15/05/2013 1 Agosto/2012

Caldeiras 15/05/2013 2

Conceitos Fundamentais 15/05/2013 3

O VAPOR Um vapor é uma substância na fase de gás à uma temperatura inferior à sua temperatura crítica. Isto significa que o vapor pode ser condensado para um líquido ou para um sólido pelo aumento de sua pressão, sem ser necessário reduzir a temperatura. Por exemplo, a água tem uma temperatura crítica de 374ºC (ou 647 K) que é a temperatura mais alta em que pode existir água no estado líquido. Na atmosfera, em temperaturas normais, entretanto, água em estado gasosos é conhecida como vapor de água e irá condensar para a fase líquida se sua pressão parcial for suficientemente aumentada. Um vapor pode coexistir com um líquido (ou sólido). Quando isto for verdade, as duas fases estarão em equilíbrio, e a pressão de gás será igual à pressão de vapor de equilíbrio do líquido (ou sólido). 15/05/2013 4

O VAPOR É muito comum a confusão entre os termos calor e temperatura que normalmente empregamos. Da termodinâmica, ciência que estuda o calor e os processos que o envolvem, podemos estabelecer as seguintes definições: Calor: É uma forma de energia térmica em trânsito, ou seja, está sempre se transferindo de um corpo com maior temperatura para um corpo de menor temperatura. O calor não pode ser armazenado; o que pode ser feito é apenas facilitar ou dificultar sua transferência. Temperatura: É uma medida da energia cinética, isto é, da vibração das moléculas que compõem um certo corpo. Quanto maior é a vibração das moléculas, maior será a temperatura do corpo em questão. É justamente a diferença de temperatura entre dois corpos que promove a transferência de calor. 15/05/2013 5

O VAPOR Dentro dos limites do conhecimento moderno, o vapor é o veículo de transferência de calor mais econômico e conveniente, tanto para a produção de energia quanto para a transferência de calor. Em uma caldeira, a pressão aumenta a medida que o vapor vai se formando e sendo acumulado, sendo limitado pelas condições de projeto. Três conceitos caloríficos são aplicados, sendo: Calor sensível; Calor latente; Entalpia total. 15/05/2013 6

O VAPOR Calor Sensível (hs) A Adição de Entalpia do Líquido (também chamado de calor sensível) é a quantidade de calorias necessárias para elevar 1 kg de água de 0 ºC até a sua temperatura de ebulição. Calor Latente (hlat) A Adição de Entalpia de Vaporização (também chamado de calor latente) é a quantidade de calorias necessárias para converter 1 kg de água líquida em vapor seco à mesma temperatura e pressão (o calor latente decresce com o aumento da pressão absoluta do vapor). 15/05/2013 7

O VAPOR Entalpia Total (htot) Chama-se Entalpia Total do Vapor de Água, saturado, a relação de soma do calor sensível e do calor latente: htot = hs + hlat Quando não se consegue o vapor seco, têm-se: htot = hs+ x.hlat onde x é o título (variando de 0,0 a 1,0). 15/05/2013 8

O VAPOR USO DO VAPOR Processos dimensionados para a utilização de: Vapor saturado, Vapor superaquecido. 15/05/2013 9

O VAPOR VAPOR SATURADO Amplamente utilizado na grande maioria das industrias e processos, pois o vapor saturado tem a grande vantagem em manter temperatura constante durante a condensação a pressão constante. A temperatura pode variar entre 130ºC a 350ºC, porém a faixa de temperatura até 170ºC com 8kgf/cm², corresponde a grande maioria de pequenos e médios consumidores de vapor. Maiores temperaturas são possíveis a custa do aumento da pressão de saturação, o que implica num maior custo de investimento devido a necessidade de aumento da resistência mecânica e requisitos de fabricação e inspeção do gerador de vapor. 15/05/2013 10

O VAPOR VAPOR SUPERAQUECIDO Utilizado em grandes complexos industriais e na geração de energia elétrica ou mecânica em ciclos termodinâmicos. Vapor superaquecido é aquele que possui temperatura mais elevada geralmente na faixa de 400ºC a 560ºC. Para obtê-lo, é necessário aquecer o vapor saturado, mantendo inalterada a sua pressão. O vapor passa a condição de superaquecimento quando ultrapassa temperaturas de saturação de uma determinada pressão. O vapor superaquecido é isento de umidade e comporta-se nas tubulações como gás. Na geração do vapor superaquecido a limitação de temperaturas de trabalho fica por conta dos materiais de construção empregados. 15/05/2013 11

