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CALDEIRAS,
SUPERAQUECEDORES EREAQUECEDORESDCIO GERMANO XAVIER REBOUAS JNIOR
NGRID HELOISA DA SILVA ALVESKTIA NASCIMENTO DE SOUZAVICTOR HUGO CAVALCANTE ALVES
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INTRODUO
Num gerador de vapor moderno, vrios componentes estodispostos de modo a absorver eficientemente o calor dosprodutos da combusto e fornecer vapor temperaturanominal, presso e capacidade.
Componentes: Caldeira;
Superaquecedor;
Reaquecedor;
Pr-aquecedor;
Economizador;
Aquecedor de ar;
Separadores;
Controle.
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CALDEIRAS
Empregadas na produo de vapor de gua ou aquecimento defluidos trmicos;
A energia para vaporizao pode ser obtida atravs da queimade combustvel slido, lquido ou gasoso, ou ainda por
converso de energia eltrica e at fisso nuclear; Fceis de usar e de automatizar;
Classificam-se em dois grandes grupos:
Caldeiras flamotubulares;
Caldeiras aquatubulares.
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CALDEIRAS FLAMOTUBULARES
Gases quentes da combustocirculam no interior de tubos queatravessam o reservatrio degua a ser aquecida para produziro vapor.
Muito utilizada em pequenasindstrias, hospitais e hotis.
Pequeno porte, baixo valor deinvestimento e facilidade demanuteno.
Destaque em dois tipos decaldeiras: vertical e horizontal.
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CALDEIRAS FLAMOTUBULARES
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CALDEIRAS FLAMOTUBULARES
Componentes de uma caldeira flamotubular:a) Cinzeiro: em caldeiras de combustveis slidos, o local onde se depositam as cinzas ou
pequenos pedaos de combustvel no queimado.
b) Fornalha:com grelha ou queimadores de leo ou gs.
c) Seo de irradiao: so as paredes da cmara de combusto revestidas internamente por
tubos de gua.d) Seo de conveco:feixe de tubos de gua, recebendo calor por conveco forada; pode
ter uma ou mais passagens de gases.
e) Superaquecedor: trocador de calor que aquecendo o vapor saturado transforma-o emvapor superaquecido.
f) Economizador: trocador de calor que atravs do calor sensvel dos gases de combustosaindo da caldeira aquecem a gua de alimentao.
g) Pr-aquecedor de ar:trocador de calor que aquece o ar de combusto tambm trocandocalor com os gases de exausto da caldeira.
h) Exaustor: faz a exausto dos gases de combusto, fornecendo energia para vencer asperdas de carga devido a circulao dos gases.
i) Chamin: lana os gases de combusto ao meio ambiente, geralmente a uma alturasuficiente para disperso dos mesmos.
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CALDEIRAS FLAMOTUBULARES
Vantagens:
Construo fcil, com relativamente poucos custos;
So bastante robustas;
No exigem tratamento de gua muito cuidadoso;
Exigem pouca alvenaria; Utilizam qualquer tipo de combustvel, lquido, gasoso ou slido.
Desvantagens:
Presso limitada em torno de 15 atm, devido espessura da chapa dos corposcilndricos crescer com o dimetro;
Partida lenta, em funo de se aquecer todo o volume de gua; Baixa capacidade e baixa taxa de produo de vapor por unidade de rea de
troca de calor;
Circulao de gua deficiente;
Dificuldades para instalao de superaquecedores, economizadores epreaquecedores de ar.
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CALDEIRAS AQUATUBULARES
A gua a ser aquecida passa nointerior de tubos que soenvolvidos pelos gases decombusto.
Utilizadas nos projetos industriais
modernos, produzindo grandesquantidades de vapor a elevadastemperaturas.
Produo de vapor pode atingir at750 ton/h.
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CALDEIRAS AQUATUBULARES
Componentes de uma caldeira aquatubular:a) Cmara de combusto: regio onde se d a queima do combustvel, gerando o gs de
queima aquecido.
b) Tubulao de vapor: tambor horizontal localizado na parte superior da caldeira,onde gua e vapor esto em equilbrio na temperatura de saturao correspondente
presso do mesmo.c) Tubulao de gua: tambor horizontal localizado na parte inferior da caldeira,
normalmente com dimenses menores do que o anterior, ficando sempre cheiodgua.
d) Feixes de tubos: tubos que interligam os tambores de vapor e de gua.
e) Isolamento e refratrios: isolam a cmara de combusto dos elementos estruturaisirradiando o calor no absorvido pelos tubos de volta para dentro da cmara, o que
evita perdas de calor para o exterior e protege a carcaa metlica.f) Estrutura e carcaa metlica: envolvem a caldeira, sustentam o isolamento e os
refratrios, alm de todos os internos, garantindo a estanqueidade.
g) Sada de gases e chamins: promovem a exausto dos gases de combustoprovenientes do interior da caldeira, regulando a tiragem necessria.
