1. NR 13 - TREINAMENTO EM SEGURANÇA NA OPERAÇÃO DE UNIDADES DE PROCESSO - CALDEIRAS

SEGURANÇA NA OPERAÇÃO DE UNIDADES DE PROCESSO CALDEIRAS

 Autor: Eng. Paulo Paulo Jonoel Jonoel – eujon eujonoel@yah [email protected] oo.com.br  m.br 

Objetivo do curso Demonstrar a utilidade dos conceitos da norma regulamentadora na dim imiinu nuiição dos ri risscos inere rennte tess a opera raçã çãoo de plantas industriais de processamento.

Objetivo do curso Demonstrar a utilidade dos conceitos da norma regulamentadora na dim imiinu nuiição dos ri risscos inere rennte tess a opera raçã çãoo de plantas industriais de processamento.

Antes de começar a alar, há algo que eu quero dizer... (Raymond Smullyan)

Introdução

A segurança é uma das mais antigas preocupações do homem, desde os tempos em que procurou abrigo em uma caverna. Portanto não visamos com este trabalho apenas a conscientização, mas também a sensibilização do trabalhador para a segurança do trabalho. “A segurança na operação de processos engloba todos os métodos e técnicas técnic as empre empregadas gadas na opera operação ção de equipa equipamento mentos, s, sistema sistemass ou planta plantas, s, visando à preservação do elemento humano e do meio ambiente, bem como a integridade física dos equipamentos e a continuidade operacional.”

“Se Segu gura ranç nça a do tra raba balh lho o é um est stad ado o de con onv viv ivê ênc ncia ia pac acíf ífic ica a e  produtiva dos componentes do trabalho (recursos materiais, humano  e meio ambiente). As funções de segurança são aquelas intrínsecas  às atividades de qualquer sistema (gerência), subsistema (divisão e  setores) ou célula (profissionais), e que devem compor o universo do  desempenho de cada um destes segmentos.” 

Nada é tão urgente e necessário que não possa ser feito com  segurança .

Do it safely or not at all.

 Autor: Eng. Paulo Paulo Jonoel Jonoel – eujon eujonoel@ya [email protected] hoo.com.br  .br 

Roteiro Normatização: • Normas Regulamentadoras de Segurança e Saúde no Trabalho • Norma Regulamentadora 13 - NR 13

oç es e gran ezas s cas e un a es: • Medidas físicas. • Metrologia. • Algarismos significativos. • Notação científica. • Sistemas de medidas. • Sistema Internacional de Medidas. Fluídos:

• • •

Conceituação de fluidos. Condições padrões. Propriedades dos fluídos.

Pressão: • Pressão atmosférica. • Pressão manométrica e pressão absoluta. • Pressão interna de um vaso. • Unidades de pressão. • Teorema de Stevin. • Princípio de Pa9scal. • Teorema de Arquimedes: Empuxo. Calor e temperatura • Definições. • Termômetros e escalas termométricas.

• • • • • •

Transferência de calor a temperatura constante. Calor latente calor sensível. Sistemas de geração de vapor. Vapor saturado e superaquecido. Tabela de vapor (steam table)

Caldeiras - considerações gerais: • Tipos de caldeiras e suas utilizações • Partes de uma caldeira Caldeiras flamotubulares Caldeiras aquotubulares Caldeiras elétricas Caldeiras a combustíveis sólidos Caldeiras a combustíveis líquidos Caldeiras a gás Queimadores • Instrumentos e dispositivos de controle de caldeiras Visor de nível Sistema de controle de nível Indicadores de pressão Dispositivos de segurança Dispositivos auxiliares Válvulas e tubulações Tiragem de fumaça

Operação de caldeiras • Partida e parada • Regulagem e controle de temperatura de pressão de fornecimento de energia do nível de água de poluentes • Falhas de operação, causas e providências • Roteiro de vistoria diária • • Procedimentos em situações de emergência Tratamento de água e manutenção de caldeiras Impurezas da água e suas conseqüências Tratamento de água Manutenção de caldeiras Prevenção contra explosões e outros riscos Riscos gerais de acidentes e riscos à saúde Riscos de explosão

Normas aplicáveis

Além dos aspectos de segurança em equipamentos, cuja operação apresentem risco potencial de acidente, deve ser considerado também terceiros, impactos ao meio ambiente, infrações de marcas e patentes etc. Nenhuma norma de projeto destina-se a substituir ou diminuir a responsabilidade do projetista, que continua com a integral responsabilidade pelo projeto do equipamento. O projetista tem é que certificar-se da adequação da norma e todas as condições do equipamento em questão; usando sempre a última edição.

Filadélfia EUA - 1817: Surgiu uma Lei exigindo Testes Hidrostáticos, em equipamentos pressurizados. Naquela época, estimativas mostravam que ocorriam cerca de 300 a 400 explosões só nos EUA, gerando consideráveis prejuízos com perdas humanas. Entre 1911 e 1914, criou-se uma comissão especial da ASME com abrangência apenas sobre caldeiras estacionárias. Em 1924, foi publicada a Seção VIII do Código ASME, referente a vasos de pressão não sujeito a chamas. Na Europa nesta época já se fazia uso de outras normas para caldeiras e . CÓDIGO ASME • Seção-I Caldeiras • Seção-II Materiais • Seção-III Vaso p/ industria nuclear • Seção-IV Caldeira para aquecimento. • Seção-VIII Vasos de Pressão * Divisão- 1 Regras de Projeto * Divisão- 2 Regras de Projeto e Alternativas • Seção-IX Vasos de Plásticos Reforçados c/ fibras.

National Board of Boiler and Pressure Vessel Inspectors. Trata-se de uma norma reconhecida no mundo usada para reparos, manutenção e inspeção em caldeiras e vasos de pressão; criado em 1919, é usado como força de lei nos EUA. Normas brasileiras: 

Associação Brasileira de Normas Técnicas, 1990, “Caldeira Estacionária Aquotubular e Flamotubular a Vapor: NBR 11096”. Associação Brasileira de Normas Técnicas, 1976, “Amostragem de águas em caldeiras: NB00584”. Associação Brasileira de Normas Técnicas, 1989, “Caldeira Auxiliar a Óleo para Uso Naval: NBR 10794”. Associação Brasileira de Normas Técnicas, 1989, “Caldeira Auxiliar a Óleo para Uso Naval – Ensaios: NBR 10795”. Associação Brasileira de Normas Técnicas, 1992 ,“Inspeção de Segurança de Caldeiras Estacionárias Aquotubular e Flamotubular a Vapor: NBR 12177”. Associação Brasileira de Normas Técnicas, 1994, “Inspeção de Segurança de Caldeiras Estacionárias Elétricas a Vapor: NBR 13203”.

Legislação sobre segurança no trabalho

Normas Regulamentadoras São as seguintes as Normas Regulamentadoras, com um resumo de seu conteúdo: NR 1 - Disposições Gerais. As Normas Regulamentadoras  (NRs) são de observância obrigatória pelas

empresas privadas e públicas e pelos órgãos públicos de administração direta e indireta, que possuam empregados regidos pela Consolidação das  Leis do Trabalho  - (CLT). Estabelece a importância, funções e competência da Delegacia Regional do Trabalho . NR 2 - Inspeção Prévia.

Todo estabelecimento novo, antes de iniciar suas atividades, deverá solicitar aprovação de suas instalações ao órgão do Ministério do Trabalho. NR 3 - Embargo ou Interdição. A Delegacia Regional do Trabalho , à vista de laudo técnico do serviço

competente que demonstre grave e iminente risco para o trabalhador, poderá interditar estabelecimento, setor de serviço, máquina ou equipamento, ou embargar a obra. (CLT Artigo 161 inciso 3.6|3.4|3.7|3.8|3.9|3.10).