CALDEIRAS Definição segundo os conceito técnicos: Caldeira é todo e qualquer recipiente metálico cuja função é, entre muitas, a produção de vapor através do aquecimento da água. As caldeiras produzem vapor para alimentar máquinas térmicas, sistemas e instalações, e outras aplicações do calor utilizando-se o vapor. Definição segundo a NR-13: Caldeiras a vapor são equipamentos destinados a produzir e acumular vapor sob pressão superior à atmosférica, utilizando qualquer fonte de energia, excetuando-se os refervedores e equipamentos similares utilizados em unidades de processo. 15/05/2013 12

O VAPOR COMBUSTÃO A combustão é um fenômeno já bastante conhecido da humanidade há milênios. Desde a pré-história, o homem já domina (às vezes nem tanto!) as práticas de se fazer e controlar o fogo. Sem dúvida, esta tarefa permitiu um grande desenvolvimento da espécie, fazendo com que o homem se adaptasse às diferentes condições climáticas, melhor uso dos alimentos, etc. A combustão nada mais é do que uma reação de oxidação de um material denominado combustível com o oxigênio (comburente), liberando calor. A equação genérica para o processo é: COMBUSTÍVEL + OXIGÊNIO CALOR + Produtos (CO2, H2O, CO, etc.) 15/05/2013 13

O VAPOR COMBUSTÃO Diversos combustíveis são usados para queima em caldeiras de produção de vapor. Entre eles destacam-se: lenha, óleos pesados, gasóleos, gás (natural e GLP), gases de alto forno ou de hulha, gases de escape de turbinas a gás, carvão mineral, bagaço de cana, palha de arroz, resíduos em geral, cavacos e cascas de madeira, licor negro (caldeira de recuperação de C&P), entre outros. Para a produção de vapor também podem ser usadas fontes não combustíveis de calor, tais como a energia elétrica (caldeiras de eletrodos submersos e de jatos d água), a energia nuclear (urânio, plutônio, etc.) e o calor de reações exotérmicas de processos químicos, tais como: Sox resultantes da produção de ácido sulfúrico, etc.). Evidentemente, a escolha do tipo de combustível ou energia para a geração de vapor deve levar em conta a aplicação, o tipo de caldeira, a disponibilidade do combustível/ energia, o custo fixo e operacional do processo e o impacto ambiental provocado. 15/05/2013 14

CALDEIRAS HISTÓRICO 1698 - O inglês Thomas Savery patenteou um sistema de bombeamento de água utilizando vapor como força motriz. 1711 Newcomen desenvolveu outro equipamento com a mesma finalidade. Sua caldeira era apenas um reservatório esférico, com aquecimento direto no fundo, também conhecida como caldeira de Haycock. 1769 - James Watt modificou o projeto, alterando o formato, desenhando a caldeira Vagão, a precursora das caldeiras utilizadas em locomotivas a vapor. 1856 - Stephen Wilcox, projetou um gerador de vapor com tubos inclinados, e da associação com George Babcock tais caldeiras passaram a ser produzidas, com grande sucesso comercial. 1880 - Alan Stirling desenvolveu uma caldeira de tubos curvados, cuja concepção básica é ainda hoje utilizada nas grandes caldeiras de tubos de água. 15/05/2013 15

CALDEIRAS HISTÓRICO Vários registros históricos e relatórios de missões de exploração submarina apontam o uso das primeiras caldeiras em navios, datados do final do século XIV. No entanto, após a revolução industrial iniciada na Inglaterra em meados do século XVIII, disseminou-se o uso de caldeiras nas mais variadas aplicações: fábricas, embarcações, locomotivas, veículos, etc. Nestes engenhos, o vapor era usado para aquecimento e, principalmente, para acionamento das máquinas e movimentação dos veículos, utilizando-se um sistema de cilindro e pistão desenvolvido pelo escocês James Watt por volta de 1765. Com o passar dos anos, as caldeiras foram se desenvolvendo e novas aplicações apareceram. O desenvolvimento da indústria metalúrgica e da ciência dos materiais, bem como o aprimoramento dos conhecimentos de engenharia, permitiram a construção de equipamentos mais leves, resistentes, seguros e muito mais eficientes. Nas páginas seguintes faremos uma breve descrição de suas características. 15/05/2013 16

CALDEIRAS HISTÓRICO 15/05/2013 17

CALDEIRAS NORMAS PARA PROJETO E FABRICAÇÃO No Brasil a norma mais adotada é o código ASME (American Society of Mechanical Engineers) seção I, Div. I e II. ABNT: NB 227 código para projeto e construção de geradores de vapor estacionários. ABNT: NBR ISO 16528-1 caldeiras e vasos de pressão - requisitos de desempenho N-2309 C - Caldeira Flamotubular a vapor; N-2249 D 1ª emenda - Caldeira Aquotubular - folha de dados; N-2250 C - Caldeira Famotubular - folha de dados; N-2252 D - Gerador de vapor para injeção em poço de petróleo 15/05/2013 18

