Baixe Relatório Caldeiras completo e outras Manuais, Projetos, Pesquisas em PDF para Caldeiras e Soldagem, somente na Docsity!
Introdução
A utilização de calor a temperaturas relativamente baixas em diversos setores industriais é essencial nos principais processos de fabricação, como secagem, desidratação, concentração, cozimento, produção de reações químicas e esterilização microbiológica. Este é o caso de indústrias de alimentos e bebidas, papel e celulose, química, farmacêutica, agroindústrias e como no nosso caso indústrias têxteis. De um modo quase absoluto, estes fluxos de calor são conseguidos a partir de sistemas de vapor.
As caldeiras são equipamentos complexos de troca de calor, que produzem vapor a partir da energia térmica provinda da queima de combustível, constituídos por diversos equipamentos associados, perfeitamente integrados, para permitir a obtenção do maior rendimento térmico possível.
As caldeiras podem ser classificadas de diversas formas, mas a classificação mais usualmente empregada é aquela em relação à disposição da água em relação aos gases: aquatubulares, flamotubulares e mista, possuindo os dois tipos.
Nas caldeiras flamotubulares, os gases de combustão escoam no interior de tubos cercados por água. Desta maneira, a transferência de calor ocorre em toda a circunferência dos tubos. Existem caldeiras flamotubulares verticais, porém as mais comuns são as horizontais, podendo possuir fornalhas lisas ou corrugadas, mais de um passe para os gases e parede traseira seca ou molhada.
As caldeiras aquotubulares, são aquelas em que a água circula no interior dos tubos enquanto os gases quentes transitam numa câmara de combustão. São equipamentos de grande capacidade, projetadas para operar em médias e altas pressões.
Independente de sua classificação todas as caldeiras necessitam de algum tipo de instrumentação e controle automático capaz de possibilitar que suas variáveis de processo se mantenham dentro de determinados limites pré- programados para atender à demanda de vapor e operar com garantia de segurança.
Objetivos
Conhecer a geração de vapor, sua aplicação no processo produtivo, o custo sobre a geração, custo benefício de sua utilização e formas de distribuição do vapor aos pontos de consumo.
Figura SEQ Figura * ARABIC 1 - Diagrama esquemático de uma caldeira flamotular.
Combustíveis
As reações químicas da combustão liberam calor, estas reações são denominadas exotérmicas. O calor assim gerado é que constitui o calor da combustão e que pode ser aproveitado das mais diversas maneiras. Assim, cada combustível ao ser queimado é capaz de liberar uma determinada quantidade de calor. Essas quantidades de calor são medidas em aparelhos chamados calorímetros e são específicas para cada combustível.
Assim, a quantidade de calor liberada constitui uma das mais importantes características do combustível e é denominado poder calorífico. Define-se poder calorífico como a quantidade de calor produzida pela queima total de uma unidade de combustível.
O poder calorífico superior é o calor liberado pela combustão da unidade de massa do combustível a volume constante, estando à água formada pela combustão, no estado líquido.
No poder calorífico superior a água formada permanece no estado líquido, logo, seu calor latente é incluído no calor gerado na combustão.
O poder calorífico inferior é o calor liberado pela combustão da unidade de massa do combustível, na pressão constante de 1 atm, permanecendo a água da combustão no estado gasoso (vapor).
No poder calorífico inferior a água formada permanece no estado gasoso, logo, seu calor latente fica excluído do calor gerado na combustão. Na prática é o que ocorre, visto que, a temperatura dos gases de combustão é superior à temperatura de saturação do vapor d'água à pressão atmosférica, permanecendo a água na forma de vapor superaquecido.
A Tabela 1 apresenta valores de poder calorífico para diversos tipos de combustível, inclusive o poder calorífico da lenha, que é o tipo de combustível mais utilizado como fonte de energia para a geração de vapor na empresa. Percebe-se que quanto maior a porcentagem de água, menor o poder calorífico inferior, devido à exclusão do calor latente da água no poder calorífico como já explicado anteriormente.
A lenha utilizada na caldeira da empresa permanece na sua maior parte em local aberto, susceptível à umidade do ambiente e possível precipitação,
Levantamento De Custo Das Caldeiras
De acordo com os dados coletados em relação ao consumo de combustível das caldeiras fizemos o levantamento de custo para a geração de vapor da empresa.
A Caldeira a lenha consome em média 0,76 m³ a cada 10 minutos, sendo assim 4,65 m³ por hora. A empresa trabalha em regime 6x1 iniciando o turno no domingo às 20:00 horas e encerrando o turno no sábado às 17: horas, o que nos sinaliza um uso da caldeira de 141 horas por semana. Isso nos dá um consumo médio de 642,96 m³ por semana. O custo do m³ de lenha adquirido pelo setor de compras é de 63,00 reais, assim gasta-se em média R $ 40.506,48 por semana com a geração de vapor na caldeira a lenha.
