.

Exemplo da disposio de entradas no trocador com fluxos pr e contra corrente.

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Partes construtivas principais dos vasos de presso

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Feixe tubular de um trocador de calor de Montagem das partes de um trocador de calor

duplo passe

Tampo de fechamento de um trocador

Reservatrio de presso de ar comprimido.

Coluna de destilao de petrleo

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Normas de projeto de tanques de presso

As principais normas para projeto de vasos de presso utilizadas mundialmente

so:

ASME (American Society of Mechanical Engineers) ASME Boiler and Pressure Vessel Code

As seguintes sees deste cdigo so referentes aos vasos de presso:

I Power Boilers (caldeiras), II Materiais III Nuclear Vessels (vasos nucleares IV Heating Boilers (caldeiras para aquecimentos) VIII Pressure Vessels (vasos de presso)

- Diviso 1 regras de projeto pado - Diviso 2 regras de projeto alternativo X Fiberglass Reinforced Plastic Pressure Vessels (vasos de plstico reforado com fibra de vidro)

BS 5500 Norma Inglesa, em vigor desde 1976, em substituio as Normas BS-1500 (vasos de presso projeto convencional) e BS-1515 (Vasos de presso- projeto avanado alternativo). A norma BS-5500, est em grande parte

baseada nos critrios da norma ISSO.

A. D. Merkblatt Norma alem, de uso obrigatrio nesse pas. um conjunto de normas, abrangendo cada uma um aspecto especfico do projeto, exigncias

de materiais, fabricao e inspeo de vasos de presso.Essas Normas so

publicadas por um grupo de associaes denominada Grupo de Trabalho para Vasos de Presso, sobre a responsabilidade principal da Unio das Associaes de Inspeo Tcnica.

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Etapas da Fabricao, Montagem e Controle da Qualidade dos Vasos de

Presso.

A fabricao, montagem e controle da qualidade dos vasos de presso inclu

varias etapas.

1 Levantamento da matria prima necessria (inclusive consumveis para a soldagem) Estudo de possveis alternativas de material.

2 Encomenda ou requisio da matria prima. 3 Recepo e identificao da matria prima, verificao de certificados

da qualidade; inspeo dimensional; reparos da matria prima; marcao

de identificao.

4 Estocagem da matria prima. 5 Traagem da chapas; transferncia das marcas de identificao. 6 Corte das chapas e preparao dos chanfros para solda; corte dos

tubos.

7 Conformao das chapas e de outros componentes; verificao dimensional.

8 Qualificao dos soldadores e dos procedimentos de soldagem. 9 Qualificao dos procedimentos e inspetores para ensaios no

destrutivos.

10 Fabricao de bocais, flanges, reforos, suportes e outros acessrios soldados ao vaso.

11 Usinagem de flanges, espelhos,faces de assentamento de juntas de vedao, etc.(*)

12 Preparao para a soldagem: estudo da seqncia de soldagem e de montagem; preparao e colocao dos dispositivos auxiliares de

soldagem.

13 Soldagem de anis completos, sees ou outros sub conjuntos do vaso; soldagem dos tampos.

14 Soldagem do vaso completo. 15 Soldagem dos bocais, flanges, reforos, anis de vcuo e outros

acessrios soldaos internos e externos.

16 Inspeo (exames no destrutivos) e reparos de solda. 17 Tratamento trmico na fbrica.(*) 18 Inspeo final dimensional do vaso. 19 Fabricao e instalao de materiais no soldados ao vaso.(*) 20 Limpeza interna e externa do vaso. 21 - Testes de presso e estanqueidade. 22 Aplicao de revestimento especial, metlico ou no metlico.(*) 23 Testes adicionais exigidos.(*) 24 Inspeo final e preparao para embarque. 25 - Transporte do vaso (inteiro ou em sees) 26 Preparao da base do vaso; estudo do levantamento das cargas.

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27 Montagem no campo; preparao do canteiro de obras;montagem e soldagem; inspeo e reparo de solda; teste de presso no campo.(*)

28 Tratamento trmico no campo.(*)

(*) podem ser dispensadas.

Placa de identificao de um vaso de presso

A figura abaixo mostra todas as informaes necessrias que devem constar em

um vaso de presso

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Detalhes de segurana dos vasos de presso

- Corroso

Deve ser verificado qualquer ponto de corroso durante uma inspeo de rotina.

Comparar a corroso existente com a corroso permitida sem colocar em risco a

operao normal do vaso.

Caso o vaso possua eletrodos de sacrifcio para corroso eletrolitica, verificar as

condies do mesmo e substituir se necessrio.

