NR 13 -Caldeiras, Vasos de Pressão e Tubulações - CONTINUIDADE - PARTE 6

5 - PARTES DE UMA CALDEIRA

5.1 Fornalhas

  Um fator importante na fornalha é a formação de um recinto fechado e termicamente isolado do meio exterior. Pode ser de tijolos refratários (tijolos que resistem a altas temperaturas) de boa qualidade, pois as temperaturas podem atingir até 1.600ºC dependendo da fornalha.

  Quando forem instalados tijolos refratários novos recomenda-se que se aplique pouco calor nos primeiros dias e se vá aumentando, gradativamente, até os tijolos atingirem suas características de operação. Caso isto não seja observado e aplique-se um calor elevado bruscamente, os tijolos refratários poderão vir a se danificar.

Outra maneira de apresentação de refratários é em pó, onde, nesse caso, é aplicado sob a forma de argamassa ou concreto.

  Um bom refratário deve ter as seguintes características:

}Alta refratariedade e alto ponto de fusão;

}Alta refratariedade sob carga;

}Resistência ao choque térmico;

}Dilatação quase nula.

 Os componentes dos refratários podem variar conforme sua aplicação e a temperatura que terão de suportar. Os principais componentes são: Óxido de Sílica, Óxido de Alumínio, Óxido de Magnésio, Grafite, Silício, etc.

5.1.1 Fornalhas para queima de combustíveis sólidos

  São as fornalhas com suporte e grelhas. As grelhas podem ser planas, inclinadas ou dispostas na forma de degraus. Estas fornalhas destinam-se a queima de lenha e seus derivados: carvão, sobras de produtos, bagaço de cana, casca de castanha, etc. Normalmente, a alimentação é feita manualmente, embora possa ser mecanizada.

  A desvantagem deste tipo de fornalha é que elas apresentam baixas de temperatura na entrada do combustível, grande produção de resíduos e uso limitado em caldeiras de pequena capacidade.

  Quanto a fornalha para óleo combustível ou gás, existe muita variedade:

}Um tipo para caldeira flamotubular, em que os gases quentes passam por dentro do cilindro.

}Outro tipo para caldeira aquotubular, em que a água circula pela junção dos tubos e sua região externa configura a fornalha das caldeiras aquotubulares.

5.1.2 Fornalhas para queima de combustíveis em suspensão

  São usadas quando se queima óleo, gás ou combustíveis sólidos pulverizados e o elemento responsável por sua queima é o maçarico ou o combustor

  Neste caso, a fornalha é dividida em duas partes: fornalha propriamente dita (câmara de combustão) e maçarico (combustor). Para que ocorra uma combustão ideal, uma das condições é que o combustível passe para o estado gasoso, ou seja, que ele seja pulverizado.

  Como vimos, as fornalhas desempenham importante função em um gerador de vapor, portanto para sua construção devem ser observados os seguintes aspectos:

} o tipo de combustível,

}a facilidade de limpeza, o teor de cinzas produzidas pelo combustível,

}a volatilidade,

}a temperatura na fornalha,

}o regime de trabalho,

}a injeção de ar e a coordenação com os modos ou meios de alimentação.

  Isso tudo deve ser feito levando-se em consideração a finalidade da caldeira, seus componentes e a área local e periférica de instalação.

5.2 Tubos

  Tubos são os elementos que recebem a maior quantidade de calor da fornalha. Estes têm a finalidade de transferir o calor dos gases quentes para a água. Existem dois tipos de tubos: um para caldeira flamotubular e outro para aquotubular, independente do tipo de combustível.

 Em caldeiras flamotubulares, como foi visto, os gases passam por dentro dos tubos e a água permanece por fora.

 Em caldeiras aquotubulares estes tubos possuem água em seu interior e formam as paredes da fornalha, recebendo calor diretamente dos gases da combustão.

Tem, também, o papel de ligar o tubulão de vapor superior aos coletores ou depósitos de água inferiores. Completando a circulação da água em convecção natural no sentido descendente, existem os tubos de retorno externamente à câmara de combustão. A água recebendo calor no feixe tubular torna-se mais leve, menos densa e tende a subir em corrente ascendente para o tubulão de vapor, onde se vaporiza.

5.3 Corpos cilíndricos (costado, casco ou carcaça)

  Apenas as caldeiras flamotubulares e as elétricas possuem corpos cilíndricos, que são diferentes entre si.

  Nas caldeiras flamotubulares, os gases passam através dos tubos e a água que os envolve é comportada em um corpo cilíndrico. Logo, para melhor visualizar, pode-se dizer que a caldeira flamotubular é um cilindro com água atravessado por tubos.

O nível da água, neste cilindro, não pode ser superior a três quartos e nem sua capacidade inferior a metade.