Com as caldeiras auxiliares alimentadas a óleo combustível foi feita uma estimativa de custo com a geração de vapor, devido o fato de mantê-las em stand by e não operarem normalmente. O consumo dado no manual da caldeira ATA é de 450 kg de óleo combustível por hora (densidade do óleo 1A é de 1,024 g/cm³, então adotamos 1 kg para 1 litro). O valor atual do litro de óleo combustível é de 1,94 reais por litro, sendo assim, o custo da geração de vapor feita por uma caldeira é na média de 873 reais por hora. Para gerar e manter a demanda da fábrica necessita-se que as duas caldeiras auxiliares estejam gerando vapor, isso faz que tenhamos o dobro deste custo por hora, totalizando em R$ 1.746,00 por hora. Com a mesma proporção do consumo de vapor gerado na caldeira a lenha, o custo estimado com a geração nas caldeiras auxiliares é de R$ 246.186,00 por semana.
Com esse levantamento justifica-se o porquê da maior utilização na geração de vapor com a caldeira alimentada com lenha. Mesmo não contando o custo diferenciado da mão de obra para a utilização entre os dois tipos, que no caso das caldeiras alimentadas a óleo o setor não precisa de um tratorista e um ajudante, assim como a lenha necessita desta mão de obra.
Geração
Dimensionamento de Tubulação e Isolamento Térmico
Dimensionamento da tubulação para transporte de vapor deve ser dimensionado com um diâmetro que esteja de acordo com certa vazão. Caso seja dimensionada com um diâmetro muito pequeno, isto fará com que a velocidade aumente e a velocidade excessiva ocasionará um maior desgaste.
Por outro lado, caso seja dimensionada com um diâmetro muito além do necessário, terá um aumento no custo inicial da instalação, embora este fato não prejudique o funcionamento da tubulação.
Existem 2 métodos básicos para dimensionamento de tubulações: Velocidade ou perda de carga. O dimensionamento pela velocidade não considera o comprimento, deste modo à perda de carga total será muito grande. Quanto mais longa a tubulação, menor será a pressão disponível no ponto de consumo.
Podemos afirmar que um sistema de distribuição de vapor saturado, sempre terá condensação, decorrente das perdas por radiação. Porém, este condensado deve ser retirado da tubulação mesmo em pequenas quantidades. Um método simples utilizado para retirar este condensado, consiste em inclinar a tubulação de vapor no sentido de fluxo em pelo menos 0,5%. Ao fazer esta inclinação no sentido do fluxo, tanto condensado quanto vapor estarão andando no mesmo sentido, facilitando a remoção do condensado e evitando que a qualidade do vapor seja prejudicada. Afirmamos também que em todas as tubulações para vapor a total drenagem do condensado formado é de suma importância.
A instalação dos tubos com um pequeno ângulo de caimento na direção do fluxo, principalmente em linhas de vapor saturado, onde é maior a formação de condensado, tem como objetivo eliminar todo o condensado da tubulação. As tubulações sendo instaladas a frio, irão evidentemente expandir-se assim que aquecidas.
Em instalações curtas e cheias de curvas, as próprias curvas na tubulação já permitirão essa expansão. Já em instalações com maior diâmetro,
Conclusão
Uma empresa que deseja alcançar uma estrutura de custos racionalizada e tornar-se mais competitiva, já que o mercado está cada vez mais orientado a dar preferência a produtos de empresas comprometidas com ações de proteção ao meio ambiente, não deve admitir o desperdício ou usar a energia de forma ineficiente e irresponsável. É necessário, portanto, um esforço de todos os empregados da empresa, visando obter, como resultado, o mesmo produto ou serviço com menor consumo de energia, eliminando desperdícios e assegurando a redução dos custos.
Deste modo, cada vez mais se torna evidente que usar bem energia e reduzir desperdícios, além de ser possível, é uma postura inteligente, racional, com vantagens econômicas, sociais e ambientais em vários níveis. Entretanto, uma das carências mais relevantes para concretizar ações nesta direção tem sido a falta de informações para os usuários e responsáveis pelos sistemas energéticos.
Questionário De Apoio A Pesquisas
- O que você entende por “vapor de água”? Vapor de água é a água em seu estado gasoso.
- Como o vapor é obtido? Que combustíveis são utilizados?
O vapor é produzido por meio de uma troca térmica entre o combustível e a água, sendo que isto é feito por trocadores de calor construído com chapas e tubos cuja finalidade é fazer com que água se aqueça e passe do estado líquido para o gasoso, aproveitando o calor liberado pelo combustível que faz com as partes metálicas da mesma se aqueçam e transfiram calor à água produzindo o vapor.
