Caldeiras de Casco

Visão geral dos diferentes tipos de caldeiras de casco com layouts, considerações de calor e liberação de vapor, além de limitações de pressão e saída.

Caldeiras de casco podem ser definidas como aquelas caldeiras nas quais as superfícies de transferência de calor estão todas contidas dentro de um casco de aço. Caldeiras de casco também podem ser chamadas de caldeiras ‘tubo de fogo’ ou ‘tubo de fumaça’ porque os produtos da combustão passam pelos tubos da caldeira, que por sua vez transferem calor para a água da caldeira ao redor.

Várias combinações diferentes de layout de tubos são usadas em caldeiras de casco, envolvendo o número de passagens que o calor da fornalha da caldeira percorrerá antes de ser descarregado. As Figuras 3.2.1a e 3.2.1b mostram uma configuração típica de caldeira de duas passagens. A Figura 3.2.1a mostra uma caldeira de fundo seco onde os gases quentes são invertidos por uma câmara revestida de material refratário na placa externa da caldeira. A Figura 3.2.1b mostra um método mais eficiente de inverter os gases quentes através de uma configuração de caldeira de fundo úmido. A câmara de inversão é contida inteiramente dentro da caldeira. Isso permite uma maior área de transferência de calor, bem como permite que a água da caldeira seja aquecida no ponto onde o calor da fornalha será o maior - na extremidade da parede da câmara. É importante notar que os gases de combustão devem ser resfriados para pelo menos 420°C para caldeiras de aço comum e 470°C para caldeiras de aço ligado antes de entrar na câmara de inversão. Temperaturas acima disso causarão superaquecimento e trincas nas placas finais dos tubos. O projetista da caldeira terá considerado isso, e é um ponto importante se diferentes combustíveis estiverem sendo considerados. Vários tipos diferentes de caldeiras de casco foram desenvolvidos, que agora serão examinados em mais detalhes.

Caldeira Lancashire

Sir William Fairbairn desenvolveu a caldeira Lancashire em 1844 a partir da caldeira Cornish de único duto de Trevithick. Embora poucas ainda estejam em operação, elas eram ubíquas e foram as predecessoras das caldeiras sofisticadas e altamente eficientes usadas hoje. A caldeira Lancashire compreendia um grande casco de aço geralmente entre 5 - 9 m de comprimento, pelo qual passavam dois dutos de fornalha de grande diâmetro chamados flues. Parte de cada duto era corrugada para absorver a expansão quando a caldeira esquentava, e para evitar colapso sob pressão. Uma fornalha era instalada na entrada de cada duto, na extremidade frontal da caldeira. Tipicamente, a fornalha seria arranjada para queimar carvão, sendo alimentada manual ou automaticamente. Os produtos gasosos quentes da combustão passavam da fornalha através dos dutos corrugados de grande diâmetro. O calor dos gases quentes do duto era transferido para a água ao redor desses dutos. A caldeira estava em uma alvenaria de tijolos que foi arranjada para conduzir os gases quentes emergindo dos dutos para baixo e por baixo da caldeira, transferindo calor através do fundo do casco da caldeira, e em segundo lugar ao longo dos lados da caldeira antes de sair pela chaminé. Esses dois dutos laterais se encontravam na parte traseira da caldeira e alimentavam a chaminé. Essas passagens eram uma tentativa de extrair a quantidade máxima de energia dos gases quentes do produto antes de serem liberados para a atmosfera. Posteriormente, a eficiência foi melhorada com a adição de um economizador. O fluxo de gases, após a terceira passagem, passava pelo economizador para a chaminé. O economizador aquecia a água de alimentação e resultava em uma melhoria na eficiência térmica. Uma das desvantagens da caldeira Lancashire era que o aquecimento e resfriamento repetidos da caldeira, com a expansão e contração resultantes, perturbavam a alvenaria de tijolos e os dutos. Isso resultava na infiltração de ar, que prejudicava o tiragem da fornalha. Essas caldeiras seriam agora muito caras de produzir, devido às grandes quantidades de material usado e ao trabalho necessário para construir a alvenaria de tijolos. O grande tamanho e capacidade de água dessas caldeiras tinha várias vantagens significativas:

• Demandas súbitas de grande volume de vapor, como uma máquina de elevação de poço sendo iniciada, podiam ser facilmente toleradas porque a redução resultante na pressão da caldeira liberava quantidades copiosas de vapor flash da água da caldeira mantida na temperatura de saturação. Essas caldeiras podem ter sido alimentadas manualmente, consequentemente a resposta a uma diminuição na pressão da caldeira e à demanda por mais combustível teria sido lenta.
• O grande volume de água significava que, embora a taxa de geração de vapor pudesse variar amplamente, a taxa de mudança do nível de água era relativamente lenta. O controle do nível de água novamente teria sido manual, e o operador iniciaria uma bomba de alimentação de água a vapor alternativa, ou ajustaria uma válvula de água de alimentação para manter o nível de água desejado.
• O alarme de nível baixo era simplesmente um flutuador que descia com o nível de água, e abria uma porta para um apito de vapor quando um nível predeterminado era atingido.
• A grande área superficial da água em relação à taxa de geração de vapor significava que a taxa na qual o vapor era liberado da superfície (expressa em termos de kg por metro quadrado) era baixa. Essa baixa velocidade significava que, mesmo com água contendo altas concentrações de Sólidos Totais Dissolvidos (TDS), havia muita oportunidade para as partículas de vapor e água se separarem e o vapor seco ser fornecido à planta. Conforme os sistemas de controle, materiais e técnicas de fabricação se tornaram mais sofisticados, confiáveis e econômicos, o projeto da planta de caldeiras mudou.

Caldeira econômica (duas passagens, fundo seco)

A caldeira econômica de duas passagens tinha apenas cerca de metade do tamanho de uma caldeira Lancashire equivalente e tinha uma eficiência térmica mais alta. Tinha um casco cilíndrico externo contendo dois dutos de fornalha corrugados de grande diâmetro atuando como as câmaras de combustão principais. Os gases quentes do duto passavam para fora dos dois dutos de fornalha na parte traseira da caldeira para uma alvenaria de tijolos (fundo seco) e eram desviados através de uma série de tubos de pequeno diâmetro arranjados acima dos dutos de fornalha de grande diâmetro. Esses tubos de pequeno diâmetro apresentavam uma grande superfície de aquecimento para a água. Os gases do duto passavam para fora da caldeira na frente e para um ventilador de tiragem induzida, que os conduzia para a chaminé.

Caldeira econômica (três passagens, fundo úmido)

Um desenvolvimento adicional da caldeira econômica foi a criação de uma caldeira de três passagens com fundo úmido que é uma configuração padrão em uso hoje (ver Figura 3.2.4). Este projeto evoluiu à medida que os materiais e a tecnologia de fabricação avançaram: tubos de metal mais finos foram introduzidos permitindo que mais tubos fossem acomodados, as taxas de transferência de calor fossem melhoradas e as próprias caldeiras se tornassem mais compactas. Dados típicos de transferência de calor para uma caldeira econômica de três passagens com fundo úmido são mostrados na Tabela 3.2.3.

Caldeira pré-montada

No início da década de 1950, o Ministério do Combustível e Energia do Reino Unido patrocinou pesquisas para melhorar as plantas de caldeiras. O resultado dessa pesquisa foi a caldeira pré-montada, resultante do desenvolvimento adicional da caldeira econômica de fundo úmido de três passagens. Na maioria, essas caldeiras foram projetadas para usar óleo em vez de carvão. A caldeira pré-montada é assim chamada porque vem como um pacote completo com queimador, controles de nível, bomba de alimentação e todos os acessórios e montagens necessários da caldeira. Uma vez entregue no local, ela requer apenas as tubulações de vapor, água e blowdown, suprimento de combustível e conexões elétricas para se tornar operacional. O desenvolvimento também teve um efeito significativo no tamanho físico das caldeiras para uma determinada saída:

• Os fabricantes queriam fazer as caldeiras o menor possível para economizar materiais e assim manter seu produto competitivo.
• A eficiência é auxiliada fazendo a caldeira o menor possível; quanto menor a caldeira e menor sua área superficial, menos calor é perdido para o meio ambiente. Até certo ponto, a consciência universal da necessidade de isolamento, e o alto desempenho dos materiais isolantes modernos, reduzem esse problema.
• Os consumidores queriam as caldeiras o menor possível para minimizar a quantidade de espaço em piso necessária pela casa de caldeiras, e assim aumentar o espaço disponível para outros fins.
• Caldeiras com dimensões menores (para a mesma saída de vapor) tendem a ter custo de capital menor. A Tabela 3.2.4 demonstra isso, e outros fatores.