NR 4 - Serviços Especializados em Engenharia de Segurança e em  Medicina do Trabalho. A NR 4 diz respeito aos Serviços Especializados em Engenharia de  Segurança e em Medicina do Trabalho  (SESMT) e tem como finalidade

promover a saúde e proteger a integridade do trabalhador em seu local de trabalho. Para oferecer proteção ao trabalhador o SESMT deve ter os seguintes profissionais: médico do trabalho, engenheiro de segurança do trabalho, enfermeiro, técnico de segurança do trabalho, auxiliar de enfermagem, tem por atividade dar segurança aos trabalhadores através do ambiente de trabalho que inclui máquinas e equipamentos, reduzindo os riscos a saúde do trabalhador, verificando o uso dos EPIs, orientando para que os mesmos cumpram a NR, e fazendo assim com que diminuam os acidentes de trabalho e as doenças ocupacionais. O SESMT tem por finalidade promover a saúde e proteger a integridade do trabalhador no seu ambiente de trabalho, portanto, torna-se um trabalho que tem por objetivo a prevenção de acidentes tanto de doenças ocupacionais.). Trata-se de trabalho preventivo e de competência dos profissionais citados acima, com aplicação de conhecimentos de engenharia de segurança e de medicina no ambiente de trabalho para reduzir ou eliminar os riscos à saúde dos trabalhadores; cabe ao SESMT orientar os trabalhadores quanto ao uso dos equipamentos de proteção individual e conscientizá-los da importância de prevenir os acidentes e das forma de conservar a saúde no trabalho.

É também de responsabilidade do SESMT o registro dos acidentes. (CLT Artigo 162 inciso 4.1|4.2|4.8.9|4.10. NR 5 - Comissão Interna de Prevenção de Acidentes.

As empresas privadas, públicas e órgãos governamentais que possuam empregados regidos pela Consolidação das Leis do Trabalho  (CLT) ficam obrigados a organizar e manter em funcionamento uma Comissão Interna de Prevenção de Acidentes (CLT Artigo 164 Inciso 5.6|5.6.1|5.6.2|5.7|5.11 e Artigo 165 inciso 5.8). A Comissão Interna de Prevenção de Acidentes  - CIPA - tem como , modo a tornar compatível permanentemente o trabalho com a preservação da vida e a promoção da saúde do trabalhador. NR 6 - Equipamento de Proteção Individual .

Para os fins de aplicação desta NR, considera-se EPI todo dispositivo de uso individual, de fabricação nacional ou estrangeira, destinado a proteger a saúde e a integridade física do trabalhador. A empresa é obrigada a fornecer aos empregados gratuitamente. (CLT - artigo 166 inciso 6.3 subitem A - Artigo 167 inciso 6.2).

NR 7 - Programa de Controle Médico de Saúde Ocupacional .

Esta NR estabelece a obrigatoriedade da elaboração e implementação, por parte de todos os empregadores e instituições que admitam trabalhadores como empregados, do Programa de Controle Médico de  Saúde Ocupacional  - PCMSO, cujo objetivo é promover e preservar a saúde do conjunto dos seus trabalhadores. NR 8 – Edificações.

Esta NR estabelece requisitos técnicos mínimos que devam ser observados nas edificações para garantir segurança e conforto aos que nelas trabalham. .

Esta NR estabelece a obrigatoriedade da elaboração e implementação, por parte de todos os empregadores e instituições que admitam trabalhadores como empregados, do Programa de Prevenção de Riscos  Ambientais - PPRA , através da antecipação, reconhecimento, avaliação e conseqüente controle da ocorrência de riscos ambientais existentes ou que venham a existir no ambiente de trabalho. NR10 - Serviços em Eletricidade.

Esta NR fixa as condições mínimas exigidas para garantir a segurança dos empregados que trabalham em instalações elétricas, em suas etapas, incluindo projeto, execução, operação, manutenção, reforma e ampliação e ainda, a segurança de usuários e terceiros.

NR 11 - Transporte, Movimentação, Armazenagem e Manuseio de  Materiais.

Esta NR estabelece normas de segurança para operação de elevadores, guindastes, transportadores industriais e máquinas transportadoras. O armazenamento de materiais deverá obedecer aos requisitos de segurança para cada tipo de material. NR 12 - Máquinas e Equipamentos.

Esta NR estabelece os procedimentos obrigatórios nos locais destinados a máquinas e equipamentos, como piso, áreas de circulação, dispositivos de partida e parada, normas sobre proteção de máquinas e equipamentos, . NR 13 - Caldeiras e Vasos de Pressão.

Esta NR estabelece os procedimentos obrigatórios nos locais onde se situam as caldeiras de qualquer fonte de energia, projeto, acompanhamento de operação e manutenção, inspeção e supervisão de inspeção de caldeiras e vasos de pressão, em conformidade com a regulamentação profissional vigente no país. NR 14 - Fornos 

Esta NR estabelece os procedimentos mínimos, fixando construção sólida, revestida com material refratário, de forma que o calor radiante não ultrapasse os limites de tolerância, oferecendo o máximo de segurança e conforto aos trabalhadores.

NR 15 - Atividades e Operações Insalubres.

Esta NR estabelece os procedimentos obrigatórios, nas atividades ou operações insalubres que são executadas acima dos limites de tolerância previstos na Legislação, comprovadas através de laudo de inspeção do local de trabalho. Agentes agressivos: ruído, calor, radiações, pressões, frio, umidade, agentes químicos. NR - 16 Atividades e Operações Perigosas.

Esta NR estabelece os procedimentos nas atividades exercidas pelos trabalhadores que manuseiam e/ou transportam explosivos ou produtos químicos, classificados como inflamáveis, substâncias radioativas e servi os de o era ão e manuten ão. NR 17 – Ergonomia.

Esta NR visa estabelecer parâmetros que permitam a adaptação das condições de trabalho às características psicofisiológicas dos trabalhadores, de modo a proporcionar um máximo de conforto, segurança e desempenho eficiente. 18 - Condições e Meio Ambiente de Trabalho na Indústria da  Construção.

Esta NR estabelece diretrizes de ordem administrativa, de planejamento e de organização, que objetivam a implementação de medidas de controle e sistemas preventivos de segurança nos processos, nas condições e no meio ambiente de trabalho na indústria da construção.

NR 19 – Explosivos.

Esta NR estabelece o fiel cumprimento do procedimento em manusear, transportar e armazenar explosivos de uma forma NR 20 - Líquidos Combustíveis e Inflamáveis.

Esta NR estabelece a definição para líquidos combustíveis, líquidos inflamáveis e Gás liquefeito de petróleo, parâmetros para armazenar, como transportar e como devem ser manuseados pelos trabalhadores. NR 21 - Trabalhos a céu aberto.

Esta NR estabelece os critérios mínimos para os serviços realizados a céu aberto, sendo obri atória a existência de abri os, ainda ue rústicos com boa estrutura, capazes de proteger os trabalhadores contra intempéries. NR 22 - Segurança e Saúde Ocupacional na Mineração.

Esta NR estabelece sobre procedimentos de Segurança e Medicina do Trabalho em minas, determinando que a empresa adotará métodos e manterá locais de trabalho que proporcionem a seus empregados condições satisfatórias de Segurança e Medicina do Trabalho. NR 23 - Proteção contra incêndios.

Esta NR estabelece os procedimentos que todas as empresas devam possuir, no tocante à proteção contra incêndio, saídas de emergência para os trabalhadores, equipamentos suficientes para combater o fogo e pessoal treinado no uso correto.

NR 24 - Condições Sanitárias e de Conforto nos Locais de Trabalho.

Esta NR estabelece critérios mínimos, para fins de aplicação de aparelhos sanitários, gabinete sanitário, banheiro, cujas instalações deverão ser separadas por sexo, vestiários, refeitórios, cozinhas e alojamentos. NR 25 - Resíduos Industriais.

Esta NR estabelece os critérios que deverão ser eliminados dos locais de trabalho, através de métodos, equipamentos ou medidas adequadas, de forma a evitar riscos à saúde e à segurança do trabalhador. NR 26 - Sinalização de Segurança.

Esta NR tem por objetivos fixar as cores que devam ser usadas nos locais de trabalho ara reven ão de acidentes identificando delimitando e advertindo contra riscos. NR 27 - Registro Profissional do Técnico de Seg. do Trabalho.