  As extremidades do casco podem ser de diversos tipos:

}espelhos (com abertura, sem abertura, estaiados, não-estaiados);

}tampos planos;

}tampos abaulados 

5.4 Queimadores

Para cada combustível existe um queimador, independente do tipo de caldeira (flamotubular ou aquotubular).

  Numa caldeira, a função mais importante do sistema é exercida pelos chamados queimadores ou combustores, os quais realizam a pulverização do óleo, projetando-o no interior da fornalha. O queimador de óleo tem por finalidade pulverizar o óleo combustível e lançá-lo no interior da fornalha dividido em gotículas, cujos diâmetros variam aproximadamente de 30 a 150 mícrons. Dessa forma ocorre gaseificação rápida, permitindo que a superfície de contato do combustível com o oxigênio do ar de combustão seja grandemente aumentada.

5.5 Queimadores de pulverização com fluído auxiliar

   Subdividem-se em:

   Queimador de pulverização a ar de baixa pressão

   Este tipo de queimador é encontrado em fornos industriais e em algumas caldeiras antigas. A pressão do ar varia de 150 a 800 mm de coluna d’água e passa para o bico do queimador através de uma série de palhetas que lhe dão um movimento rotativo. Devido a forma cônica do bico do queimador, a velocidade do ar é aumentada sem que se modifique o seu movimento espiral. Como conseqüência, obtemos um turbilhonamento que faz o óleo combustível parcialmente aquecido ser inteiramente misturado com o ar, facilitando a combustão.

Em um queimador a ar de baixa pressão, sua velocidade varia com a raiz quadrada da pressão. Assim, se a pressão do ar no bico do queimador correspondente a descarga máxima for de 635 mm de coluna d’água, ao se reduzir a descarga de óleo à metade será necessário reduzir para cerca de 160mm de coluna d’água a pressão de ar, de modo a manter correta a proporção ar/ óleo.

  Nos queimadores de baixa pressão é necessário grande volume de ar. Em geral, não são satisfatórias as condições de pulverização abaixo de 250mm de coluna d’água. A viscosidade máxima admissível neste tipo de queimador está em torno de 90 SSU.

Queimador de Pulverização a Ar de Alta Pressão.

  Neste tipo de queimador, a pressão do ar é superior a 15psi. O ar primário para este queimador é produzido por compressores e quanto maior for a pressão de ar primário, menor será a quantidade na percentagem total de ar necessário. Assim, complementa-se com ar secundário, facilitando o controle da combustão. Este tipo de queimador também trabalha eficientemente com vapor e admite viscosidade máxima em torno de 170 SSU.

Queimador de Pulverização Mecânica.

Também denominado de jato-pressão é normalmente empregado em instalações de grande porte - nas quais predominam o fator econômico - e em instalações marítimas, isto devido ao menor consumo de energia e de água.

  A pulverização do óleo combustível é produzida pela passagem do óleo sob alta pressão através de um orifício. Sua pressão varia normalmente de 60 a 140psi, mas pode atingir valores maiores, sendo produzida por uma bomba para óleos até 150 SSU.

Queimadores a Gás

Estes queimadores são equipamentos que, em um sistema de combustão, têm as seguintes funções:

}fornecer o gás combustível e o comburente à câmara de combustão, fixando adequadamente o posicionamento da chama;

}misturar convenientemente o gás combustível e o comburente;

}proporcionar os meios necessários para manter uma ignição contínua da mistura gás combustível/ ar, evitando a extinção da chama.

  Entenda psi como lb/pol2.

Tambor de Vapor (Tubulão Superior)

 Existe apenas um tipo para as caldeiras aquotubulares. O tambor de vapor é o local onde ocorre a separação entre o vapor e a água.

 Tubulão de Lama (Tubulão Inferior)

 Existe apenas um tipo para as caldeiras aquotubulares. Recebe este nome (lama) porque é o local onde há a deposição dos sólidos.

Chaminé

A chaminé é uma parte importante da caldeira. Ela ajuda na tiragem (saída dos gases da combustão) porque existe a diferença de pressão atmosférica entre sua base e seu topo, provocada pela desigualdade de temperatura dos gases de combustão.

  Pode ser constituída de chapas de aço ou alvenaria de tijolo comum, porém em qualquer um dos casos sua construção deve ser rigorosamente projetada e executada, levando-se em consideração a quantidade de gases que deverá passar, a velocidade destes gases, a temperatura (tanto na base como no topo) e a pressão atmosférica local. Também, deve-se ter cuidado para que não haja qualquer fenda que possibilite uma entrada falsa de ar.