CALDEIRAS NORMAS PARA INSPEÇÃO ABNT: NB 12177-1 para caldeiras flamotubulares. ABNT: NB 12177-2 para caldeiras aquotubulares. 15/05/2013 19

CALDEIRAS CÓDIGOS ASME. I. Power Boilers; II. III. IV. Materials; Rules for Construction of Nuclear Facility Components; Heating Boilers; V. Nondestructive Examination; VI. VII. Recommended Rules for the Care and Operation of Heating Boilers; Recommended Guidelines for the Care of Power Boilers; VIII. Pressure Vessels; IX. Welding Process. 15/05/2013 20

CALDEIRAS Caldeiras são basicamente trocadores de calor que trabalham com pressão superior à pressão atmosférica, produzindo vapor a partir da energia térmica fornecida à um liquido, por uma fonte qualquer (combustiveis sólidos, líquidos, gasosos e resistência elétrica). São constituidas por diversos sistemas, com diversos equipamentos integrados para permitir a obtenção do maior rendimento térmico possível e maior segurança. 15/05/2013 21

Tipos de Caldeiras 15/05/2013 22

CALDEIRAS Existem inúmeros tipos de caldeiras a vapor, sendo que muitos delas são de aplicações restritas (pesquisa e desenvolvimento, ou modelos para fundamentação de pesquisa). Na indústria porém, quanto ao formato de construção e aplicação, destacam-se 5 (cinco) grupos de caldeiras, e das quais se farão nosso estudo. São elas: Caldeiras Flamotubulares; Caldeiras Aquatubulares (ou Aquotubulares); Caldeiras Mistas; Caldeiras Elétricas; Caldeiras de Recuperação. 15/05/2013 23

CALDEIRAS Na essencia, as caldeiras são divididas em 2 (dois) grandes grupos, quanto à disposição da água em relação aos gases de queima. Flamotubulares Aquatubulares 15/05/2013 24

CALDEIRAS FLAMOTUBULARES Nas caldeiras flamotubulares (ou fogotubulares), os gases quentes passam por dentro de tubos, ao redor dos quais está a água a ser aquecida e evaporada. Os tubos são montados à maneira dos feixes de permutadores de calor, com um ou mais passos dos gases quentes através do mesmo. As caldeiras flamotubulares são empregadas apenas para pequenas capacidades e quando se quer apenas vapor saturado de baixa pressão. Há 2 (dois) tipos de caldeiras flamotubulares verticais e horizontais. Os tipos mais comumente encontrados nas indústrias são as horizontais. 15/05/2013 25

CALDEIRAS FLAMOTUBULARES Caldeira do tipo Flamotubuar Vertical 15/05/2013 26

CALDEIRAS FLAMOTUBULARES Caldeira do tipo Flamotubuar Vertical 15/05/2013 27

CALDEIRAS FLAMOTUBULARES Caldeira do tipo Flamotubuar Horizontal (em corte) 15/05/2013 28

CALDEIRAS FLAMOTUBULARES Caldeira do tipo Flamotubuar Horizontal (em corte) 15/05/2013 29

CALDEIRAS FLAMOTUBULARES Caldeira do tipo Flamotubuar Horizontal à GN 15/05/2013 30

CALDEIRAS FLAMOTUBULARES Compartimento de Queima de uma Caldeira Flamotubuar Horizontal 15/05/2013 31

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CALDEIRAS FLAMOTUBULARES 15/05/2013 33

CALDEIRAS FLAMOTUBULARES As caldeiras flamotubulares geram somente vapor saturado, uma vez que este sai de um vaso com água líquida, até pelo menos a sua metade, sem receber qualquer aquecimento posterior. As pressões não são elevadas (da ordem de até 25,00 kgf/cm²) e estão limitadas pela espessura da parede externa (chapa cilíndrica) do costado, pois quanto maior a espessura, mais elevada será a pressão. Por serem de operação mais simples, lideram as estatísticas de acidentes. Dessa forma, as principais características deste tipo de caldeira podem ser resumidas conforme segue: 1. A transferência de calor ocorre em toda a área circunferencial dos tubos. 2. Verticais ou horizontais. 3. Fornalha cilíndrica corrugada. 15/05/2013 34