A forma mais empregada para assegurar o fornecimento do calor necessário à produção de vapor é por meio da queima de algum combustível, como gás combustível ou lenha.
Os combustíveis podem ser classificados de acordo com seu estado físico nas condições ambientes em:
Sólidos: madeira, bagaço de cana, turfa, carvão mineral, carvão vegetal, coque de carvão, coque de petróleo, palha de arroz, etc.
Líquidos: líquidos derivados de petróleo, óleo de xisto, alcatrão, licor negro (lixívia celulósica), álcool, óleos vegetais, etc.
Gasosos: metano, hidrogênio, gases siderúrgicos (gás de coqueria, gás de alto forno, gás de aciaria), gás de madeira, biogás, etc.
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.).
- Há diferentes tipos de vapor? Se afirmativo, quais são estes tipos?
- Manter os bicos dos queimadores limpos e desobstruídos.
- Fazer o correto tratamento da água de alimentação.
- Toda caldeira deve possuir "Manual de Operação" atualizado, em língua portuguesa, em local de fácil acesso aos operadores. Segundo NR13 (NORMA REGULAMENTADORA 13), é considerado operador de caldeira aquele que satisfaz pelo menos uma das seguintes condições:
- Possuir certificado de "Treinamento de Segurança na Operação de Caldeiras" e comprovação de estágio prático;
- Possuir certificado de "Treinamento de Segurança na Operação de Caldeiras" previsto na NR 13 aprovada pela Portaria n° 02;
- Possuir comprovação de pelo menos 3 (três) anos de experiência nessa atividade.
- Todo operador de caldeira deve cumprir um estágio prático na operação da própria caldeira que irá operar, o qual deverá ser supervisionado, documentado e ter duração mínima de: a) Caldeiras categoria “A”: 80 (oitenta) horas; b) Caldeiras categoria “B”: 60 (sessenta) horas; c) Caldeiras categoria “C”: 40 (quarenta) horas.
- O que é título do vapor? Para que serve uma Tabela de vapor? Como o vapor é distribuído aos pontos onde é consumido?
Quando uma substância se encontra parte líquida e parte vapor (vapor úmido) a relação entre a massa de vapor pela massa total (massa de líquido mais a massa de vapor) é chamada título, expresso pela seguinte equação:
Nas caldeiras podem ser identificadas duas partes principais: um reservatório de água e um sistema de aquecimento, capaz de aquecer a água e transformá-la para vapor, o vapor produzido é distribuído ao longo de tubulações termicamente isoladas (diminuir perdas), aos pontos dentro da indústria onde será consumido.
A tabela de vapor serve para relacionar todas as propriedades como, temperatura de saturação, pressão, volume específico, calor latente, entalpia.
- Faça uma investigação e descreva como é feito o tratamento da água utilizada no abastecimento de uma caldeira industrial. A água considerada ideal para alimentação de caldeiras é aquela que não deposita nenhuma substância incrustante, não corrói os metais da caldeira e seus acessórios e não ocasiona arraste ou espuma. Evidentemente águas com tais características são de difícil obtenção, sem que antes haja um pré- tratamento que permita reduzir as impurezas a um nível compatível, de modo a não prejudicar o funcionamento da caldeira.
Os tratamentos usuais são:
- Desmineralização da água por meio de resinas catiônicas e aniônicas
- Desaeração mecânica da água por intermédio de desaeradores trabalhando com vapor em contracorrente
- Desaeração química da água usando sulfito de sódio catalisado ou hidrazina
- Correção do pH da água para a faixa alcalina, a fim de evitar corrosão ácida e acelerar a formação do filme de óxido de ferro protetor
- Tratamento do vapor condensado para neutralizar ácido carbônico e eliminar ataque ao ferro pelo cobre e níquel
- Em caldeiras de baixa pressão, com temperaturas inferiores a 200ºC, pode-se eliminar a desmineralização e desaeração em muitos casos, não dispensando, todavia, o uso de água clarificada.