Esta NR estabelece que o exercício da profissão depende de registro no Ministério do Trabalho, efetuado pela SSST, com processo iniciado através das DRT; esta NR foi revogada de acordo com a portaria Nº 262 de 29/05/2008 (DOU de 30/05/2008 – Seção 1 – Pág. 118). De acordo com o Art. 2º da supracitada DOU, o registro profissional será efetivado pelo Setor de Identificação e Registro Profissional das Unidades Descentralizadas do Ministério do Trabalho e Emprego, mediante requerimento do interessado , que poderá ser encaminhado pelo sindicato da categoria. O lançamento do registro será diretamente na Carteira de Trabalho e Previdência social – CTPS.

NR 28 - Fiscalização e Penalidades.

Esta NR estabelece que Fiscalização, Embargo, Interdição e Penalidades, no cumprimento das disposições legais e/ou regulamentares sobre segurança e saúde do trabalhador, serão efetuados obedecendo ao disposto nos decretos leis. NR 29 - Norma Regulamentadora de Segurança e Saúde no Trabalho  Portuário.

Esta NR regulariza a proteção obrigatória contra acidentes e doenças profissionais, alcançando as melhores condições possíveis de segurança e saúde dos trabalhadores que exerçam atividades nos portos organizados e ns a aç es por u r as e uso pr va vo e re ropor u r as, s ua as en ro ou fora da área do porto organizado. NR 30 - Segurança e Saúde no Trabalho Aquaviário.

Esta norma aplica-se aos trabalhadores das embarcações comerciais, de bandeira nacional, bem como às de bandeiras estrangeiras, no limite do disposto na Convenção da OIT n.º 147  - Normas Mínimas para Marinha  Mercante , utilizados no transporte de mercadorias ou de passageiros, inclusive naquelas utilizadas na prestação de serviços, seja na navegação marítima de longo curso, na de cabotagem, na navegação interior, de apoio marítimo e portuário, bem como em plataformas marítimas e fluviais, quando em deslocamento.

NR 31 - Norma Regulamentadora de Segurança e Saúde no Trabalho  na Agricultura, Pecuária Silvicultura, Exploração Florestal e  Aqüicultura .

Esta NR tem por objetivo estabelecer os preceitos a serem observados na organização e no ambiente de trabalho, de forma a tornar compatível o planejamento e o desenvolvimento das atividades da agricultura, pecuária, silvicultura, exploração florestal e aqüicultura com a segurança e saúde e meio ambiente do trabalho. Para fins de aplicação desta NR considera-se atividade agro-econômica, aquelas que operando na transformação do produto agrário, não altere a , .

NR 32 - Segurança e Saúde no Trabalho em Estabelecimentos de  Saúde.

Esta Norma Regulamentadora tem por finalidade estabelecer as diretrizes básicas para a implementação de medidas de proteção à segurança e à saúde dos trabalhadores dos serviços de saúde, bem como daqueles que exercem atividades de promoção e assistência à saúde em geral. Para fins de aplicação desta NR, entende-se como serviços de saúde qualquer edificação destinada à prestação de assistência à saúde da população, e todas as ações de promoção, recuperação, assistência, pesquisa e ensino em saúde em qualquer nível de complexidade.

NR 33 - Segurança e Saúde no Trabalho em Espaços Confinados.

Esta NR tem por objetivo estabelecer os requisitos mínimos para identificação de espaços confinados e o reconhecimento, avaliação, monitoramento e controle dos riscos existentes, de forma a garantir permanentemente a segurança e saúde dos trabalhadores e que interagem direta ou indiretamente neste espaços. Espaço confinado  é qualquer área ou ambiente não projetado para ocupação humana contínua, que possua meios limitados de entrada e saída, cuja ventilação existente é insuficiente para remover contaminantes ou onde possa existir a deficiência ou enriquecimento de oxigênio. -  Construção e Reparação Naval.

Esta NR trata de nove procedimentos de trabalhos executados em estaleiros: trabalho a quente; montagem e desmontagem de andaimes; pintura; jateamento e hidrojateamento; movimentação de cargas; instalações elétricas provisórias; trabalhos em altura; utilização de radionuclídeos e gamagrafia; e máquinas portáteis rotativas. Trata-se de proposta de texto para criação da Norma Regulamentadora sobre Condições e Meio Ambiente de Trabalho na Indústria Naval (NR-34); esta Norma Regulamentadora – NR tem por finalidade estabelecer os requisitos mínimos e as medidas de proteção à segurança, à saúde e ao meio ambiente de trabalho nas atividades da indústria de construção e reparação naval.

Norma Regulamentadora 13 NR 13

Governo Federal / Ministério do Trabalho e Emprego NR-13 – é uma norma compulsória e faz parte de um grupo de normas do Ministério do Trabalho e Emprego que visam a se uran a do trabalhador. Revisada em 1984 e 1994, última edição de 24/06/2008. Descumprimento: dolo ou culpamultas e interdição. Fiscalização : MTE / DRT’s e Trabalhador ( via SINDICATO).

Governo Federal/ Ministério do Trabalho e Emprego Profissional Habilitado: é aquele que tem competência legal para o exercício da profissão de engenheiro, nas atividades referentes a projeto de construção, acompanhamento de operação e manutenção, inspeção e supervisão de inspeção de caldeiras e vasos de pressão e em conformidade com a regulamentação profissional vigente no Pais. Pressão Máxima de Trabalho Permitida – PMTP. Pressão Máxima de Trabalho Admissível – PMTA: É o maior valor de pressão compatível com o código de projeto, a resistência dos materiais utilizados, as dimensões do equipamento e seus parâmetros operacionais.

Noções de grandezas físicas e unidades

• Medidas Físicas. • Unidades Naturais. São aquelas unidades que não podem ser subdivididas; as medidas feitas com estas unidades resultam um valor exato. Exem lo 01 : uantos alunos há em uma sala de aula ?

• Unidades Arbitrárias. São aquelas unidades que podem ser subdivididas; as medidas feitas com estas unidades nem sempre (raramente ) resultam um valor exato. Exemplo 02 : medidas de grandezas físicas em geral  comprimento, tempo, força , velocidade, etc.

• Metrologia •Alguns conceitos. Medição: conjunto de operações que tem por objetivo determinar um valor de uma grandeza; pode ser manual ou automática, analógica ou digital. Metrologia: ciência da medição; trata dos conceitos básicos, dos métodos, dos erros e sua propagação, das unidades e dos padrões envolvidos na quantificação de grandezas físicas, e abrange todos os aspectos técnicos e práticos relativos às medições, qualquer que seja a incerteza, em quaisquer campos da ciência ou tecnologia. Medir: procedimento pelo qual o valor momentâneo de uma grandeza s ca e erm na o como um m p o e ou uma raç o e uma un a e estabelecida como padrão. Medida: valor correspondente ao valor momentâneo da grandeza a medir no instante da leitura, expressa por um número acompanhado da unidade da grandeza a medir. Instrumentação: conjunto de técnicas e instrumentos usados para observar, medir e registrar fenômenos físicos; preocupa-se com o estudo, o desenvolvimento, a aplicação e a operação dos instrumentos.

Resultado: valor de uma grandeza obtido por medição; uma expressão completa do resultado de uma medição compreende também a incerteza de medição e os valores de referência das grandezas que influem sobre o valor da grandeza a medir ou sobre o instrumento de medir. Indicação: valor de uma grandeza a ser medida fornecido por um instrumento de medir e é expressa em unidades da grandeza medida. Indicação: valor de uma grandeza a ser medida fornecido por um instrumento de medir e é expressa em unidades da grandeza medida. Medida: grau de concordância entre o resultado da medição e o valor verdadeiro convencional da grandeza medida; o uso do termo precisão no lu ar de exatidão deve ser evitado. Mensurando: objeto da medição, a grandeza submetida à medição. Grandeza de influência: grandeza que não é o mensurando, mas que afeta o resultado da medição deste. Principio de medição: base científica de uma medição. Método de medição: seqüência lógica de operações, descritas genericamente, usadas na execução das medições. Procedimento de medição: conjunto de operações, descritas especificamente, usadas na execução de medições particulares, de acordo com um dado método.