6.1 Dispositivo de Alimentação

 6.1.1 Equipamentos para Alimentação de Água nas Caldeiras.

  Estes equipamentos desempenham um importante papel, sua função é manter o nível de água para que a caldeira possa atender a demanda de vapor. Eles devem ser controlados para repor exatamente a quantidade de água que foi evaporada, garantindo o regime permanente de geração, de forma segura para operadores e equipamentos.

  Os equipamentos para a alimentação de água podem variar de acordo com a capacidade da caldeira. Os principais são:

Injetores

  São equipamentos para alimentação de água, usados em pequenas caldeiras de comando manual. Por conta disso foram muito empregados em locomotivas a vapor. Seu princípio simples de funcionamento baseia-se no uso do próprio vapor de caldeira ou de ar comprimido que é injetado dentro do aparelho (onde existem os cônicos divergentes e as válvulas de retenção, de controle, e de sobrecarga).

  Quando o ar ou o vapor passam pelos cônicos divergentes, formando um vácuo, a válvula de admissão é aberta e arrasta, por sucção, a água do reservatório para dentro da caldeira. Se a água entrar em excesso, esta sairá através da válvula de sobrecarga.

Bomba da água

  É um equipamento importante para o funcionamento da caldeira, visto que fornece a água de alimentação. Este, deve ter uma pressão superior à pressão de trabalho, a fim de que seja introduzida água no sistema. A sua instalação hidráulica é dotada de válvulas de retenção que evitam o retorno do líquido de trabalho, bem como a entrada de ar no circuito de aspiração.

  Bombas Alternativas 

  As bombas alternativas podem ser movidas por intermédio de turbinas a vapor, conjunto de êmbolos, motor elétrico ou rodas, no caso de locomotivas a vapor. Apresentam como grandes vantagens a economia de força e a capacidade de se adequarem a diferentes fontes de energia para funcionar

  A desvantagem que este equipamento apresenta é ter sua capacidade limitada a uma vazão máxima de 50.000 litros por hora e facilidade de arrastar, junto com a água, grandes quantidades do óleo lubrificante usado no sistema.

  Sua construção é bastante simples: consta de uma câmara, duas válvulas de retenção e um êmbolo. A água é admitida e eliminada da câmara pelo movimento alternativo do êmbolo

As bombas alternativas são vulgarmente chamadas de bombas de “pistão”. Aquelas que usam conjunto de êmbolos para seu acionamento são chamadas de “burro” ou “burrinho d’água”.

Bombas Centrífugas

  São bombas que apresentam os melhores resultados pela simplicidade de seus componentes, facilidade de manutenção e grande vazão oferecida, atingindo até 500.000 litros de água por hora.

  Seu funcionamento consiste em um disco com um jogo de palhetas que giram em alta velocidade e fazem a sucção da água. Os discos são chamados de estágios, cuja quantidade pode variar de acordo com a capacidade da bomba. Nas caldeiras de baixa pressão empregam-se bombas com apenas 1 (um) estágio e nas de alta pressão são usados multiestágios. Cada estágio aumenta 3gf/cm2 na pressão da bomba.

6.1.2 Regulador de Nível Elétrico

   O regulador de nível é composto de duas partes:

  a) Os elementos de comando (eletrodos “E”) no corpo de nível (CN) e (CNS);

  b) O controle de nível (CNC) no interior do Armário dos Controles (A).

  Coluna de Nível (CN)

  Trata-se de uma garrafa contendo: de 4 a 6 eletrodos de nível, na parte superior da caldeira; vidro indicador de nível de água (VIN); 2 torneiras de prova (TP-1) e (TP-2); válvula de dreno para descarga (VDRN) da coluna de nível e registros isoladores para troca de vidros (VVN-1) e (VVN-2).

Os eletrodos (E) devem ser mantidos sempre limpos, para esse fim deve-se descarregar a coluna pela válvula (VDRN) algumas vezes por dia, com pressão bem alta e durante alguns segundos. No mínimo uma vez ao mês retirar os eletrodos para limpeza, deste modo evita-se também a formação de lama na coluna e nas regiões I e III que pode impedir o funcionamento total do regulador de nível.

  As torneiras de provas (TP-1) e (TP-2) servem para limpeza e teste (funcionamento) da coluna de nível.

  A torneira de prova superior (TP-1) servirá para fazer a limpeza dos eletrodos de nível superior (Nº 9 e Nº 10).

A torneira de prova inferior (TP-2) servirá para fazer a limpeza dos eletrodos inferiores (Nº 11 e Nº 12) e ao mesmo tempo verificar o funcionamento correto do sistema de segurança de nível, pois quando se abre a torneira de prova inferior (TP-2) o alarme deverá soar e a combustão deverá ser interrompida.

  Será explicitada abaixo a função que cada eletrodo possui.

}eletrodo nº 9 comanda a parada da bomba de alimentação, quando a água atinge este nível.

