Métodos de Detecção de Nível de Água em Caldeiras de Vapor

A aplicação de controles e alarmes de nível, além de uma visão geral dos diferentes métodos de detecção de nível, incluindo controles do tipo flutuador, sondas de condutividade e dispositivos de capacitância.

Métodos de Detecção de Nível de Água em Caldeiras de Vapor

Em uma caldeira geradora de vapor, existem três aplicações claras para dispositivos de monitoramento de nível:

Controle de nível - Para garantir que a quantidade certa de água seja adicionada à caldeira no momento certo.
Alarme de água baixa - Para operação segura da caldeira, o alarme de água baixa garante que a combustão do combustível não continue se o nível de água na caldeira tiver caído para ou abaixo de um nível predeterminado. Para caldeiras de vapor controladas automaticamente, os padrões nacionais geralmente exigem dois alarmes de nível baixo independentes, para garantir a segurança. No Reino Unido, o mais baixo dos dois alarmes bloqueará o queimador, e o reset manual é necessário para trazer a caldeira de volta à operação.
Alarme de água alta - O alarme é acionado se o nível de água subir demais, informando o operador da caldeira para desligar o suprimento de água de alimentação. Embora normalmente não seja obrigatório, o uso de alarmes de nível alto é sensato, pois reduz a chance de arraste de água e golpe de aríete no sistema de distribuição de vapor. Métodos de detecção automática de nível As seções seguintes deste Módulo discutem os principais tipos de dispositivo de detecção de nível que são apropriados para caldeiras de vapor. Teoria elétrica básica A forma como a eletricidade flui pode ser comparada com um líquido. O líquido flui através de um tubo de maneira semelhante à como a eletricidade flui através de um condutor (ver Figura 3.16.2). Um condutor é um material, como fio metálico, que permite o fluxo livre de corrente elétrica. (O oposto de um condutor é um isolante que resiste ao fluxo de eletricidade, como vidro ou plástico). Uma corrente elétrica é um fluxo de ‘carga’ elétrica, transportada por pequenas partículas chamadas elétrons ou íons. A carga é medida em coulombs. 6,24 x 1018 elétrons juntos têm uma carga de um coulomb, que em termos de unidades de base SI equivale a 1 ampere segundo. Quando elétrons ou íons são movidos, o fluxo de eletricidade é medido em Coulombs por segundo em vez de elétrons ou íons por segundo. No entanto, o termo ‘ampere’ (ou A) é dado à unidade na qual a corrente elétrica é medida.
1 A = Um fluxo de 6,24 x 1018 elétrons por segundo.
1 A = 1 coulomb por segundo. A força que causa o fluxo de corrente é conhecida como força eletromotriz ou FEM. Uma bateria, um dínamo de bicicleta ou um gerador de usina (entre outros exemplos) podem fornecê-la. Uma bateria tem um terminal positivo e um terminal negativo. Se um fio for conectado entre os terminais, uma corrente fluirá. A bateria atua como uma fonte de pressão semelhante à bomba em um sistema de água. A diferença de potencial entre os terminais de uma fonte FEM é medida em volts e quanto maior a voltagem (pressão) maior a corrente (fluxo). O circuito pelo qual a corrente flui apresenta uma resistência (semelhante à resistência apresentada por tubos e válvulas em um sistema de água). A unidade de resistência é o ohm (dado o símbolo Ω) e a Lei de Ohm relaciona corrente, voltagem e resistência, ver Equação 3.16.1: Onde: I = Corrente (amperes) V = Voltagem (volts) R = Resistência (ohms) Outro conceito elétrico importante é ‘capacitância’. Ela mede a capacidade da carga entre dois condutores (aproximadamente análogo ao volume de um recipiente) em termos da carga necessária para aumentar seu potencial em um volt. Um par de condutores tem uma grande capacitância se precisar de uma grande quantidade de carga para aumentar a voltagem entre eles em um volt, assim como um grande vaso precisa de uma grande quantidade de gás para enchê-lo até uma certa pressão. A unidade de capacitância é um coulomb por volt, que é denominado um farad. Sondas de condutividade Considere um tanque aberto com alguma água dentro. Uma sonda (haste metálica) é suspensa no tanque (ver Figura 3.16.3). Se uma voltagem elétrica for aplicada e o circuito incluir um amperímetro, este último mostrará que:
Com a sonda imersa na água, a corrente fluirá pelo circuito.
Se a sonda for retirada da água, a corrente não fluirá pelo circuito. Esta é a base da sonda de condutividade. O princípio de condutividade é usado para fornecer uma medição pontual. Quando o nível de água toca a ponta da sonda, dispara uma ação através de um controlador associado. Essa ação pode ser:
Iniciar ou parar uma bomba.
Abrir ou fechar uma válvula.
Soar um alarme.
Abrir ou fechar um relê. Mas uma única ponta só pode fornecer uma única ação ou ação pontual. Assim, duas pontas são necessárias com uma sonda de condutividade para ligar e desligar uma bomba em níveis predeterminados (Figura 3.16.4). Quando o nível de água cai e expõe a ponta no ponto A, a bomba começará a funcionar. O nível de água sobe até tocar a segunda ponta no ponto B, e a bomba será desligada. Sondas podem ser instaladas em vasos fechados, por exemplo, uma caldeira. A Figura 3.16.5 mostra um tanque metálico com tampa fechada - Nota: um isolante é necessário onde a sonda passa pela tampa do tanque. Novamente:
Com a sonda imersa, a corrente fluirá.
Com a sonda fora da água, o fluxo de corrente cessa. Nota: Uma corrente alternada é usada para evitar polarização e eletrólise (a divisão da água em hidrogênio e oxigênio) na sonda. Uma sonda de condutividade padrão deve ser usada para fornecer alarme de água baixa em uma caldeira. Sob os regulamentos do Reino Unido, isso deve ser testado diariamente. Para uma sonda simples, existe um problema potencial - Se a sujeira se acumular no isolante, um caminho condutivo será criado entre a sonda e o tanque metálico e a corrente continuará fluindo mesmo se a ponta da sonda estiver fora da água. Isso pode ser superado projetando e fabricando a sonda de condutividade de modo que o isolante seja longo, e revestido na maior parte de seu comprimento com um material isolante liso como PTFE/Teflon®. Isso minimizará o risco de acúmulo de sujeira ao redor do isolante, ver Figura 3.16.6. O problema foi resolvido por:
Usando um isolante no espaço de vapor.
Usando um revestimento longo e liso de PTFE como isolante praticamente ao longo de todo o comprimento da sonda metálica.
Sensibilidade ajustável no controlador. Sondas de condutividade especiais estão disponíveis para alarmes de nível baixo, e são denominadas ‘automonitoradas’. Vários recursos de autoverificação são incorporados, incluindo:
Uma ponta comparadora que mede continuamente e compara a resistência ao terra através do isolamento e através da ponta da sonda.
Verificação de vazamento de corrente entre a sonda e o isolamento.
Outras rotinas de autoteste. Sob os regulamentos do Reino Unido, o uso desses sistemas especiais permite um teste semanal em vez de diário. Isso se deve aos níveis inerentemente mais altos de segurança em seu projeto. A ponta de uma sonda de condutividade deve ser cortada no comprimento correto para que represente com precisão o ponto de comutação desejado. Resumo das sondas de condutividade Sondas de condutividade são:
Normalmente montadas verticalmente.
Usadas onde o controle de nível liga/desliga é adequado.
Frequentemente fornecidas montadas em grupos de três ou quatro em um único invólucro, embora outras configurações estejam disponíveis.
Cortadas no comprimento na instalação. Como as sondas usam condutividade elétrica para operar, aplicações usando água muito pura (condutividade inferior a 5 μ Siemens/cm) não são adequadas.