Histórico

Processo de medição

• Erros de medições. Quando realizamos uma medida precisamos estabelecer a confiança que o valor encontrado para a medida representa. Medir é um ato de comparar e esta comparação envolve erros dos instrumentos, do operador, do processo de medida e outros. Podemos ter erros sistemáticos que ocorrem quando há falhas no método empregado, defeito dos instrumentos, etc... ...erros ac en a s a ea r os que ocorrem quan o mper c a o operador, erro de leitura em uma escala, erro que se comete na avaliação da menor divisão da escala utilizada etc. Em qualquer situação deve-se adotar um valor que melhor represente a grandeza e uma margem de erro dentro da qual deve estar compreendido o valor real.

Incerteza: estimativa caracterizando a faixa de valores dentro da qual se encontra o valor verdadeiro da grandeza medida; compreende, em geral, muitos componentes. Erro absoluto: Resultado de uma medição menos o valor verdadeiro convencional da grandeza medida. Erro relativo: quociente do erro absoluto da medição pelo valor verdadeiro convencional da grandeza medida. Erro aleatório: componente do erro de medição que varia de uma forma imprevisível quando se efetuam várias medições da mesma grandeza. de forma previsível quando se efetuam várias medições de uma mesma grandeza; os erros sistemáticos e suas causas podem ser conhecidos ou desconhecidos. Fontes de erro: sistema de medição

• variação da temperatura ambiente; • instabilidade dos sistemas elétricos de medição .

operador Correção: valor adicionado algebricamente ao resultado não corrigido de uma medição para compensar um erro sistemático.

Quando você realiza medidas com a régua milimetrada em um espaço S, você colocou duas casas decimais. é correto o que você fez? Sim, porque você considerou os algarismos significativos. O que são os algarismos significativos? 

Quando você mediu o valor de S = 5,81 cm com a régua milimetrada você teve certeza sobre os algarismos 5 e 8, que são os algarismos corretos , duvidoso. Consideramos algarismos significativos de uma medida os algarismos corretos mais o primeiro duvidoso. Algarismos significativos = alg.’s corretos + 1º alg. duvidoso 5,81 5,8 1 Sempre que apresentamos o resultado de uma medida, este será representado pelos algarismos significativos. Veja que as medidas 5,81 e 5,83cm não são fundamentalmente diferentes, porque diferem apenas no algarismo duvidoso.

Os zeros à esquerda não são considerados algarismos significativos como no exemplo: 0,000123 contém apenas três algarismos significativos

•Operações com algarismos significativos •Adição e subtração. Há regras para operar com algarismos significativos. Se estas regras não forem obedecidas você pode obter resultados que podem conter algarismos que não são significativos. Vamos supor que você queira fazer a seguinte adição: 250,657 + 0,0648 + 53,6 = ? significativos, após a vírgula. No caso 53,6 que apresenta apenas uma casa decimal. Esta parcela será mantida e as demais serão aproximadas para uma casa decimal; você tem que observar as regras de arredondamento; no nosso exemplo teremos as seguinte aproximações: 250,657 = 250,7 0,0648 = 0,1 Adicionando os números aproximados, teremos: 250,7 + 0,1 + 53,6 = 304,4 cm Na subtração, você segue o mesmo procedimento .

• Multiplicação e divisão. Vamos multiplicar 6,78 por 3,5 normalmente: 6,78 x 3,5 = 23,73 Aparecem no produto algarismos que não são significativos. A seguinte regra é adotada: Verificar qual o fator que apresenta o menor número de algarismos significativos e apresentar no resultado apenas a quantidade de algarismo igual a deste fator, observando as regras de arredondamento. 6,78 x 3,5 = 23,7 Para a divisão o procedimento é análogo.

• Notação científica A notação científica é uma forma concisa de representar números, em especial números muito grandes (100000000000) ou números muito pequenos (0,00000000001) e baseia-se no uso de potências de 10; os casos acima, escritos em notação científica, ficariam: (1 • 10 11) e (1 • 10-11), respectivamente. Observe os números abaixo: • 600 000 • 30 000 000 • 500 000 000 000 000 • 7 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 • 0,0004 • 0,00000001 • 0,0000000000000006 • 0,0000000000000000000000000000000000000000000000008 A definição básica de notação científica permite uma infinidade de representações para cada valor; mas a notação científica padronizada inclui uma restrição: a mantissa deve ser maior ou igual a 1 e menor que 10. Desse modo cada número é representado de uma única maneira.

• Como transformar Para transformar um número qualquer para a notação científica padronizada devemos deslocar a vírgula obedecendo o princípio de equilíbrio. Vejamos o exemplo abaixo: 253 756,42 A notação científica padronizada exige que a mantissa esteja entre 1 e 10. Nessa situação, o valor adequado seria 2,5375642 (observe que a seqüência de algarismos é a mesma, somente foi alterada a posição da vírgula). Para o ex oente vale o rincí io de e uilíbrio: "Cada casa decimal ue diminui o valor da mantissa aumenta o expoente em uma unidade, e viceversa". Observe a transformação, passo a passo: 253 756,42 = 25 375,642 • 10 1 = 2 537,5642 • 10 2 = 253,75642 • 103 = 25,375642 • 104 = 2,5375642 • 10 5

Um outro exemplo, com valor menor que 1: 0,0000000475 = 0,000000475 • 10 -1 = 0,00000475 • 10 -2 = 0,0000475 • 10-3 = 0,000475 • 10 -4 = 0,00475 • 10 -5 = 0,0475 • 10-6 = 0,475 • 10-7 = 4,75 • 10-8

Sistemas de medidas.

Num sistema de medidas, as unidades são baseadas em grandezas físicas fundamentais.

As outras unidades são ditas derivadas. Todas as grandezas físicas da mecânica podem ser expressas em função das seguintes grandezas fundamentais : comprimento, massa e tempo. Sistema Internacional de unidades (SI).

O Bureau Internacional de Pesos e Medidas (BIPM) foi criado pela Convenção do Metro, assinada em Paris em 20 de maio de 1875 por 17 Estados. Tem por missão assegurar a unificação mundial das medidas físicas, é encarregado: 1. de estabelecer os padrões fundamentais e as escalas das principais grandezas físicas; 2. de conservar os protótipos internacionais; 3. de efetuar a comparação dos padrões nacionais e internacionais; 4. de assegurar a coordenação das técnicas de medidas correspondentes; 5. de efetuar e de coordenar as determinações relativas às constantes físicas que intervêm naquelas atividades.

No SI distinguem-se duas classes de unidades: 1. Unidades de base  sete unidades perfeitamente definidas, consideradas como independentes sob o ponto de vista dimensional. Grandeza

Nome

Comprimento

metro

m

Massa

quilograma

kg

Tempo

segundo

s

Intensidade de corrente elétrica

ampère

A 

Intensidade luminosa

candela

cd

Quantidade de matéria

mol

mol

Grandezas

Símbolos

Dimensões

Símbolo

Unidades (SI)

Massa

M

M

kg

Comprimento

L

L

m

Tempo

T

T

s

Temperatura

θ

θ

K  

Dimensões de grandezas primárias

2. Unidades derivadas  formadas pela combinação de duas ou mais unidades de base; alguns exemplos de unidades derivadas: Grandeza

Nome

Símbolo

Superfície

metro quadrado

m2

Volume

3

metro cúbico

Vazão

m

3 /s m

metro cúbico por segundo

Massa específica

quilograma por metro cúbico

kg/m3

Força

Newton

N

Pressão

Pascal

Pa

Temperatura

grau Celsius

°C

Viscosidade dinâmica

Poise

P

Viscosidade cinemática

Stokes

St

Grandeza Geometria

Cinemática

Área

Sí mbolo

Dimensão

A

L2

Volume

V

Velocidade

U

Velocidade angular Fluxo de massa

-1

ω

Vazão

L

3

LT

-1T

Q ṁ

3

T-1L

MT-1 Força

Dimensões de grandezas derivadas.