}eletrodo nº 10 dá partida na bomba de água, quando o nível desce até um pouco abaixo deste ponto.

}eletrodo nº 11 comanda a interrupção do fogo por falta de água na parte interna da caldeira, fazendo soar o alarme;

}eletrodo nº 12 comanda a passagem de corrente através da água para os eletrodos de controle;

  As ligações trocadas nos eletrodos podem trazer sérios problemas na alimentação geral da combustão.

  Nota: Antes de retirar os eletrodos de nível para exame e limpeza, descarregue toda a pressão da caldeira, deixando a 0 (zero) Lb/pol2, sem permitir a água no vidro indicador de nível. A simples troca do vidro visor de nível requer certos cuidados, dentre eles o fechamento dos registros, a retirada das gaxetas e dos fragmentos de vidro, o corte do novo vidro na medida correta e, finalmente, o reaperto das gaxetas.

Na coluna de nível não pode existir vazamento algum, do contrário, haverá desequilíbrio no indicador da coluna.

  Ponha a prova também a proteção do nível mínimo. Para isso proceda da seguinte forma:

  Com a caldeira “acesa” abra totalmente a válvula (VDRN);

}Observe que neste instante deve acontecer o seguinte: a bomba de água funcionará, o combustor se apagará e o alarme soará.

}Se isso não acontecer é porque há um defeito. Procure-o e corrija-o;

}Se acontecer da bomba de água funcionar, o combustor se apagar e o alarme soar feche a válvula (VDRN) e o Gerador de Vapor voltará a funcionar normalmente.

 No caso de entupimento das regiões (I) e (III) retire o “Plug” que existe na região (II) com a caldeira fria e faça a limpeza com um pedaço de arame para retirar lamas e crostas, devendo-se ainda, retirar os castelos e contra-sede da válvula de dreno da coluna, a fim de que pequenos fragmentos não danifiquem a sede da válvula.

  Para limpar o vidro indicador de nível (VIN) abra a válvula (VDN) durante alguns segundos. Repita a operação quantas vezes forem necessárias. Se observar, que abrindo a válvula (VDRN) a ação do regulador de nível é muito lenta, verifique se há entupimento nas regiões I e III.

Controle de Nível (CNC)

  Este funciona por intermédio do contato entre os eletrodos de nível e a água sendo constituído de um transformador com primário de 220 volts e o secundário de 250 voIts, 3 relés, sendo: 1 de contato normalmente abertos, 2 de 1 contato normalmente aberto e 1 contato fechado e 6 eletrodos de controle, sendo 4 na garrafa de nível (CN) e 2 de segurança dentro do corpo da caldeira no (CNS)  

  Nota: Em casos especiais existem 4 relés e 8 eletrodos de controle (ATA - 28 a 30 de alta pressão).

 Os eletrodos são mergulhados na massa de água através da qual emitem entre si corrente elétrica.

  O eletrodo nº 11 fica em série com o circuito de alimentação das bobinas eletromagnéticas da bomba de óleo e do ventilador. Se o nível da água no interior da caldeira desce abaixo do mínimo permissível, a combustão é interrompida e o alarme soa.O eletrodo nº 10 comanda o acionamento da bomba de água sempre que o nível cair abaixo dele, enquanto que o eletrodo  nº 9 comanda a parada desta bomba assim que for atingida pela água. A diferença de comprimento entre estes dois eletrodos (nº 9 e 10) é a faixa de nível normal da água no interior da caldeira.

  Os três eletrodos (nº 9, 10 e 11) recebem corrente elétrica do nº 12, fechando o circuito para dois relés da caixa (CNC).

6.1.3 Alimentação de Energia Elétrica – Controle

    Quadro de Comando

  É o componente da caldeira onde estão todos os dispositivos elétricos que permitem sua operação. No caso de caldeiras com alimentação a combustível líquido os dispositivos são mais complexos, pois determinam o acendimento automático e o controle da chama, além de outros comandos como o de nível de água, controlando as bombas de alimentação e os relés de alta pressão.

Nas caldeiras com alimentação por combustível sólido (lenha), os quadros de comando são mais simples possuindo apenas o comando de nível automático, o qual controla o funcionamento das bombas de alimentação de água e o aumento de pressão.

Descrição da Aparelhagem no Quadro de Comando.

  Os comandos são postos em um armário que os abriga de poeira e, principalmente, de umidade. Os comandos que estão montados no quadro são basicamente os que aparecem na figura a seguir:

Legenda:

1- seleção do comando manual ou automático;

2 - chave de ligar e desligar a bomba d'água;

3 - chave de ligar e desligar o ventilador de exaustão;

4 - .alarme sonoro de advertência;

5 - lâmpadas piloto;

6 - chaves magnéticas de ligação do nível automático.