No projeto, segundo as normas, j previsto um sobremetal na espessura da

chapa do casco do vaso tendo em vista a corroso.

- Isolamento

Verificar se as partes isoladas esto em perfeito estado, no comprometendo o

funcionamento do vaso.

Verificar se o isolamento no est encobrindo elos ou olhais de suspenso ou

dificultando a leitura de instrumentos instalados no vaso.

- Vlvula de segurana

Caso exista vlvula de segurana, verificar se a mesma est devidamente

calibrada e sem problemas de visualizao.

O mesmo diz respeito a controladores e indicadores de nvel, termmetros ou

outros instrumentos.

- Fio terra

Verificar se o fio de ligao terra est em perfeito estado e a resistncia dentro

dos limites requeridos.

Verificar se a placa de ligao do fio terra, fixada no vaso de presso no est

obstruda por sujeira ou retoques de pintura.

- Suportes para escadas.

Verificar se os suportes para escadas, escadas e corrimos esto corretamente

fixados na estrutura.

Verificar se os degraus no esto sujos de leo ou outro material que possa

colocar em risco os operadores ou inspetores.

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Categorias de Vasos de Presso

Classe de fluido

Grupo de potencial de risco

1

P.V

100

2

30 P.V

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DICAS SOBRE CALDEIRAS E A NR 13

NR 13 - CALDEIRAS E VASOS SOB PRESSO - Comentrios adicionais.

A.Item13.1.4G.I.R.(Grave e Iminente Risco) Alnea "c": Combustvel slido, por exemplo, lenha ou carvo, no pode ser apagado rapidamente e se faltar

gua, haver superaquecimento, podendo causar exploso. Para cortar o fluxo de

combustveis fluidos basta, em geral, fechar um registro.

Alnea "d": lcalis so hidrxidos ou xidos de sdio, ltio, potssio, rubdio e

csio. Podem reagir violentamente com gua. Em caso de falha no processo de

recuperao de lcalis, a drenagem rpida pode interromper as reaes.

B. Item 13.1.5 - exemplo de placa de identificao:

comum encontrar placas com informaes em formatos um pouco diferentes,

mas que tambm atendem NR 13:

Item13.1.5.1 Exemplo de identificao adicional:

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Item 13.2.4: Casa de caldeiras

O item 13.2.5 lista as situaes de G.I.R. para Casa de Caldeiras e rea de

Caldeiras.

1. Item 13.3.4: obrigatria a presena de operador de caldeira, sempre que a caldeira estiver em operao. Se houver mais de um turno de trabalho a caldeira deve ter operadores em todos os turnos. O operador deve permanecer na rea de operao, durante todo o tempo, no apenas em situaes de emergncia.

2. Item 13.3.9: De acordo com este item um operador de caldeira no pode ser substitudo antes que o substituto tenha sido treinado na prpria caldeira que ir operar. Em caso de fora maior, quando o operador titular no puder permanecer no posto at que o estgio tenha sido concludo, por exemplo, por falecimento do operador, o supervisor do estgio ser o responsvel pela operao naquele perodo.

3. Item 13.5.6: Inspeo de segurana em caldeiras inoperantes obrigatria, antes da caldeira ser recolocada em funcionamento, aps ter permanecido mais de 6 meses inativa (ver item 13.5.9).

4. VASOS DE PRESSO ANEXO III, item 1, alnea "a", inclui panelas de presso industriais (recipientes para coco de alimentos). O manual publicado pelo MTE mostra foto de recipiente para coco de alimentos, com

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indicador de presso (manmetro) e vlvula de alvio, sem chama direta (vapor provido, provavelmente, por caldeira externa). Panelas de presso com chama direta tambm podem estar enquadradas na NR 13, desde que o produto P.V. (KPa x m3 ) seja superior a 8.

5. VASOS DE PRESSO ANEXO III, item 2:Os cilindros dos extintores portteis de incndio no esto includos na NR 13, assim como outros cilindros transportveis (oxignio, acetileno, etc.). Cmaras de descompresso, para atividades hiperbricas previstas no Anexo 6 da NR 15, no esto enquadradas na NR 13.

6. Recipientes criognicos (temperaturas abaixo de 0 C) que armazenam gases liquefeitos, derivados do ar, quando fabricados segundo normas especficas no relativas a vasos de presso, no esto enquadrados na NR 13. No entanto, tanques utilizados para armazenar nitrognio na temperatura ambiente so vasos de presso, estando enquadrados na NR 13, pela alnea "a" do item 1 do ANEXO III.