Massa especí fica

ρ

Viscosidade dinâmica

µ

Mecânica

M L-3 M -1 L T-1

Propriedade  Viscosidade cinemática dos Fluí dos Tensão superficial

ν

L2 T-1

σ

M T-2

Condutividade térmica

κ

MLT-3 θ

Calor especí fico

Cp , Cv

L2 T-2 θ-1

Torque

F T

M LT-2 M L2 T-2

Energia

E

M L T-

Potência

P

M L2 T-3

Pressão

p

M L-1 T-2

Prefixos SI: são utilizados uma série de prefixos e seus símbolos para formar os nomes e símbolos dos múltiplos e submúltiplos das unidades no SI . Fator

Prefixo

Símbolo

Fator

Prefixo

Símbolo

1024

yotta

Y

10 -1

deci

d

1021

zetta

Z

10 -2

centi

c

1018

exa

E

10 -3

mili

m

1015

peta

P

10 -6

micro

µ

10

tera

T

10 -

nano

n

109

giga

G

10 -12

pico

p

106

mega

M

10 -15

femto

f 

103

quilo

k

10 -18

atto

a

102

hecto

h

10 -21

zepto

z

101

deca

d

10 -24

yocto

y

Regras para escrita dos nomes e símbolos das unidades SI. Símbolos das unidades SI 1) Os símbolos das unidades são expressos em caracteres romanos (verticais) e, em geral, minúsculos; entretanto, se o nome da unidade deriva de um nome próprio, a primeira letra do símbolo é maiúscula. 2) Os símbolos das unidades permanecem invariáveis no plural. 3) Os símbolos das unidades não são seguidos por ponto. Expressão algébrica dos símbolos das unidades SI 1) O produto de duas ou mais unidades pode ser indicado de uma das se uintes maneiras: N.m ou Nm 2) Quando uma unidade derivada é constituída pela divisão de uma unidade por outra, pode-se utilizar a barra inclinada (/), o traço horizontal, ou potências negativas. m/s ou m.s-1 3) Nunca repetir na mesma linha mais de uma barra inclinada, a não ser com o emprego de parênteses, de modo a evitar quaisquer ambigüidades. Nos casos complexos deve-se utilizar parênteses ou potências negativas. m/s2 ou m.s-2, porém não m/s/s m.kg/(s3.A) ou m.kg.s-3 .A -1, porém não m.kg/s 3 /A

Fluidos Conceituação de fluídos.

Denominamos fluido toda substância ue ode fluir isto é escoar facilmente. Ou , ainda substância que submetida a uma força deforma-se continuamente. Tudo aquilo que escoa  os líquidos e os gases.

A teoria cinética molecular define fluido da seguinte maneira: Fluidos são corpos onde as moléculas trocam de posição continuamente, ao passo que, sólidos são corpos onde as moléculas oscilam em torno de posições fixas. Nos líquidos há uma força de atração intermolecular que impede que haja grandes variações de volume numa mesma condição ambiental, mas estas forças não são suficientes para manter as moléculas em posições fixas; assim, os líquidos assumem a forma dos recipientes que os contêm. Nos gases essas forças de atração intramolecular são fracas, permitindo que haja variações de forma e volume; assim, os gases ocupam todo o volume dos recipientes que os contêm, assumindo, em conseqüência, .

Diferenças conceituais entre os estados físicos da matéria

Fluido é definido como qualquer tipo de matéria que se deforma continuamente sob a ação de uma tensão de cisalhamento. A relação entre esta tensão de cisalhamento e a taxa de deformação não é sempre linear, mas este comportamento nitidamente se opõe ao dos sólidos que respondem ao cisalhamento através de deformação temporária ou permanente, mas jamais contínua. Os fluidos são normalmente divididos em duas classes, quais sejam, líquido e gás (ou vapor), cujas características próprias são amplamente conhecidas do cotidiano: o líquido tem massa específica e viscosidade mais altas que o do gás, mas uma compressibilidade menor. A alta compressibilidade do gás faz com que ocupe todo o volume disponível do recipiente que o contém. Conceitos fundamentais. Sistema: objeto de análise identificado para estudo das interações (trocas de energia e/ou matéria) com o meio externo. A composição da matéria dentro do sistema pode ser fixa ou variável. A forma ou o volume do sistema não é necessariamente constante.

Vizinhança: tudo externo ao sistema. Fronteira: separa o sistema do meio externo ou vizinhança. Pode estar em repouso ou movimento.

Tipos de sistemas. a) Isolados: não trocam matéria ou energia com o meio externo. b) Fechados: Não trocam matéria, mas podem permutar energia . c)Abertos: Podem trocar matéria e energia com sistemas vizinhos.

Propriedades dos fluídos. Propriedades extensivas  dependem do tamanho (extensão) do sistema  massa, volume, energia. Propriedades intensivas  não dependem do tamanho (extensão) do sistema  temperatura e pressão. Estado  as condições às quais o sistema está submetido e que determinam uma posição de equilíbrio que chamamos de estado termodinâmico e é caracterizado por suas propriedades (T, P, energia, etc...) Processo  é a transformação de um estado a outro; a variação no valor e uma propr e a e en re o s es a os n epen e o processo. Exemplo: ∆T = T2-T1

Processos em que uma propriedade se mantém constante:

Ciclo  seqüência de processos, que começam e terminam no mesmo estado.

As propriedades são conhecidas como grandezas ou funções de estado e dependem tão somente dos estado inicial e final do sistema, não importando o caminho percorrido na evolução do processo. Note que trabalho e calor não são funções de estado, não são propriedades do sistema pois dependem do caminho percorrido no processo.

Denomina-se componente a cada uma das substâncias presentes em uma mistura e que apresentam propriedades bem definidas. Denomina-se fase a qualquer porção de material (fluido ou sólido), constituída por um ou mais componentes, com características uniformes em toda a sua extensão (composição química e estrutura física). As principais fases presentes nas misturas de interesse são:  fase gasosa: ou simplesmente gás, constituída por componentes leves;  fase líquida oleosa: usualmente denominada óleo, formada principalmente por componentes de maiores pesos moleculares;  fase líquida aquosa: constituída quase que exclusivamente por 

fase sólida: constituída por componentes de altíssimos pesos moleculares que dão origem aos depósitos sólidos.

Condições padrão Toda e qualquer medição ou expressão de valores de propriedades dos fluidos deverá, necessariamente, ser referida a condições de pressão e temperatura perfeitamente determinadas. De outra forma, não haveria possibilidade de comparação entre valores. As condições padrão de pressão e temperatura variam de um país para outro; no Brasil há basicamente 2 padrões de interesse: Padrão Petrobras: pressão: 1 atmosfera = 1.01325 bar Temperatura : 20ºC = 68ºF = 293,15 K Padrão Internacional (AIP) : pressão: 1 atmosfera = 1.03323 kgf/cm2 = 1.01325 bar Temperatura : 15,56ºC = 60ºF = 288.71 K

Propriedade dos fluidos massa específica – ρ: razão entre a massa do fluido e o volume que contém essa massa.

Equação dimensional: [ρ] = M*L-3= F*L-4*T2 volume Específico - υ : definido como o volume ocupado pela unidade de massa de uma substância, ou seja, é o inverso da massa específica. υ

=

-

*

.

Peso específico - γ  γ:  razão entre o peso de um dado fluido e o volume que o contém; é o seu peso por unidade de volume.

Equação dimensional: [γ  γ]  = M*L-2*T-2= F*L-3 Relação entre peso específico e massa específica:

Densidade d: é a razão entre a massa específica ( ρs) de uma substância e a massa específica de outra substância de referência em condições padrão (ρ0).  ρ ST  T  d T  = T   ρ 0 Para sólidos e líquidos a substância de referência é a água; para gases a referência é o ar. Valores padrões de temperatura : 4 ºC , 15 ºC, 20 ºC e 60 ºF. S

S

0

0

Grau API: O American Petroleum Institute (API) estabeleceu esta unidade para expressar a densidade de petróleos, onde as massas específicas do etróleo e da á ua são tomada a 60 ºF; o ºAPI é calculado ela ex ressão: 0

 API  =

141.5 60

d 60

− 131.5

Grau Baumé: uma escala para densidade de soluções criada pelo químico francês Antoine Baumé (1728-1804). Ele usou água pura e soluções de cloreto de sódio para definir os pontos da escala e a relação entre grau Baumé(ºBé) e densidade (d) ficou: Para soluções mais leves que a água ºBé = (140 / d) − 130 Para soluções mais pesadas que a água ºBé = 145 − (145 / d)

 A temperatura de referência é 60F (≈ 15,6ºC).

