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sexta-feira, 31 de outubro de 2014

NR 13 -Caldeiras, Vasos de Pressão e Tubulações - CONTINUIDADE - PARTE 5

4 - TIPOS DE CALDEIRAS
As caldeiras podem ser classificadas em:
}Flamotubulares
}Aquotubulares
}Elétricas
}Nucleares
}Caldeira de recuperação.

4.1 Caldeiras Flamotubulares
 Foram as primeiras caldeiras a serem construídas, eram mais simples e de capacidade limitada, muito usadas em locomotivas e navios. Eram conhecidas também como caldeiras de tubo de fogo, de tubo de fumaça ou pirotubulares por causa dos gases quentes provenientes da combustão. Estes gases circulam no interior dos tubos em um ou mais passes (voltas), ficando a água por fora dos mesmos. Posteriormente, com alguns aperfeiçoamentos, passaram a cA caldeira flamotubular é constituída por um cilindro externo, que contém água, e um cilindro interno, destinado a fornalha. Sua tiragem ou saída de gases é normal. A carcaça é construída de chapas que variam a espessura de acordo com o porte da caldeira e a sua pressão pode variar entre 5 a 10 quilogramas-força por centímetro quadrado.
 Estudos sucessivos foram realizados objetivando o aperfeiçoamento das caldeiras e revelou-se que a temperatura perdida na chaminé oscilava entre 316 e 427ºC (graus Celsius), representando um desperdício. Decidiu-se, então, aproveitar esta perda a fim de reduzir os custos do combustível que, na época, era o carvão mineral.
A solução foi aumentar a superfície de aquecimento da água, inserindo tubos em quantidade suficiente para forçar os gases quentes a passarem pelos mesmos em passes e depois pela tiragem na chaminé. Com isso o rendimento foi aumentado, embora esse tipo de caldeiras não tivesse eficiência superior a 60%.
  Podemos, ainda, classificar as caldeiras flamotubulares em horizontais e verticais.

4.1.1 Tipos de Caldeiras Flamotubulares Horizontais
 São caldeiras projetadas para funcionar horizontalmente. As caldeiras flamotubulares horizontais podem ser:
}Caldeira Cornuália
}Caldeira Lancaster (Lancashire)
}Caldeira Multitubular de Fornalha Externa
}Caldeira Escocesa ou Compacta
}Caldeira Locomotiva ou Locomóvel

Caldeira Cornuália
Consta de um cilindro interno em sentido horizontal, ligando a fornalha ao local de saída dos gases. Seu funcionamento é simples, apresenta baixo rendimento e sua pressão não ultrapassa 10kg/cm2. 

Caldeira Lancaster (Lancashire)
Sua construção é idêntica á cornuália, podendo apresentar dois a quatro tubos internos.
Estas caldeiras são chamadas também de tubo de fogo direto, pois os gases percorrem os tubos de uma única vez. Existem, ainda, outras que apresentam tubos de fogo e de retorno. Nestas, os gases desprendidos durante a combustão na fornalha circulam por tubos que os fazem retornar.

Caldeiras multitubulares de fornalha externa
 Apresentam dois tubos conjugados: de aquecimento direto e de retorno. Os gases quentes circulam pelos tubos diretos e voltam pelos tubos de retorno.
  O aquecimento é feito diretamente na base do cilindro e os gases retornam pelos tubos de fogo. A fornalha pode ser construída em alvenaria e ocupa quase toda a extensão do cilindro.

Caldeiras escocesas ou compactas
   Foram construídas formando uma única peça, tinham o diâmetro reduzido que proporcionava fácil transporte. Eram instrumentos de operação imediata, o que estimulava o uso em larga escala pela Marinha. Os gases produzidos na fornalha, impulsionados por ventiladores, circulam várias vezes pela tubulação. O combustível usado é unicamente óleo ou gás, podendo seu rendimento atingir 83%.
 
Caldeiras locomotivas ou locomóveis.
  São também do tipo multitubular. Sua característica principal é a fornalha, a qual apresenta uma dupla parede em chapa, por onde circula a água. Quando o combustível é lenha ou carvão, possuem na parte inferior um conjunto de grelhas que servem para mantê-lo em posição de queima e dar escoamento às cinzas.
    Estas são captadas em uma caixa colocada logo abaixo das grelhas, chamada de cinzeiro. Quando se trata de locomotivas, o cinzeiro, além de ser um dispositivo de segurança, é também um regulador de tiragem, tanto na locomotiva parada como em marcha.
    O largo emprego deste tipo de caldeira deve-se a facilidade de sua transferência de um local para outro, podendo ser acionadas mecanicamente onde não houver energia elétrica.
  
