Caldeiras Aquetubulares

Descrição de caldeiras aquetubulares incluindo operação, tipos e benefícios; também, um breve resumo de como são aplicadas à geração combinada de calor e energia.

Caldeiras Aquetubulares

As caldeiras aquetubulares diferem das caldeiras de casco em que a água circula dentro dos tubos, com a fonte de calor ao seu redor. Referindo-se à equação de tensão circunferencial (Equação 3.2.1), é fácil ver que, como o diâmetro do tubo é significativamente menor, pressões muito mais altas podem ser toleradas para a mesma tensão. As caldeiras aquetubulares são usadas em aplicações de usinas de energia que requerem:

• Uma alta produção de vapor (até 500 kg/s).
• Vapor de alta pressão (até 160 bar).
• Vapor superaquecido (até 550°C). No entanto, as caldeiras aquetubulares também são fabricadas em tamanhos para competir com caldeiras de casco. Caldeiras aquetubulares pequenas podem ser fabricadas e montadas em uma única unidade, assim como as caldeiras de casco pré-montadas, enquanto unidades grandes geralmente são fabricadas em seções para montagem no local. Muitas caldeiras aquetubulares operam no princípio de circulação natural de água (também conhecida como ‘termossifão’). Este é um assunto que vale a pena abordar antes de olhar os diferentes tipos de caldeiras aquetubulares disponíveis. A Figura 3.3.2 ajuda a explicar este princípio:
• Água de alimentação mais fria é introduzida no tambor de vapor atrás de um defletor onde, devido à maior densidade da água fria, ela desce no ‘downcomer’ em direção ao tambor inferior ou ‘de lama’, deslocando a água mais quente para cima nos tubos da frente.
• O aquecimento contínuo cria bolhas de vapor nos tubos da frente, que são naturalmente separadas da água quente no tambor de vapor, e são retiradas. No entanto, quando a pressão na caldeira aquetubular aumenta, a diferença entre as densidades da água e do vapor saturado diminui, consequentemente menos circulação ocorre. Para manter o mesmo nível de produção de vapor em pressões de projeto mais altas, a distância entre o tambor inferior e o tambor de vapor deve ser aumentada, ou algum meio de circulação forçada deve ser introduzido. Seções de caldeiras aquetubulares A energia da fonte de calor pode ser extraída como radiação ou convecção e condução. A seção do forno ou seção radiante Esta é uma área aberta que acomoda a(s) chama(s) do(s) queimador(es). Se as chamas pudessem entrar em contato com os tubos da caldeira, erosão grave e finalmente falha do tubo ocorreriam. As paredes da seção do forno são revestidas com tubos aletados chamados painéis de membrana, que são projetados para absorver o calor radiante da chama.

Seção de convecção​

Esta parte é projetada para absorver o calor dos gases quentes por condução e convecção. Caldeiras grandes podem ter vários bancos de tubos (também chamados de pendentes) em série, para obter energia máxima dos gases quentes. Designação de caldeiras aquetubulares As caldeiras aquetubulares são geralmente classificadas de acordo com certas características, veja a Tabela 3.3.1.

Layouts alternativos de caldeiras aquetubulares

Os layouts a seguir funcionam nos mesmos princípios que outras caldeiras aquetubulares, e estão disponíveis com capacidades de 5.000 kg/h a 180.000 kg/h. Caldeira de tambor longitudinal A caldeira de tambor longitudinal foi o tipo original de caldeira aquetubular que operava no princípio do termossifão (veja a Figura 3.3.5). Água de alimentação mais fria é alimentada em um tambor, que é colocado longitudinalmente acima da fonte de calor. A água mais fria desce por um cabeçote de circulação traseiro em vários tubos inclinados aquecidos. À medida que a temperatura da água aumenta ao subir pelos tubos inclinados, ela ferve e sua densidade diminui, circulando assim água quente e vapor para cima nos tubos inclinados até o cabeçote de circulação da frente que alimenta de volta ao tambor. No tambor, as bolhas de vapor se separam da água e o vapor pode ser retirado. As capacidades típicas para caldeiras de tambor longitudinal variam de 2.250 kg/h a 36.000 kg/h.