Viscosidade dinâmica (µ): propriedade dos fluidos responsável pela resistência ao deslocamento (deformação); em conseqüência dos atritos e, principalmente, da viscosidade, o escoamento de fluidos nas tubulações somente se verifica com perda de energia, designada por perda de carga.

Equação dimensional: [µ] = ML-1T-1 Variação da viscosidade absoluta com a temperatura:

• Nos líquidos a viscosidade é diretamente proporcional à força de atração entre as moléculas, portanto a viscosidade diminui com o aumento da temperatura.

moléculas, portanto a viscosidade aumenta com o aumento da temperatura. Viscosidade cinemática –  νν: quociente entre a viscosidade absoluta e a massa específica do fluido. Equação dimensional: [ νν] = L2T-1

Coesão: uma pequena força de atração entre as moléculas do próprio líquido (atração eletroquímica); essa propriedade é que permite às moléculas fluídas resistirem a pequenos esforços de tensão - a formação da gota d’água é devida à coesão. Adesão: quando um líquido está em contato com um sólido, a atração exercida pelas moléculas do sólido pode ser maior que a atração existente entre as moléculas do próprio líquido; ocorre então a adesão Módulo da Elasticidade Volumétrico - ( β): razão entre uma variação de pressão e a correspondente variação de volume por unidade de volume. =

− ∆ p

V  V 

Equação dimensional: [β] = FL-2

Coeficiente de Compressibilidade - ( λ) : inverso do módulo de elasticidade volumétrico. 1 λ  =

-1 2

Equação dimensional: [λ] = F L

 β 

Pressão de vapor – p v: é a pressão parcial da fase de vapor em equilíbrio com a fase líquida de uma substância a uma determinada temperatura; corresponde ao valor da pressão na qual o líquido passa da fase líquida para a gasosa.

pressão de bolha de um fluido: a menor pressão na qual não existe fase vapor; é a pressão limite para o surgimento da fase do vapor. pressão de orvalho: a pressão limite para o surgimento da fase líquida, ou seja, é a pressão a partir da qual um gás começa a condensar.

Exercicíos 1. A massa específica da glicerina é 1,26 g/cm³. g/cm³. Quanto pesam 4 ℓ de glicerina ? Dados: ρ=1,26 g/cm³, V= 4 ℓ V=4000 cm³ g=10 m/s². A massa da glicerin glicerinaa é: ρ=m/V → 1,26=m/4000 →m=5040 g ou 5,04kg. Portanto: P=m x g →P=5,04.10 →P=50,4N . , , determine a massa específica da substância que o compõe. 3. Um recipiente cilíndrico possui seção transversal de 10cm 2 e altura de 5cm e está completamente cheio com um líquido com ρ= 2 g/cm³; determine a massa do líquido. 4. Um fluído possui massa específica de 1500kg/m 3 , qual o seu peso específico?

Pressão

Um fluido é considerado estático se todos os elementos do fluido estão parados ou se movem com uma velocidade constante, relativamente a um sistema de referência. Para ue esta condi ão se a satisfeita é necessário ue exista um equilíbrio entre as forças que agem sobre o elemento do fluido considerado. Como não há movimento de uma camada de fluido em relação à outra adjacente, não haverá desenvolvimento de tensões de cisalhamento no fluido; restam então as forças normais responsáveis pela tensão normal, tensão de pressão ou simplesmente pressão A pressão em um ponto de um fluido em repouso é a mesma em qualquer direção, seu valor independe da direção sendo, portanto, uma grandeza  escalar .

Consid Con ideeremos uma superfíc íciie de áre reaa S sobre a qual se distri ribbui perpendicularmente um sistema de forças cuja c uja resultante é F. Defifine De ne-s -see a pr pres essã sãoo mé médi diaa na su supe perf rfíc ície ie co cons nsid ider erad adaa co como mo se send ndoo a relação entre a intensidade da força atuante F e a área S da superfície; vamos considerar uma distribuição uniforme das forças atuantes, de modo que a pressão média coincida com a pressão em qualquer ponto. Como a pressão é uma grandeza escalar, fica, portanto, perfeitamente caracterizada pelo valor numérico e pela unidade, não apresentando nem direção e sentido.

Escalas de pressão - pressão absoluta e pressão relativa a) Escala efetiva (relativa): é aquela que toma como referência (zero) a pres pr essã sãoo at atmo mosf sfér érica ica;; as pr pres essõ sões es ne ness ssaa es esca cala la di dize zemm-se se ef efet etiva ivass (relativas ou manométricas). b) Escala absoluta:  é aquela que toma como referência (zero) o vácuo absoluto; as pressões nessa escala são chamadas absolutas

Unidades de pressão: No Sistema Internacional, a unidade de pressão é o Newton por metro quadrado (N/m²), também denominado Pascal (Pa). No sistema CGS (C: centímetro; G: grama; S: segundo) a unidade de pressão é dina por centímetro quadrado (dyn/cm²) também denominado bária (ba) 1 Pa = 10 ba Em meteorologia é comum utilizar mmHg como unidade de pressão. Na industria utiliza-se a atmosfera (atm), o quilograma-força por centímetro quadrado (kgf/cm²) e o Newton Newton por metro quadrado (N/m²) ou pascal. 1 atm atm = 1k 1k f/cm² = 101 101 292 8 N/m² N/m² Os países anglo-saxônicos usam os psi, ou seja, a libra peso por polegada ao quadrado (pound per square inch). Em Portugal a medida adotada é o quilograma por centímetro quadrado (kg/cm²) ou a atmosfera (atm). 1 bar = 1,03 kg/cm² 1 psi = 0,07 kg/cm² 1 atm = 10,2 N/cm² 1 kg/cm² = 10,2 N/cm² (considerando (considerando g= 10m/s² 10m/s²)) 1 atm = 1 bar 1 atm = 29,92 in Hg = 760 mm Hg = 14,7 psi = 2116 lbf/ft2 = 34 ft de H2O = 1 atm = 1,033 kgf/cm2 = 10,33 m de H2O

Pressão atmosférica O ar, como qualquer substância próxima à Terra, á atraído por ela, isto é, o ar tem peso.Em virtude disto, a camada atmosférica que envolve a Terra, atingindo uma altura de dezenas de quilômetros, exerce uma pressão sobre os corpos nela mergulhados. Esta pressão é denominada Pressão  Atmosférica . Até a época de Galileu (século XVII), a existência da pressão atmosférica era desconhecida pela maioria das pessoas. Torricelli, físico italiano, contemporâneo de Galileu, realizou uma famosa experiência que, além de demonstrar que a pressão existe realmente, permitiu a determinação de seu valor. A experiência de Torricelli : Torricelli encheu de mercúrio (Hg) um tubo de vidro com mais ou menos 1 metro de comprimento; em seguida fechou a extremidade livre do tubo e o emborcou numa vasilha contendo mercúrio. Quando o dedo foi retirado, a coluna de mercúrio desceu, ficando o seu nível aproximadamente 76 cm acima do nível do mercúrio dentro da vasilha. Torricelli concluiu que a pressão atmosférica, patm, atuando na superfície livre do líquido no recipiente, conseguia equilibrar a coluna de mercúrio. O espaço vazio sobre o mercúrio, no tubo, constitui a chamada câmara barométrica, onde a pressão é praticamente nula(vácuo).

Como a altura da coluna líquida no tubo era de 76 cm, Torricelli chegou à conclusão de que o valor da pressão atmosférica, patm, ao nível do mar, equivale à pressão exercida por uma coluna de mercúrio de 76 cm de altura.