4.1.2 Caldeiras verticais
 Têm as mesmas características das caldeiras horizontais multitubulares. São usadas em locais onde o espaço é reduzido e não requerem grande quantidade de vapor, mas alta pressão.
  Os tubos são inseridos verticalmente dentro do cilindro e a fornalha interna no corpo deste. Existem tipos cuja fornalha é externa.
  Os gases resultantes da queima na fornalha sobem pelos tubos e aquecem a água, a qual se encontra por fora dos mesmos.

4.2 Caldeiras Aquotubulares
 Quando descrevemos o processo evolutivo, vimos que nas caldeiras de tubo de fogo primitivas a superfície de aquecimento era muito pequena, tendo esta superfície sido aumentada a medida que adicionaram o número de tubos. Mesmo com o acréscimo dos tubos, a superfície da caldeira ainda continuava pequena, causando inconvenientes, dentre eles: baixo rendimento, demora na produção de vapor etc.
  A criação de novos métodos industriais exigia caldeiras de maior rendimento, menor consumo e rápida produção de vapor. Fez-se necessário criar um novo tipo de caldeira, surgindo assim as aquotubulares.
  Baseados nos princípios de termologia e nas experiências com os tipos de caldeiras existentes na época, os fabricantes resolveram inverter aquilo que era feito: trocaram os tubos de fogo por tubos de água tendo, assim, aumentado em muito a superfície de aquecimento.
  A caldeira tubo-de-água é baseada no principio: “quando um líquido é aquecido, as primeiras partículas aquecidas ficam mais leves e sobem, enquanto que as partículas frias que são mais pesadas descem; recebendo calor elas tornam a subir, formando, assim, um movimento continuo, até que a água entre em ebulição”. Podemos ver nitidamente isto quando colocamos água para ferver.
  Existem diferentes tipos de caldeiras tubo-de-água, são elas:
}Caldeiras aquotubulares de tubos retos – os tambores podem estar dispostos no sentido longitudinal ou transversal;
}Caldeiras aquotubulares de tubos curvos – podem apresentar de um a mais de quatro tambores, no sentido longitudinal ou transversal;
}Caldeiras aquotubulares de circulação positiva.

4.2.1 Tipos de Caldeiras Aquotubulares

 Caldeiras Aquotubulares de Tubos Retos. 
  Consiste em um feixe de tubos retos e paralelos que se interligam com o tambor de vapor, através de câmaras, conforme ilustra a figura. Os gases quentes circulam pelos espaços existentes entre os tubos.
As caldeiras apresentadas foram as primeiras tubo-de-água que surgiram e tinham uma capacidade de produção de 3 a 30 toneladas-vapor/hora com pressões de até 45 Kg/cm2.
 Os projetos foram apresentados pelas firmas Babcok & Wilcox e a Steam Muller Corp.

Caldeiras Aquotubulares de Tubos Curvos
   A principal característica deste tipo são os tubos curvos que se unem aos tambores por solda ou madrilhamento, o que representa grande economia na fabricação e facilidade na manutenção. Além de serem muito práticas para limpar, possibilitam a produção de grande quantidade de vapor.
  As primeiras caldeiras deste tipo foram idealizadas por Stirling. Apresentavam um número de tambores variados e um grande volume de água.
 Destacamos, ainda, que existem outros com dois tambores inferiores.

 A partir deste modelo foram projetadas novas caldeiras. Com o objetivo de aproveitar melhor o calor irradiado na fornalha, reduziram-se o número e o diâmetro dos tubos e acrescentou-se uma parede de água em volta da fornalha que serviu como meio de proteção ao refratário.
Caldeiras de Circulação Positiva
  A circulação de água nas caldeiras aquotubulares ocorre por diferenças de densidade. Se a circulação for deficiente, poderá ocorrer um superaquecimento e, conseqüentemente, haverá a ruptura dos tubos.
Caldeiras Aquotubulares Compactas
 Quando falamos sobre a caldeira tubo de fogo compacta, vimos que este tipo é muito usada em local de pequeno espaço e em instalações móveis, devido à facilidade de transporte. O mesmo ocorre com a caldeira aquotubular compacta que além de apresentar estas vantagens pode entrar em funcionamento imediato.