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CALDEIRAS AQUATUBULARES
Vantagens:
Maior taxa de produo de vapor por unidade de rea de troca de calor.
Possibilidade de utilizao de temperaturas superiores a 450C e pressesacima de 60 atm.
Partida rpida em razo do volume reduzido de gua nos tubos. A limpeza dos tubos mais simples que na flamotubular e pode ser feita
automaticamente.
A vida til destas caldeiras pode chegar a 30 anos.
Desvantagens:
Uma caldeira aquatubular pode custar at 50% mais que uma caldeiraflamotubular de capacidade equivalente.
Construo mais complexa.
Exigem tratamento de gua muito cuidadoso.
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CALDEIRAS AQUATUBULARES
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CRITRIOS DE PROJETO PARA CALDEIRAS
1. Definir a entrada de energia com base nos requisitos de fluxo de vapor, a temperaturada gua de alimentao, e uma eficincia trmica da caldeira assumida ou especificada.
2. Avaliar a absoro de energia necessria na caldeira e outros componentes detransferncia de calor.
3. Realizar clculos de combusto para estabelecer combustvel, ar e requisitos de fluxo degs.
4. Determinar o tamanho e a forma do forno.
5. Determinar a colocao e configurao de superfcies de aquecimento por conveco.
6. Fornecer superfcies saturadas suficientes para a caldeira gerar o restante do vapor nogerado nas paredes do forno.
7. Projetar peas de presso de acordo com os cdigos aplicveis, utilizando materiaisaprovados.
8. Fornecer um ambiente de caldeira a gs estanque.
9. Projetar suportes de presso e configurao para a expanso e as condies locais.
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SUPERAQUECEDORES E AQUECEDORES
Turbinas- Superaquecimento e reaquecimento:
A utilizao de vapor saturado na turbina resulta em uma perda deenergia;
Formao de umidade excessiva na p da turbina (Fator limitante nosprojetos de turbinas);
Vantagem do superaquecimento:
A turbina transforma a energia de superaquecimento no trabalho semformao de umidade;
Diagrama Temperatura- entropia do Ciclo de Rankine Ideal;
No aplicvel para presso de vapor igual ou superior a presso critica;
Superaquecimento: reduz a taxa de ciclo de calor e aumenta a eficincia.
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SUPERAQUECEDORES E AQUECEDORES
Tipos de Superaquecedores
Superaquecedor de Conveco: Para temperaturas de gs;
Transferncia de calor por radiao reduzida;
Depende da quantidade e velocidade do fluxo de gs; Resultados elevados de absoro de calor saindo do superaquecedor.
Superaquecidor Radiante: Pouca energia de transferncia de calor por conveco;
Depende das temperaturas elevadas produzidas na combusto; A temperatura do vapor sai do superaquecedor radiante menor em
cargas mais elevadas.
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SUPERAQUECEDORES E AQUECEDORES
Geometria do tubo:
Tubos Cilndricos com dimetros de 44,5-63,5 mm
Dimetros pequenos: queda de pressoelevada e alinhamento mais complexo;
Superaquecedores e aquecedores possui,geralmente, tubos lisos.
Superfcie prolongada nos tubos pode
ocasionar aumento de temperatura eestresse trmico.
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SUPERAQUECEDORES E AQUECEDORES
Parmetros que deve ser considerado para um projeto deum superaquecedor:
Temperatura de sada do vapor;
A carga da caldeira responsvel por controlar a temperaturado vapor;
Superfcie;
Zona de temperatura de gs;
Material para a superfcie e suportes;
Taxa de fluxo de vapor; O arranjo da superfcie;
Concepo fsica e estrutura.
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SUPERAQUECEDORES E AQUECEDORES
Otimizao dos parmetros:
1. Requer uma liga de menor custo,
2. D uma queda de presso de vapor mais razovel, semcomprometer as temperaturas do metal do tubo,
3. D um maior fluxo de massa de vapor ou de velocidade do tubo atemperaturas mais baixas,
4. D os espaamentos de tubo que minimizam o acmulo de cinzase potencial de eroso,
5. Permite menor espaamento dos tubos, tornando assim umarranjo mais econmico para um fornecimento de combustvel
favorvel,6. D um arranjo de tubos que reduz a perda de projeto,
7. Permite a superfcie superaquecedor para ser localizado numazona de maior temperatura do gs, com uma reduo subsequenteda superfcie necessria.