CALDEIRAS FLAMOTUBULARES 4. Número de passes de gases (1, 2, 3 ou 4). 5. Traseira seca ou molhada. 6.Geram somente vapor saturado, pois não tem aquecimento posterior (superaquecedor). 7. Capacidade de geração de vapor e pressão limitadas. 8. Até aprox. 20 ton/h de vapor possuem menor custo de geração em relação às caldeiras aquotubulares. 9. Melhor eficiência de transferência de calor por área de troca térmica. 10. Utilizam o vapor geralmente para aquecimento (maior aproveitamento do calor latente em relação ao calor sensível). 11. Operação mais simples. 15/05/2013 35

CALDEIRAS AQUOTUBULARES As caldeiras do tipo aquatubulares (ou aquotubulares), como o próprio nome indica, tem circulação de água por dentro dos tubos e os gases quentes envolvendo-os. Estas caldeiras são usadas para instalações de maior porte e na obtenção de vapor superaquecido. Normalmente encontradas em usinas termoelétricas, siderúrgicas, refinarias, e ou em plantas industriais com necessidade de geração de grande volume de vapor. 15/05/2013 36

CALDEIRAS AQUOTUBULARES Infograma do funcionamento da combustão de 15/05/2013 uma Caldeira do tipo Aquotubular 37

CALDEIRAS AQUOTUBULARES Caldeira do tipo Aquotubular 15/05/2013 38

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CALDEIRAS AQUOTUBULARES 15/05/2013 41

CALDEIRAS AQUOTUBULARES Câmara de uma Caldeira do tipo Aquotubular 15/05/2013 44

Caldeira do tipo Aquotubular 15/05/2013 45

CALDEIRAS AQUOTUBULARES As principais características deste tipo de caldeira podem ser resumidas conforme segue: 1. Formada por tubos de troca térmica e tubulões de vapor e lama. 2. A geração de vapor se processa nos tubos da parede d água; 3. Projetadas para operar em médias e altas pressões; 4. Possuem maior capacidade de geração de vapor; 5. Projeto térmico mais elaborado; 6. Trabalham com vapor saturado ou superaquecido; 7. Utilizam vapor tanto para aquecimento quanto para geração de trabalho mecânico; 8. Circulação de Água; 8.1. Circulação natural (diferença de densidade da água); 8.2. Circulação forçada (pequenas diferenças de densidade entre água e vapor inviabilizam a circulação). 15/05/2013 46

CALDEIRAS AQUOTUBULARES Caldeira do tipo 15/05/2013 47 Aquotubular

CALDEIRAS AQUOTUBULARES Câmara de uma Caldeira do tipo Aquotubular 15/05/2013 48

CALDEIRAS MISTAS Estas caldeiras são consideradas como caldeiras híbridas, pois possuem uma parte aquotubular e outra flamotubular. São caldeiras de alta eficiência, já que possuem um misto das vantagens de ambos os tipos de caldeiras (aquotubulares e flamotubulares). No geral, são empregadas em sistemas onde o apelo de economia de combustível e muito difundido, e quando necessita-se de maior eficiência energética, num menor espaço. 15/05/2013 49

CALDEIRAS MISTAS Caldeira do tipo Mista 15/05/2013 50

CALDEIRAS MISTAS Caldeira do tipo Mista 15/05/2013 51

CALDEIRAS ELÉTRICAS Nas caldeiras elétricas, o aquecimento da água, com resultante geração do vapor, é feita por meio de aquecimento (direto ou indireto) de uma resistência elétrica sobre esta. Mais utilizadas em menores instalações, principalmente quando risco para com o armazenamento de combustíveis é um problema. São consideradas caldeiras de baixa eficiência e alto custo, já que o consumo de energia elétrica e alto, e a obtenção de vapor acabase tornando cara (relação custo x beneficio duvidosa). 15/05/2013 52

CALDEIRAS ELÉTRICAS Caldeira do tipo Elétrica 15/05/2013 53

CALDEIRAS ELÉTRICAS Caldeira do tipo Elétrica (Direta) 15/05/2013 54

CALDEIRAS ELÉTRICAS Caldeira do tipo Elétrica, com sistema Jet Flow (Indireta) 15/05/2013 55

