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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