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SUPERAQUECEDORES E AQUECEDORES
Projeto Reaquecedor
Analise critica da perda de presso;
O fluxo de massa de vapor deve ser suficiente para manter adiferena de temperatura entre vapor de massa e o metal dasuperfcie 83C;
A queda de presso, normalmente, de 4 a 5% da presso deentrada.
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SUPERAQUECEDORES E AQUECEDORES
Materiais de tubo:
Resistncia a oxidao;
Tenso admissvel;
Economia.
Suportes:
Localizados fora do fluxo degs;
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AJUSTE E CONTROLE DE TEMPERATURA DEVAPOR
Importncia do controle e ajuste:
Para evitar falhas devido a temperaturas excessivas do metal no
superaquecedor, reaquecedor, ou turbina; Para evitar que expanso trmica reduza perigosamente as
folgas da turbina;
Para evitar a eroso excessiva da umidade nos ltimos estgiosda turbina.
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AJUSTE E CONTROLE DE TEMPERATURA DEVAPOR
Variveis operacionais importantes que afetam atemperatura do vapor:
Taxa de disparo,
Quantidade total da superfcie,
Relao de transmisso de calor para a superfcie de absororadiante,
Excesso de ar,
Temperatura da gua de alimentao,
Alteraes no combustvel que afetam caractersticas de queima,
Depsitos de cinza nas superfcies de aquecimento
E uma especfica combinao do queimador de servio.
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AJUSTE E CONTROLE DE TEMPERATURA DEVAPOR
Definies importantes
Regulao: adio ou retirada de superfcie componente ou da
superfcie de caldeira frente do sobreaquecedor e/oureaquecedor.
Controle: operao de atemperadores, de amortecedoresdosadores de gs e de ventiladores de recirculao de gs.
Atemperador
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AJUSTE E CONTROLE DE TEMPERATURA DEVAPOR
Definies importantes
Vlvula dosadora de gs: divide o fluxo de gs de combusto
quente entre o superaquecedor e reaquecedor.
Ventoinha de recirculao de gs: extrao de gases decombusto a partir do economizador, injetando-os paradentro do forno.
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AJUSTE E CONTROLE DE TEMPERATURA DEVAPOR
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AJUSTE E CONTROLE DE TEMPERATURA DEVAPOR
Efeitos de variveis deoperao:
Carga
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Carga = Temperatura Quantidade
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AJUSTE E CONTROLE DE TEMPERATURA DEVAPOR
Efeitos de variveis de operao:
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TemperaturaExcesso de ar =
TemperaturaTemperatura de gua de alimentao =
Limpeza da superfcie em frente ao superaquecedor = Temperatura
Limpeza da superfcie do superaquecedor = Temperatura
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AJUSTE E CONTROLE DE TEMPERATURA DEVAPOR
Efeitos de variveis de operao:
Uso de vapor saturado =
Purga =
O funcionamento do queimador
Combustvel
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Temperatura
Temperatura
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AJUSTE E CONTROLE DE TEMPERATURA DEVAPOR
Controle
Meios de controle:
Uso de atemperador,
Uso de amortecedores dosadores gs, Recirculao dos gases,
Excesso de ar,
Seleo de queimadores,
Queimadores mveis,
Forno dividido com diferencial de aquecimento, e superaquecedores separadamente disparados.
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AJUSTE E CONTROLE DE TEMPERATURA DEVAPOR
Meios de controle:
Uso de atemperador: Contato direto De superfcie
Vdeo
Localizao Entre duas sees do superaquecedor Sada do aquecedor Entrada do reaquecedor
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AJUSTE E CONTROLE DE TEMPERATURA DEVAPOR
Localizao
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AJUSTE E CONTROLE DE TEMPERATURA DEVAPOR
Localizao
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AJUSTE E CONTROLE DE TEMPERATURA DEVAPOR
Meios de controle:
Uso de atemperador:
Mecanismos:1. Atemperador de um nico estgio
2. Tandem atemperador
3. Atemperador de mltiplos estgios
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AJUSTE E CONTROLE DE TEMPERATURA DEVAPOR
Meios de controle:
Amortecedores de dosagemde gs
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AJUSTE E CONTROLE DE TEMPERATURA DEVAPOR
Meios de controle: Amortecedores de dosagem de gs
Consideraes para o projeto:
Amortecedores devem ser colocados em uma zona de gs frio paragarantir o mximo de confiabilidade.
A perda atravs da unidade pode aumentar para alguns projetos,especialmente com combustveis alternativos , de modo que esteparmetro deve ser otimizado.