Teorema Fundamental da Hidrostática (Teorema de Stevin). Na figura estão mostrados os pontos 1 e 2, no interior de um fluido de massa específica ρ. A diferença de nível entre esses pontos é h. Observe que, como o cilindro está em equilíbrio, a força resultante que atua no sistema é nula. Podemos, então, escrever que: Considerando as pressões p1 e p2 e a rea , teremos: e Se m é a massa da porção cilíndrica, e V o seu volume, podemos expressar o peso desta porção da seguinte maneira: P=mxg Sabendo que: m=ρxV e V=Sxh então: P = ρgSh portanto, podemos escrever a equação de equilíbrio da porção cilíndrica: p2S= p1S+ρgSh e simplificando teremos:

Supondo que um dos pontos se encontre na superfície do líquido e que o outro ponto esteja a uma profundidade h. A pressão no   primeiro ponto será a pressão atmosférica local e, então, a pressão p, no segundo  ponto, pode ser obtida pela relação:

 p

=

 p atm

+

ρ gh

A pressão que o fluido exerce em um determinado ponto, é denominada pressão hidrostática ou pressão efetiva, dada por:

=

h

Princípio de Pascal. A forma do recipiente não afeta a pressão que o líquido, contido nele, exerce no fundo do recipiente. Se a pressão existente na superfície do líquido for aumentada de uma maneira qualquer - por um pistão agindo na superfície superior, por exemplo - a pressão p  em qualquer profundidade deve sofrer um aumento exatamente da mesma quantidade. Este fato foi enunciado pelo cientista francês Blaise Pascal (1623-1662), em 1653, e é conhecido como "Lei de Pascal", freqüentemente enunciada da seguinte maneira: "A pressão aplicada a um fluido contido num recipiente é transmitida sem redução a todas as porções do fluido e as paredes do recipiente que o contém."

Podemos também dizer que: “O acréscimo de pressão produzido num líquido em equilíbrio transmite-se integralmente a todos os pontos do líquido." Lei de Pascal: a pressão transmitida a um fluido se dá de maneira idêntica em todas as direções. Conseqüência 1: um acréscimo de pressão é sentido em todas as are es o reserva r o a mesma forma. Lei de Pascal: a pressão transmitida a um fluido se dá de maneira idêntica em todas as direções. Conseqüência 2: Vasos comunicantes. Colunas de um mesmo fluido e com a mesma altura possuem a mesma pressão.

Aplicações do princípio de Pascal 

Princípio de Arquimedes – equilíbrio de corpos submersos e flutuantes Todo corpo submerso em um  líquido, desloca desse liquido  uma quantidade determinada, cujo volume é exatamente igual  ao volume do corpo submerso. 2. O corpo submerso no líquido "perde" de seu peso 1.

 peso do volume de líquido igual ao volume submerso do corpo Empuxo

Peso

Equilíbrio entre empuxo e peso .

Pressão interna de um vaso 1. Vaso contendo apenas gás 

2. Vaso contendo gás + líquido 

Medição de pressão e manometria. A pressão em um ponto no interior de uma massa de fluido pode ser designada ou por pressão absoluta, ou por pressão manométrica. pabs= patm+ pman A maioria dos manômetros mede diferenças de pressão. As pressões medidas em relação à pressão atmosférica denominam-se pressões manométricas. A pressão absoluta (medida em relação ao vácuo) deve ser usada em todos os cálculos com gases ideais ou com equações de estado, assim como a temperatura.

Tubo piezométrico

Manômetro de tubo em U

Manômetro de mola

Manômetro com vários fluidos manométricos

tubo de Bourdon

Tabela de conversão de unidades psi

kPa

pol H2O

mm H2O

pol Hg

mm Hg

bar

mbar

kgf/c m2

gf/cm2

psi

1,0000

6,84970

27,70200

705,15000

2,03600

51,71500

0,0689 0

68,94700

0,07030

70,3070

kPa

0,14500

1,0000

4,02660

102,27420

0,29530

7,50070

0,0100 0

10,00000

0,01020

10,1972

pol H2O

0,03610

0,28430

1,0000

25,42100

0,07340

1,86500

0,0025 0

2,48640

0,00250

2,5355

mm H2O

0,00140

0,00980

0,03940

1,0000

0,00280

0,07340

0,0001 0

0,09790

0,00001

0,0982

pol Hg

0,49120

3,38670

13,62000

345,94000

1,0000

25,40000

0,0339 0

33,86400

0,03450

34,5320

mm Hg

0,01930

0,13310

0,53620

13,62000

0,03940

1,0000

0,0013 0

1,33320

0,00140

1,35950

bar

14,3040 0

100,0000 0

402,1800 0

10215,0000 0

29,5300 0

705,0600 0

1,0000

1000,0000 0

1,01970

1019,700 0

mbar

0,01450

0,10000

0,40220

10,21500

0,02950

0,75010

0,0010 0

1,0000

0,00100

1,0197

kgf/cm2

14,2230 0

97,90470

394,4100 0

10018,0000 0

28,9590 0

735,5600 0

0,9000 0

980,70000

1,0000

1000,000 0

gf/cm2

0,01420

0,09790

0,39440

10,01800

0,02900

0,73560

0,0009 0

0,98070

0,00100

1,0000

Exercícios 1. Um cilindro é colocado verticalmente sobre uma superfície plana. Qual é a pressão exercida pelo cilindro na superfície, sabendo que sua base tem uma área de 12 cm² e sua massa é 18 kg ? ( g = 10m/s² ). 2. A densidade do cobre é 8,9; qual é a massa de um cubo maciço e homogêneo de cobre, de 20 cm de aresta ? 3. O freio hidráulico de um automóvel é uma aplicação prática do princípio físico implícito : a) no princípio de Pascal; b) na lei de Hooke; c) na segunda lei de Newton; d) no princípio de Arquimedes; e na exper nc a e orr ce . 4. Calcular a pressão que exerce uma determinada quantidade de petróleo sobre o fundo de um poço, se a altura do petróleo no poço for igual a 10 m e a sua densidade 0,800. (g = 10 m/s²) 5. Um balão cheio de hidrogênio, de peso igual a 600 N, está preso por um fio vertical e encontra-se em equilíbrio estático ( parado ). Seu volume é igual a 80 m³. Determine o empuxo sofrido pelo balão. Adote g = 10 m/s² e ρar= 1,25 kg/m³. 6. Sabendo-se que o peso específico do mercúrio (Hg) é de 13600kgf/m3, calcular a pressão atmosférica para as seguintes colunas hidrostáticas: a) 760mm b) 0,38m c) 1520mm

7. Calcular a pressão, em kg f /cm2 , exercida pelo pistão abaixo; calcular a força aplicada no pistão quando o manômetro indicar 10 kg f /cm2 .

P=?

2 , na sala de 8. A válvula de segurança de uma caldeira está ajustada para 20kg  /cm f controle foi instalado um alarme sonoro que atua quando a pressão atinge 85% da pressão de abertura da válvula. Qual deve ser o set point (ajuste) do alarme sabendo-se que sua escala é em psi. 9. Determinar o valor da pressão de 380mmHg em kgf/cm2 e psi na escala manométrica e em kgf/cm2 e atm na escala absoluta.

10. Calcular a pressão no fundo do vaso :

11. Determinar a pressão P absoluta, sendo γ H2O = 1000kgf/m3 e γ hg = 13600kgf/m3

Calor e Temperatura Um copo de água da geladeira deixado sobre a mesa acaba se aquecendo e, depois de algum tempo, sua temperatura não muda mais. Da mesma forma, a água que ferveu na chaleira para o café se resfria e depois de algum tempo fica “estável”. , , depois essa mudança cessa; chamamos de equilíbrio térmico a situação em que não há mais mudança: a água nem esquenta, nem esfria. Mas o que provoca a mudança? No primeiro caso, a água da geladeira estava mais fria que o ambiente e esquentou. No segundo caso, a água da chaleira estava mais quente que o ambiente e esfriou. É necessário haver uma diferença de temperatura  entre a água e o meio para que haja mudança.

Quando a diferença desaparece, as duas temperaturas, da água e do meio, igualaram-se, e a água pára de “mudar”. E no que consiste essa mudança? Há duas coisas acontecendo simultaneamente:

•se olhamos só para o copo, vemos que a água está sofrendo variação de

temperatura; •se olhamos “em volta”, percebemos que essa variação de temperatura é decorrência da troca de energia com o meio: o ar, mais quente, cede um pouco de sua energia para a água do copo.

Mas ue ti o de ener ia é esta? Chamamos essa energia de energia térmica, ou...calor!  Em resumo:  a temperatura é uma propriedade do corpo, enquanto o calor está

associado a uma troca entre dois corpos; na linguagem cotidiana dizemos que está calor quando o ambiente está quente.