Sondas de capacitância

Um capacitor simples pode ser feito inserindo material dielétrico (uma substância que tem pouca ou nenhuma condutividade elétrica, por exemplo ar ou PTFE), entre duas placas paralelas de material condutor (Figura 3.16.8). Um capacitor básico pode ser construído mergulhando duas placas condutoras paralelas em um líquido dielétrico (Figura 3.16.9). Se a capacitância for medida à medida que as placas são gradualmente imersas, será visto que a capacitância muda em proporção à profundidade pela qual as placas são imersas no líquido dielétrico. A capacitância aumenta à medida que mais da área da placa é imersa no líquido (Figura 3.16.10). Um capacitor simples pode ser feito inserindo material dielétrico (uma substância que tem pouca ou nenhuma condutividade elétrica, por exemplo ar), entre duas placas paralelas de material condutor (Figura 3.16.8). A situação é um pouco diferente no caso de placas imersas em um líquido condutor, como água de caldeira, pois o líquido não age mais como um dielétrico, mas sim como uma extensão das placas. A sonda de nível de capacitância, portanto, consiste em uma sonda cilíndrica condutora, que atua como a primeira placa do capacitor. Esta sonda é coberta por um material dielétrico adequado, tipicamente PTFE. A segunda placa do capacitor é formada pela parede da câmara (no caso de uma caldeira, o casco da caldeira) juntamente com a água contida na câmara. Portanto, alterando o nível de água, a área da segunda placa do capacitor muda, o que afeta a capacitância total do sistema (ver Equação 3.16.2). A capacitância total do sistema tem, portanto, dois componentes (ilustrados na Figura 3.16.12):