Caldeira de tambor transversal

A caldeira de tambor transversal é uma variante da caldeira de tambor longitudinal em que o tambor é colocado transversalmente à fonte de calor, conforme mostrado na Figura 3.3.6. O tambor transversal opera no mesmo princípio que o longitudinal, exceto que atinge uma temperatura mais uniforme em todo o tambor. No entanto, corre o risco de danos devido a circulação defeituosa em altas cargas de vapor; se os tubos superiores ficarem secos, eles podem superaquecer e eventualmente falhar. A caldeira de tambor transversal também tem a vantagem adicional de poder atender a um número maior de tubos inclinados devido à sua posição transversal. As capacidades típicas para uma caldeira de tambor transversal variam de 700 kg/h a 240.000 kg/h.

Caldeira de tubo curvado ou Stirling

Um desenvolvimento adicional da caldeira aquetubular é a caldeira de tubo curvado ou Stirling mostrada na Figura 3.3.7. Novamente, esta opera no princípio da temperatura e densidade da água, mas utiliza quatro tambores na seguinte configuração. Água de alimentação mais fria entra no tambor superior esquerdo, onde desce devido à maior densidade, em direção ao tambor inferior ou tambor de água. A água dentro do tambor de água, e os tubos de conexão para os outros dois tambores superiores, são aquecidos, e as bolhas de vapor produzidas sobem para os tambores superiores onde o vapor é então retirado.

A caldeira de tubo curvado ou Stirling permite uma grande superfície de transferência de calor, além de promover a circulação natural de água.

Vantagens das caldeiras aquetubulares:

• Têm um pequeno conteúdo de água, e portanto respondem rapidamente a mudanças de carga e entrada de calor.
• Os tubos de pequeno diâmetro e o tambor de vapor significam que pressões de vapor muito mais altas podem ser toleradas, e até 160 bar podem ser usados em usinas de energia.
• O projeto pode incluir muitos queimadores em qualquer uma das paredes, dando opções de disparo horizontal ou vertical, e a facilidade de controle de temperatura em várias partes da caldeira. Isto é particularmente importante se a caldeira tem um superaquecedor integrado, e a temperatura do vapor superaquecido precisa ser controlada.

Desvantagens das caldeiras aquetubulares:

• Não são tão simples de fabricar na forma pré-montada como as caldeiras de casco, o que significa que mais trabalho é necessário no local.
• A opção de múltiplos queimadores pode dar flexibilidade, mas os 30 ou mais queimadores usados em usinas de energia significam que sistemas de controle complexos são necessários.

Usina de geração combinada de calor e energia (CHP)

As caldeiras aquetubulares descritas acima são geralmente de grande capacidade. No entanto, caldeiras pequenas, de propósito especial, de calor residual menores para serem usadas em conjunto com usinas de turbinas a gás terrestres estão em crescente demanda. Vários tipos de usinas de turbinas a gás terrestres geradoras de vapor são usados:

• Geração combinada de calor e energia Esses sistemas direcionam os gases de exaustão quentes de uma turbina a gás (aproximadamente 500°C) através de uma caldeira, onde vapor saturado é gerado e usado como utilidade da planta. As aplicações típicas para esses sistemas são em plantas ou locais onde as demandas por eletricidade e vapor estão sincronizadas e em proporções que podem ser combinadas com um sistema CHP.

A eficiência pode atingir 90%.

• Usina de ciclo combinado Estas são extensões dos sistemas CHP, e o vapor saturado é levado através de um superaquecedor para produzir vapor superaquecido. O superaquecedor pode ser aquecido separadamente devido à temperatura relativamente baixa dos gases de exaustão da turbina a gás. O vapor superaquecido produzido é direcionado a turbinas a vapor que acionam alternadores adicionais, e geram eletricidade. A taxa de redução dessas plantas é baixa, devido à necessidade da turbina girar em uma velocidade sincronizada com a frequência elétrica. Isto significa que é prático apenas operar essas plantas em carga total, fornecendo a carga base de vapor para a planta. Devido à temperatura relativamente baixa dos gases de exaustão da turbina a gás, comparada à chama do queimador em uma caldeira convencional, uma área muito maior de transferência de calor da caldeira é necessária para uma determinada carga de calor. Além disso, não há necessidade de fornecer acomodação para queimadores. Por estas razões, as caldeiras aquetubulares tendem a fornecer uma solução melhor e mais compacta. Como a eficiência é um fator importante para os tomadores de decisão de CHP, o projeto dessas caldeiras pode incorporar um economizador (aquecedor de água de alimentação). Se a planta é de ‘ciclo combinado’, o projeto pode também incluir um superaquecedor. No entanto, as temperaturas relativamente baixas podem significar que queimadores adicionais são necessários para elevar o vapor à especificação requerida para as turbinas a vapor.