A capacidade média de uma caldeira deste tipo é de 30 toneladas de vapor por hora, porém existem aquelas que produzem até 3 vezes mais.
4.3 Caldeiras Elétricas
 Além das caldeiras a combustível, existem aquelas que geram vapor a partir de energia elétrica: são as caldeiras elétricas. Estas caldeiras estão praticamente em desuso no Brasil por dois motivos principais:
  a) produção insuficiente de energia elétrica em nosso País;
  b) alto custo das tarifas de energia elétrica em relação a outras fontes de energia alternativa.
  As caldeiras elétricas seriam as ideais para uso no processo produtivo se, no entanto, a energia elétrica no Brasil não fosse escassa e o custo por sua utilização não fosse alto.
Veja algumas características das caldeiras elétricas:
}não necessitam de área para estocagem de combustível;
}ausência total de poluentes (não emitem gases na atmosfera);
}baixo nível de ruído;
}modulação de produção de vapor de forma rápida e precisa;
}alto rendimento térmico, em torno de 98%;
}área reduzida para instalação da caldeira;
}necessita de aterramento de forma rigorosa;
}tratamento de água rigoroso.

4.3.1 Tipos de caldeiras elétricas
  Existem três tipos de caldeiras elétricas:
  Caldeira tipo Eletrodo Submerso;
  Caldeira tipo Jato de Água;
  Caldeira de Resistência.

Caldeiras de Eletrodos Submerso.

  A caldeira de eletrodo submerso possui uma cuba isolada eletricamente e dentro desta estão montados os eletrodos, os quais ficam submersos na água, um por fase de dispositivo a 120º. A corrente elétrica passa através da água provocando seu aquecimento e vaporização.
A produção de vapor pode ser alterada variando-se o nível da água na cuba, por meio da abertura ou fechamento da válvula de dreno na cuba. Esta válvula é acionada automaticamente sempre que as condições de vapor sofrem alterações.
  Estas caldeiras geralmente são destinadas a trabalhar com pressão de vapor não muito elevada (aproximadamente 15kg/cm2).
Caldeiras de Jato de Água 
  Nas caldeiras do tipo jato d’água, a água estocada na parte inferior da caldeira é impulsionada pela bomba de circulação até o cilindro superior, onde estão montados os injetores para o jateamento.
  Os diversos jatos vão de encontro a um eletrodo energizado. Uma parte da água é vaporizada e a outra cai na parte inferior da caldeira para ser rebombeada.
 A quantidade de vapor gerado depende do número de injetores abertos. Existem dispositivos automáticos para fechar e abrir os injetores, proporcionando maior ou menor geração de vapor.
  As caldeiras jato d’água destinam-se a trabalhar com pressões de vapor elevadas, gerando, assim, grandes quantidades de vapor.
Caldeiras de Resistência
   As caldeiras de resistência são, na maioria das vezes, do tipo horizontal, pois utilizam resistências de imersão e destinam-se a gerar pequenas quantidades de vapor.
  Condições operacionais: a partida da caldeira dá-se instantaneamente quando os eletrodos entram em contato com a água e são energizados.
  A produção de vapor é atingida cerca de 30 minutos após o início da operação, com a caldeira totalmente fria. Em contrapartida, com a unidade já aquecida, a colocação em linha é imediata.
  A parada da caldeira se faz interrompendo a geração de vapor, abaixando-se totalmente o nível de água na cuba e desligando-se manualmente o disjuntor.
Para operações conjuntas, a caldeira elétrica desenvolve sua capacidade máxima e o vapor é enviado ao coletor distribuidor a uma pressão ligeiramente superior a das caldeiras complementares. Quando a pressão, no coletor, cai abaixo da necessária, entram em operação as demais unidades.

4.3.2 Segurança das Caldeiras Elétricas

  Pressão interna do vapor
  Para a segurança quanto a pressão interna do vapor, a caldeira elétrica apresenta os seguintes dispositivos:
  Pressostato de limite – ajustado para desligar a caldeira e soar alarme sempre que a pressão exceder 5% da pressão de trabalho;
  Válvulas de segurança de atuação mecânica – aliviam a pressão interna do vapor em caso de sobrepressão; são reguladas para abrir no máximo 6% acima da PMTP.
Observação: nos casos de níve Nível mínimo
  Sempre que o nível mínimo de segurança, na região inferior do costado, for atingido, a bomba de circulação será desligada e o alarme irá soar, a fim de evitar a sucção do vapor.
  Existem outros dispositivos de segurança para proteger as caldeiras de:
}sobrecarga e curto circuito;
}correntes de fuga (falha do isolamento);
}sobretensão e sobtensão;
}aterramento.

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