- É possível recuperar parte da energia (energia térmica) contida nos gases emitidos por uma caldeira? Como isso pode ser feito? Dentre os gases resultantes da combustão, são consideráveis poluentes aqueles que não são reciclados por algum processo natural no meio ambiente, dentre os quais se destacam o monóxido de carbono, o gás sulfúrico e os óxidos de nitrogênio (SOx ,NOx). Para a eliminação destes efluentes contaminadores da atmosfera, a tecnologia deve intervir não só mediante a formulação de aperfeiçoamento dos processos de queima,como também no estabelecimento de técnicas de separação adequadas. No que tange à
Quando a caldeira for instalada em ambiente aberto, a "Área de Caldeiras" deve satisfazer aos seguintes requisitos:
a) estar afastada de, no mínimo, 3 (três) metros de:
- outras instalações do estabelecimento;
- de depósitos de combustíveis, excetuando-se reservatórios para partida com até 2000 (dois mil) litros de capacidade;
- do limite de propriedade de terceiros;
- do limite com as vias públicas; b) dispor de pelo menos 2 (duas) saídas amplas, permanentemente desobstruídas e dispostas em direções distintas;
c) dispor de acesso fácil e seguro, necessário à operação e à manutenção da caldeira, sendo que, para guarda-corpos vazados, os vãos devem ter dimensões que impeçam a queda de pessoas;
d) ter sistema de captação e lançamento dos gases e material particulado, provenientes da combustão, para fora da área de operação atendendo às normas ambientais vigentes;
e) dispor de iluminação conforme normas oficiais vigentes. f) ter sistema de iluminação de emergência caso operar à noite. Quando a caldeira estiver instalada em ambiente fechado, a "Casa de Caldeiras" deve satisfazer aos seguintes requisitos:
a) constituir prédio separado, construído de material resistente ao fogo, podendo ter apenas uma parede adjacente a outras instalações do estabelecimento, porém com as outras paredes afastadas de, no mínimo, 3 (três) metros de outras instalações, do limite de propriedade de terceiros, do limite com as vias públicas e de depósitos de ombustíveis, excetuando-se reservatórios para partida com até 2.000 (dois mil) litros de capacidade;
b) dispor de pelo menos 2 (duas) saídas amplas, permanentemente desobstruídas e dispostas em direções distintas;
c) dispor de ventilação permanente com entradas de ar que não possam ser bloqueadas;
d) dispor de sensor para detecção de vazamento de gás quando se tratar de caldeira a combustível gasoso.
e) não ser utilizada para qualquer outra finalidade; f) dispor de acesso fácil e seguro, necessário à operação e à manutenção da caldeira, sendo que, para guarda-corpos vazados, os vãos devem ter dimensões que impeçam a queda de pessoas;
g) ter sistema de captação e lançamento dos gases e material particulado, provenientes da combustão para fora da área de operação, atendendo às normas ambientais vigentes;
h) dispor de iluminação conforme normas oficiais vigentes e ter sistema de iluminação de emergência.
- Por quê é essencial a utilização de manômetros no corpo da caldeira? Aparelho com o qual se mede a pressão de gases, de vapores e de outros fluídos. É muito utilizado na indústria, entre outros fins, para verificar a pressão de caldeiras e de vasos sob pressão. O conhecimento desta pressão é obrigatório, não só sob o ponto de vista de segurança, como também, para a operação econômica e segura da caldeira.
Cada caldeira tem uma capacidade de pressão determinada. Sendo assim, os manômetros utilizados em cada caldeira devem ter a escala apropriada. A pressão máxima de funcionamento da caldeira deverá estar sempre marcada sobre a escala do manômetro, com um traço feito a tinta vermelha, para servir de alerta ao operador no controle da pressão.
- As caldeiras podem ter sua operação e funcionamento controlados por sensores e dispositivos eletrônicos. Descreva em poucas linhas: como é feita a automação de caldeiras? Quando isso se torna necessário? A automação de processos industriais vem sendo cada vez mais utilizados em sistema de produção das indústrias de grande porte devido à
Referências Bibliográficas
- QUIRINO, W. F.; VALE, A. T.; ANDRADE, A. P. A.; ABREU, V. L. S.; AZEVEDO, A. C. S. Poder calorífico da madeira e de materiais ligno-celulósicos. Revista da Madeira , Brasília, DF, v. n. 89, p.100-106, abril. 2005.
- GYURKOVITS. Caldeiras. 2004. 101 p.
- ARAÚJO, J. L. Apostila caldeiras. Rio de Janeiro: 2010. 122 p.
• NOGUEIRA, L. A. H.; NOGUEIRA, F. J. H.; ROCHA, R. C.
Eficiência energética no uso de vapor. Rio de Janeiro: Eletrobrás, 2005. 196 p.
- BRASIL. NR – 13. Portaria SIT n.º 57, de 19 de junho de 2008. Caldeiras e vasos de vapor, 2008.
- WINCK JUNIOR, J. C. Avaliação dos danos por influência no superaquecedor da caldeira de Coda Refap s/a segundo API STD 530. 2009. 66 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Inspeção de Equipamentos) – Escola de Engenharia, Porto Alegre, RS, 2009.
- BIZZO, W. A. Geradores de Vapor. 2003. 15 f.
- (^) TROVATI, J. Tratamento de água para geração de vapor: caldeiras. 2005, 80 p.