CALDEIRAS DE RECUPERAÇÃO (APROVEITAMENTO) São caldeiras que aproveitam o poder calorífico de um processo ou da combustão de um material (combustível sólido ou gasoso), proveniente de um resíduo ou sub-produto,. Em alguns destes casos a caldeira pode ser tanto aquotubular, como flamotubular, ou ainda mistas, valendo ainda a escolha pela capacidade de produção de vapor. As unidades de recuperação ocupam hoje uma posição importante na tecnologia do aproveitamento e racionalização da energia. Estas unidades podem ser divididas em: Caldeiras de Recuperação de Calor Sensível; Caldeiras de Recuperação de Gases Combustíveis Residuais de Processos Industriais; Caldeiras de Recuperação de Calor e de Produtos Químicos em Fábricas de Celulose; Caldeiras de Recuperação de Calor nos Ciclos Combinados; Caldeiras para Aproveitamento de Incineração de Lixo Urbano. 15/05/2013 56

CALDEIRAS DE RECUPERAÇÃO (APROVEITAMENTO) Caldeira do tipo Recuperação 15/05/2013 57

CALDEIRAS DE RECUPERAÇÃO (APROVEITAMENTO) Caldeira do tipo Recuperação (utiliza gás de coqueria) 15/05/2013 58

CALDEIRAS Parâmetros Importantes PRESSÃO DE PROJETO (PP); PRESSÃO DE OPERAÇÃO (PO); PRESSÃO MÁXIMA DE TRABALHO ADMISSÍVEL (PMTA); PRESSÃO DE AJUSTE DO DISPOSITIVO DE ALÍVIO DE PRESSÃO (Ppsv); PRESSÃO DE TESTE HIDROSTÁTICO (Pth); PRESSÃO DE TESTE DE ACUMULAÇÃO (PTA). 15/05/2013 59

PRESSÃO DE PROJETO (PP). CALDEIRAS Parâmetros Importantes É a pressão definida no ato de projeto, levando em conta aspectos físicos e termodinâmicos do vaso, onde os aspectos mecânicos são os principais focos (critérios de normas de fabricação). PRESSÃO DE OPERAÇÃO (PO). É a pressão definida no ato do projeto para com o processo levando em conta aspectos físicos do fluído em processamento, e principalmente do equipamento. Este valor visa a conformidade para com o processo químico, isto é, real pressão desejada no processo de fabricação/trabalho do fluido (armazenamento, reação, troca, difusão, diluição, etc). 15/05/2013 60

CALDEIRAS Parâmetros Importantes PRESSÃO DE MÁXIMA DE TRABALHO ADMISSÍVEL (PMTA); PMTA = S. F. t R + 0,6 t Onde: PMTA = pressão máxima de trabalho admissível, referente à tensão primária de membrana; S = tensão admissível do material; F = eficiência de junta; t = espessura real; R = raio interno do cilindro (caso a geometria seja cilíndrica). 15/05/2013 61

CALDEIRAS Parâmetros Importantes PRESSÃO DISPOSITIVO DE ALIVIO DE PRESSÃO (Ppsv); Ppsv = PMTA PRESSÃO DE TESTE HIDROSTÁTICO (Pth); Pth = 1,5. PMTA (Samb/Sproj) Onde: Pteste = pressão de teste a uma dada temperatura; PMTA = pressão máxima de trabalho admissível; Samb = tensão admissível do material na temperatura de teste; Sproj = tensão admissível do material na temperatura de projeto. 15/05/2013 62

Acidentes com Caldeiras 15/05/2013 63

Groover Co. Shoe Factory. Fábrica de Sapatos, Brockton, Massachusetts - USA (1905). Antes do acidente 15/05/2013 64

Groover Co. Shoe Factory. Fábrica de Sapatos, Brockton, Massachusetts - USA (1905). Após acidente. 15/05/2013 65

Explosão de Caldeira NO Hotel Plaza Blumenal em SC. No hotel Plaza do estado de Santa Catarina, com endereço na rua Curt Hering de Blumenau uma caldeira explodiu e acabou destruindo 2 pisos. Segundo as informações dos Bombeiros o acidente teria acontecido aproximadamente as 6h da terça-feira. As causas do ocorrido é alvo de investigação por parte dos Peritos que se apresentaram no hotel para tais fins. Não teria se reportado nenhum ferido e um vazamento de gás seria a informação prévia mais precisa que teria motivado a explosão. Os hóspedes estariam se retirando junto com seus pertences, informou um empregado do hotel, devido a que o prédio espera um laudo do Corpo de Bombeiros para achar se eles vão poder ficar hospedados. Atletas e turistas estrangeiros seriam os hospedes que presenciaram a explosão; sendo que eles vinham a participar de um torneio de tênis marcado na cidade esta semana. Fonte: http://jornalbrasileirosgratuito.over-blog.com/article-explosao-de-caldeira-no-hotel-plazablumenau-santa-catarina-71578724.html 15/05/2013 73

Fim!!! 15/05/2013 77