Liberação volumétrica de calor (kW/m3)

Este fator é calculado dividindo a entrada total de calor pelo volume de água na caldeira. Ele efetivamente relaciona a quantidade de vapor liberada sob carga máxima com a quantidade de água na caldeira. Quanto menor esse número, maior a quantidade de energia reserva na caldeira. Observe que o valor para uma caldeira moderna em relação a uma caldeira Lancashire, é maior por um fator de quase oito, indicando uma redução na energia armazenada por uma quantidade semelhante. Isso significa que uma quantidade reduzida de energia armazenada está disponível em uma caldeira moderna. Esse desenvolvimento foi possível graças aos sistemas de controle que respondem rápida e adequadamente para proteger a caldeira e satisfazer a demanda.

Taxa de liberação de vapor (kg/m2s)

Este fator é calculado dividindo a quantidade de vapor produzida por segundo pela área do plano de água. Quanto menor esse número, maior a oportunidade para as partículas de água se separarem do vapor e produzirem vapor seco. Observe que o valor da caldeira moderna é maior por um fator de quase três. Isso significa que há menos oportunidade para a separação de vapor e gotas de água. Isso é muito pior com água com alto nível de TDS, e o controle preciso é essencial para a eficiência e a produção de vapor seco. Em momentos de carga em rápido aumento, a caldeira experimentará uma redução de pressão, o que, por sua vez, significa que a densidade do vapor é reduzida, e taxas de liberação de vapor ainda mais altas ocorrerão, e o progressivamente mais úmido é exportado da caldeira.

Caldeiras de quatro passagens

Unidades de quatro passagens são potencialmente as mais termicamente eficientes, mas o tipo de combustível e as condições operacionais podem impedir seu uso. Quando este tipo de unidade é alimentado com baixa demanda com óleo combustível pesado ou carvão, a transferência de calor dos gases de combustão pode ser muito grande. Como resultado, a temperatura de saída dos gases de exaustão pode cair abaixo do ponto de orvalho ácido, causando corrosão dos dutos e chaminé e possivelmente da própria caldeira. A unidade de caldeira de quatro passagens também está sujeita a maiores tensões térmicas, especialmente se grandes variações de carga ocorrerem repentinamente; isso pode levar a trincas por tensão ou falhas dentro da estrutura da caldeira. Por essas razões, caldeiras de quatro passagens são incomuns.

Caldeira de chama invertida/dedal

Esta é uma variação do projeto convencional de caldeira. A câmara de combustão tem a forma de um dedal, e o queimador dispara ao longo do centro. A chama dobra sobre si mesma dentro da câmara de combustão para chegar à frente da caldeira. Os tubos de fumaça envolvem o dedal e conduzem os gases de exaustão para a parte traseira da caldeira e a chaminé.

Limitações de pressão e saída das caldeiras tipo casco

As tensões que podem ser impostas à caldeira são limitadas por padrões nacionais. A tensão máxima ocorrerá ao redor da circunferência de um cilindro. Isso é chamado de tensão ‘circunferencial’ ou ‘do aro’. O valor dessa tensão pode ser calculado usando a Equação 3.2.1: Disso pode-se deduzir que a tensão circunferencial aumenta à medida que o diâmetro aumenta. Para compensar isso, o fabricante da caldeira usará placa mais grossa. No entanto, essa placa mais grossa é mais difícil de laminar e pode necessitar de alívio de tensões com espessura de placa acima de 32 mm. Um dos problemas na fabricação de uma caldeira é na laminação da placa para o casco. Os cilindros de caldeireiro, conforme mostrados nas Figuras 3.2.7 e 3.2.8, não conseguem curvar as extremidades da placa e, portanto, deixarão uma região plana:

• O cilindro A é ajustado para baixo para reduzir o raio de curvatura.
• Os cilindros B e C são motorizados para puxar a placa através dos cilindros.
• Os cilindros não conseguem curvar as extremidades da placa Quando as placas são soldadas juntas e a caldeira é pressurizada, o casco assumirá uma seção transversal circular. Quando a caldeira é desligada, as placas reverterão para a forma ‘como laminada’. Esse ciclo pode causar trincas por fadiga a alguma distância das soldas do casco. É uma causa de preocupação para os inspetores de caldeiras que periodicamente pedirão que todo o revestimento da caldeira seja removido e então usarão um gabarito para determinar a precisão da curvatura do casco da caldeira. Obviamente, esse problema é de maior preocupação em caldeiras que experimentam muitos ciclos, como sendo desligadas todas as noites, e depois reaquecidas todas as manhãs.