Projetos de sistemas de controle e ajuste so essenciais porque a respostade controle do amortecedor mais lenta do que com atemperador de
pulverizao. Sob condies mximas de polarizao, quando um amortecedor quase
completamente fechado, e o outro aberto, as temperaturas dos gases nosamortecedores e as superfcies de transferncia de calor mais prximasdos amortecedores estaro no seu mximo. Estas temperaturas definiroento os requisitos de concepo do tubo de metal.
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AJUSTE E CONTROLE DE TEMPERATURA DEVAPOR
Meios de controle:
Recirculao de gs
Gs de recirculao Gs de tmpera
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AJUSTE E CONTROLE DE TEMPERATURA DEVAPOR
Meios de controle:
Excesso de ar =
Seleo de queimador
Queimadores mveis
Fornos divididos diferencialmente separados
Superaquecedores separadamente disparados
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Absoro de calor do forno
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SISTEMAS DE BYPASS E DE INICIALIZAO
Tambores de alta presso e Caldeiras de passagem nicadevem ser: Rpidos;
Terem confiveis sistemas de inicializao;
Mudanas rpidas de carga.
Afim de fornecer uma melhor economia eltrica durante a operao.
Durante a inicializao ou em baixas cargas (inferiores a 20%), a temperaturaem cada sada de vapor tendem a acompanhar a temperatura dos gases decombusto.
ATENPERAO: apenas uma pequena quantidade necessria para baixascargas, tornando-a invivel.
As disposies devem ainda serem feitas para coincidir com as diferentesnecessidades de fluxo, presso e temperatura da turbina e caldeira.
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SISTEMAS DE BYPASS E DE INICIALIZAO
Para atender essas necessidades especiais, uma variedade de sistemas dedesvio e de inicializao foram desenvolvidas para os tambores e as caldeirasde passagem nica.
Requisitos:
Projeto de circulao de fluxo nos circuitos de absoro de alto calor,arrefecendo-os antes da unidade ser disparada;
Fornecer um desvio da turbina at que as presses do vapor e temperaturassejam as mesmas;
Reduzir o desvio do fluxo de presso e temperatura antes de atingir ocondensador e o equipamento de admisso de vapor auxiliar;
Recuperar calor durante a inicializao e fornecer gua limpa para ainicializao completa;
Acelerar os processos de inicializao;
Fornecer maior eficincia atravs da caldeira de presso dupla.
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SISTEMAS DE BYPASS E DE INICIALIZAO
Trs sistemas de UP (Universal Pressure) estodisponveis:
Um para operao de presso na fornalha constante sobre a faixade carga;
Dois para presso de fornalha varivel sobre a faixa de carga.
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SISTEMA DE INICIALIZAO DE PRESSOVARIVEL EM ESPIRAL
Equipado com tubos, vlvulas,separadores de vapor e tanquescoletores de gua;
O sistema de inicializao controla aoperao no incio, no desligamento e
na operao onde a carga for mnima. SWUP (Caldeira de passagem nica de
presso universal em espiral)necessita de um fluxo mnimo nocircuito de fornalha antes que ela sejaacionada.
O sistema de inicializao seencarrega de manter o fluxo de vapormnimo na turbina, atravs da caldeirae dos circuitos de abastecimento devapor.
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SISTEMAS DE INICIALIZAO DE FORNALHAS APRESSO CONSTANTE
Para fornalhas a presso constante, o sistema de inicializao tem o separadorde vapor localizado em um desvio (by-pass) isolado da caldeira, durante ofuncionamento normal.
O Sistema de by-pass tambm usado para aliviar o excesso de presso nacaldeira durante o trajeto da carga.
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SISTEMA DE DESVIO EM CALDEIRAS DE TAMBOR
O sistema de desvio em caldeiras proporciona:
Reduo do tempo de inicializao;
Controle dos desligamentos antecipando reinicializaes;
Fornecimento do controle de temperatura do vapor para combinar com atemperatura da turbina de metal;
Permite a operao de presso dupla na caldeira e turbina para uma melhorcarga final.
Esses recursos reduzem as tenses na turbina para aumentar a vida til ereduzirem os custos de manuteno.
Sistema de desvios flexveis esto em conformidade com a maioria das mudanasque surgem nas operaes.
EX: adaptam-se a uma turbina em mau funcionamento, ajustando a temperaturado vapor e fluxo atravs de qualquer faixa de carga da sincronizao para pontosde carga elevada.
Embora o sistema de desvio melhore a unidade de operao, a caldeira pode seroperado como uma unidade convencional, em qualquer momento, fechando-sevlvulas.
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REFERNCIAS
Steam/its generation and use. 41st edition. Editors: John B.Kitto and Steven C. Stultz. The Babcock & Wilcox Company,Barberton, Ohio, U.S.A. 2005