CA, a capacitância acima da superfície do líquido - A capacitância se desenvolve entre a parede da câmara e a sonda. O dielétrico consiste tanto no ar entre a sonda e a parede da câmara, quanto no revestimento de PTFE.
CB, a capacitância abaixo da superfície do líquido - A capacitância se desenvolve entre a superfície da água em contato com a sonda e o único dielétrico é o revestimento de PTFE. Uma vez que a distância entre as duas placas do capacitor acima da superfície da água (a parede da câmara e a sonda) é grande, a capacitância CA é pequena (ver Equação 3.16.2). Por outro lado, a distância entre as placas abaixo da superfície da água (a sonda e a própria água) é pequena e, portanto, a capacitância CB será grande em comparação com CA. O resultado líquido é que qualquer aumento no nível de água causará um aumento na capacitância que pode ser medido por um dispositivo apropriado. A mudança na capacitância é, no entanto, pequena (tipicamente medida em picofarads, por exemplo, 10-12 farads), então a sonda é usada em conjunto com um circuito amplificador. A mudança amplificada na capacitância é então sinalizada para um controlador adequado. Onde a sonda de capacitância é usada em, por exemplo, um tanque de alimentação, (Figura 3.16.13) os níveis de líquido podem ser monitorados continuamente com uma sonda de capacitância. O controlador associado pode ser configurado para modular uma válvula de controle, e/ou fornecer funções pontuais como um ponto de alarme de nível alto ou um alarme de nível baixo. O controlador também pode ser configurado para fornecer controle liga/desliga. Aqui, os pontos de comutação ‘liga’ e ‘desliga’ estão contidos em uma única sonda e são definidos via controlador, eliminando qualquer necessidade de cortar a sonda. Uma vez que uma sonda de capacitância deve ser totalmente envolvida em material isolante, ela não deve ser cortada no comprimento.

Controle por flutuador

Esta é uma forma simples de medição de nível. Um exemplo cotidiano de controle de nível com flutuador é a caixa d’água de uma descarga. Quando a descarga é acionada, o nível de água cai na caixa, o flutuador segue o nível de água para baixo e abre a válvula de entrada de água. Eventualmente a caixa se fecha e, conforme a água fresca entra, o nível de água aumenta, o flutuador sobe e progressivamente fecha a válvula de entrada de água até que o nível desejado seja alcançado. O sistema usado em caldeiras de vapor é muito semelhante. Um flutuador é montado na caldeira. Pode ser em uma câmara externa ou diretamente dentro do casco da caldeira. O flutuador se moverá para cima e para baixo conforme o nível de água muda na caldeira. O estágio seguinte é monitorar esse movimento e usá-lo para controlar:

Uma bomba de alimentação (um sistema de controle de nível liga/desliga) ou
Uma válvula de controle de água de alimentação (um sistema de controle de nível modulante) Devido à sua flutuabilidade, o flutuador segue o nível de água para cima e para baixo.
Na extremidade oposta da haste do flutuador há um ímã, que se move dentro de uma capa de aço inoxidável. Como a capa é de aço inoxidável, ela é (virtualmente) não magnética, e permite que as linhas de magnetismo a atravessem. Na sua forma mais simples, a força magnética opera os interruptores magnéticos da seguinte forma:
O interruptor inferior ligará a bomba de alimentação.
O interruptor superior desligará a bomba de alimentação. No entanto, na prática, um único interruptor frequentemente fornecerá controle liga/desliga da bomba, deixando o segundo interruptor para um alarme. Essa mesma disposição pode ser usada para fornecer alarmes de nível. Um sistema mais sofisticado para fornecer controle modulante usará uma bobina enrolada ao redor de uma ponte dentro da capa. Conforme o ímã sobe e desce, a indutância da bobina se alterará, e isso é usado para fornecer um sinal analógico a um controlador e então para a válvula de controle de nível de água de alimentação. Aplicação do controle por flutuador Montado vertical ou horizontalmente, a saída do sinal de nível é geralmente através de um interruptor operado magneticamente (tipo mercúrio ou tipo ‘quebra de ar’); ou como um sinal modulante de uma bobina indutiva devido ao movimento de um ímã fixado ao flutuador. Em ambos os casos, o ímã age através de um tubo de aço inoxidável não magnético.

Células de pressão diferencial

A célula de pressão diferencial é instalada com uma carga constante de água em um lado. O outro lado é disposto para ter uma carga que varia com o nível de água da caldeira. Capacitância variável, extensômetro ou técnicas indutivas são usadas para medir a deflexão de um diafragma, e a partir dessa medição, um sinal eletrônico de nível é produzido. O uso de células de pressão diferencial é comum nas seguintes aplicações:

Caldeiras tubulares de alta pressão onde água desmineralizada de alta qualidade é usada.
Onde água muito pura é usada, talvez em um processo farmacêutico. Nessas aplicações, a condutividade da água é muito baixa, e pode significar que sondas de condutividade e capacitância não funcionarão de forma confiável.