Limitação de pressão

A transferência de calor através dos tubos da fornalha é por condução. É natural que a placa grossa não conduza o calor tão rapidamente quanto a placa fina. A placa mais grossa também é capaz de suportar mais força. Isso é de particular importância nos tubos da fornalha onde a temperatura da chama pode ser de até 1 800°C, e um equilíbrio deve ser alcançado entre:

• Uma placa mais grossa, que tem a resistência estrutural para suportar as forças geradas pela pressão na caldeira.
• Uma placa mais fina, que tem a capacidade de transferir calor mais rapidamente. A equação que conecta a espessura da placa à resistência estrutural é a Equação 3.2.1: A Equação 3.2.1 mostra que à medida que a espessura da placa diminui, a tensão aumenta para a mesma pressão da caldeira. A equação que conecta a espessura da placa à transferência de calor é a Equação 2.5.1: A Equação 2.5.1 mostra que à medida que a espessura da placa diminui, a transferência de calor aumenta. Transpondo ambas as equações para refletir a espessura da placa. Para qualquer caldeira, se a taxa de transferência de calor (q_dot - body text.jpg) for aumentada, a pressão máxima permitida da caldeira é reduzida. Um compromisso é alcançado com uma espessura de parede do tubo da fornalha entre 18 mm e 20 mm. Isso se traduz em um limite de pressão prático para caldeiras de casco de cerca de 27 bar.

Limitação de saída

Caldeiras de casco são fabricadas como unidades pré-montadas com todo o equipamento auxiliar fixo em posição. Após a fabricação, a caldeira pré-montada deve ser transportada para o local e a maior caldeira que pode ser transportada por rodovia no Reino Unido tem uma saída de cerca de 27 000 kg/h. Se mais de 27 000 kg/h for necessário, então instalações multi-caldeiras são usadas. No entanto, isso tem a vantagem de fornecer melhor segurança de fornecimento e melhoria na regulação da planta.

Resumo

A caldeira de casco altamente eficiente e responsiva de hoje é o resultado de mais de 150 anos de desenvolvimento em:

• Projeto de caldeiras e queimadores.
• Ciência dos materiais.
• Técnicas de fabricação de caldeiras.
• Sistemas de controle. Para garantir sua operação bem-sucedida e eficiente, o usuário deve:
• Conhecer as condições, ambiente e características de demanda da planta, e especificar com precisão essas condições ao fabricante da caldeira.
• Fornecer um layout e instalação da casa de caldeiras que promova boa operação e manutenção.
• Selecionar os sistemas de controle que permitam à caldeira operar com segurança e eficiência.
• Selecionar os sistemas de controle que apoiarão a caldeira no fornecimento de vapor seco à planta nas pressões e taxas de fluxo necessárias.
• Identificar o combustível a ser usado e, se necessário, onde e como a reserva de combustível deve ser armazenada com segurança. Vantagens das caldeiras de casco:
• Toda a planta pode ser adquirida como um pacote completo, necessitando apenas fixação em fundações básicas, e conexão aos sistemas de água, eletricidade, combustível e vapor antes da comissionamento. Isso significa que os custos de instalação são minimizados.
• Essa disposição em pacote também significa que é simples realocar uma caldeira de casco pré-montada.
• Uma caldeira de casco contém uma quantidade substancial de água na temperatura de saturação, e portanto tem uma quantidade substancial de energia armazenada que pode ser chamada para lidar com cargas aplicadas rapidamente a curto prazo. Isso também pode ser uma desvantagem, pois quando a energia na água armazenada é usada, pode levar algum tempo até que a reserva seja reabastecida.
• A construção de uma caldeira de casco é geralmente simples, o que significa que a manutenção é simples.
• Caldeiras de casco frequentemente têm um tubo de fornalha e queimador. Isso significa que os sistemas de controle são bastante simples.
• Embora caldeiras de casco possam ser projetadas e construídas para operar até 27 bar, a maioria opera a 17 bar ou menos. Essa pressão relativamente baixa significa que o equipamento auxiliar associado é facilmente disponível a preços competitivos. Desvantagens das caldeiras de casco: O princípio do pacote significa que aproximadamente 27 000 kg/h é a saída máxima de uma caldeira de casco. Se mais vapor for necessário, então várias caldeiras precisam ser conectadas juntas. Os cilindros de grande diâmetro usados na construção de caldeiras de casco efetivamente limitam sua pressão de operação a aproximadamente 27 bar. Se pressões mais altas forem necessárias, uma caldeira tubular é necessária.