Como identificar a temperatura de um material? O que é um termômetro? O aumento da energia térmica de um corpo significa um aumento da agitação de suas moléculas; quase sempre, com algumas exceções, o aumento de movimento acarreta um afastamento das moléculas, como se o movimento maior requeresse mais espaço (no vapor, as moléculas ficam quase mil vezes mais distantes entre si do que na água): chamamos a esse aumento da distância entre as moléculas de dilatação.

Temperatura e Termômetros Lei Zero da Termodinâmica:  quando dois corpos têm a mesma

temperatura dizemos que estão em equilíbrio térmico entre si; podemos definir a lei zero da termodinâmica como:

"Se dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro eles  estão em equilíbrio térmico entre si “ 

A lei zero da termodinâmica define os medidores de temperatura, os termômetros .

Substância termométrica: é aquela que tem pelo menos uma de suas propriedades físicas (comprimento, volume, pressão etc.) variando de forma mensurável com a temperatura. Grandeza termométrica: é a propriedade física da substância termométrica que varia de forma mensurável com a temperatura, sendo usada para medí-la.

Uma escala termométrica é um conjunto de valores numéricos onde cada valor está associado à certa temperatura. Uma escala termométrica é constituída por um conjunto de valores arbitrários. Um mesmo estado térmico pode ser representado em escalas termométricas diversas (Celsius, Fahrenheit,...) Os valores numéricos de uma escala termométrica são obtidos a partir de dois valores atribuídos previamente a dois estados térmicos de referência, bem definidos, denominados pontos fixos. Ponto fixo: estado térmico bem definido, utilizado como referência na elaboração de uma escala termométrica. São adotados como pontos fixos os estados térmicos correspondentes ao ponto de fusão do gelo, e o ponto de ebulição da água, a pressão normal. Conhecidos como ponto de gelo e ponto de vapor, respectivamente, constituem os pontos fixos fundamentais.

Relação entre as escalas termométricas

Podemos ter uma temperatura em uma escala e achar seu valor correspondente em outra, e esse procedimento é chamado de relação entre escalas termométricas e é pode ser feito por meio de semelhança geométrica ou através de proporções. Devemos proceder da seguinte maneira:

1) Se colocarmos os três termômetros de mercúrio nas escalas Celsius, Fahrenheit e Kelvin, num recipiente com água à temperatura ambiente, a altura da coluna de mercúrio será a mesma em todos os termômetros. O valor numérico será diferente, pois as escalas são diferentes, tais valores serão chamados de θC θF e θK ara cada uma das escalas. 2) Da mesma forma, na fusão do gelo e na ebulição da água, a altura da coluna de mercúrio será a mesma e os valores numéricos nas escalas serão diferentes.

Há uma mesma proporção entre as alturas das colunas de mercúrio nas escalas, então podemos escrever:

Simplificando:

Para variação de temperatura, da mesma forma que foi feito pode-se encontrar a relação entre as variações de temperaturas das escalas, e então teremos:

Tipos de termômetros

Exercício

01. Um médico Inglês mede a temperatura de um paciente com suspeita de infecção e obtém em seu termômetro clinico o valor de 102,2 °F. Tem ele m otivo de preocupação com o paciente? Justifique. 02. Fahrenheit 451 é o título de um filme onde se explica que 451ºF é a temperatura da chama que destrói totalmente um livro. Qual será o título desse livro se fosse usada a escala Celsius? Justifique com cálculos. 03. A temperatura normal do corpo humano é de 36°C. Qual é essa temperatura expressa nas escalas Fahrenheit e Kelvin?

Transferência de calor

Calor é o processo de transferência de energia de um corpo para outro exclusivamente porque existe uma diferença de temperatura entre eles. O processo espontâneo de transferência sempre ocorre do corpo de maior para o de menor temperatura.

Analogia entre a transferência de calor, a corrente elétrica e o escoamento de fluidos..

FLUXO

FORÇA MOTRIZ

OBSERVAÇÕES

Massa ou Volume

Diferença de potencial gravitacional (altura). Diferencial de pressão

Quanto maior a diferença de altura e/ou pressão, maior a vazão. Quanto maior a diferença de potencial elétrico, maior a intensidade da corrente elétrica

Corrente Elétrica

Calor

elétrico

( voltagem)

Diferença de potencial térmico

Quanto maior a diferença de potencial térmico, maior o fluxo de calor

Mecanismos de Transferência de Calor.

A transferência de energia na forma de calor de um ponto a outro de um meio pode se dar por : condução  convecção  radiação 

A condução e a convecção: fluxo de calor na presença de átomos 

A condução e a convecção ocorrem na presença de matéria: na condução, a energia viaja sem deslocamento global das moléculas, enquanto que na convecção a energia e as moléculas viajam juntos. Na condução, as moléculas com movimento mais rápido vão transmitindo seu movimento às suas vizinhas mais lentas através de choques (tanto em sólidos, cujas moléculas não podem se afastar muito de seu lugar, quanto em gases ou líquidos); assim, a energia cinética molecular, mais concentrada do lado quente, vai se redistribuindo, tornando-se maior no lado inicialmente frio e menor no lado inicialmente quente. A convecção é uma forma de transmissão de calor que só ocorre em líquidos e gases, pois acompanha o movimento da matéria, o que não ocorre em sólidos, uma vez que os tomos est o presos” a pos ç es xas, em torno as qua s po em apenas oscilar; nessa modalidade, o fluxo de calor se dá concomitantemente com o fluxo de matéria. A radiação: fluxo de calor na ausência de átomos.

A radiação é a propagação de calor na forma de ondas de energia eletromagnética, como ocorre com a luz; dispensa a necessidade de um meio condutor de energia radiante, pois não precisa de matéria para ocorrer. Todo corpo irradia calor na forma de ondas eletromagnéticas; o aquecimento em um forno elétrico, ou de um coletor solar, ocorre predominantemente por radiação de calor.

Condução A condução é o processo de transferência de energia na forma de calor que ocorre através de um meio material, sob o efeito de diferenças de temperatura, sem transporte de matéria; ocorre normalmente em corpos sólidos. Na condução a passagem da energia de uma região para outra se faz da seguinte maneira: na região mais quente, as partículas têm mais energia, vibrando com mais intensidade; com esta vibração cada partícula transmite energia para a partícula vizinha, que passa a vibrar mais intensamente; esta transmite energia para a seguinte e assim sucessivamente... o rocesso elo ual o calor se ro a a da chama ara a mão através da barra de ferro.

Nas caldeiras, a condução ocorre no metal dos tubos e dispositivos de troca térmica, onde o calor flui da face de maior temperatura (em contato com os gases quentes ou fornalha) para a de menor temperatura (por onde circula a água). Lei de Fourier: dT  qcond  = −kA dx onde: q = fluxo de calor; k= condutividade térmica do material; A= área de passagem do fluxo; x= var aç o a empera ura com a s nc a.

Convecção. A convecção é o processo de transferência de energia na forma de calor através do movimento de matéria e ocorre tipicamente em fluidos; a convecção é sinal de movimento, podendo ser natural ou forçada. Se uma certa porção de um fluido é aquecida, sua densidade diminui e, com isso, eleva-se por efeito do campo gravitacional e é substituída por fluido mais frio da vizinhança; assim, formam-se as correntes de convecção. Neste contexto pode-se compreender, por exemplo, a posição do congelador em um refrigerador doméstico, a posição de um aparelho de ar condicionado ara maximizar sua eficiência em dada esta ão do ano e a direção da brisa do mar.

À beira-mar, a areia, tendo calor específico sensível muito menor que o da água, se aquece mais rapidamente que a água durante o dia e se resfria mais rapidamente durante a noite. Durante o dia: O ar próximo da areia fica mais quente que o restante e sobe, dando lugar a uma corrente de ar da água para a terra. É o vento que, durante o dia, sopra do mar para a terra.

Durante a noite: O ar próximo da superfície da água se resfria menos. Com isto ele fica mais quente que o restante e sobe, dando lugar a uma corrente de ar da terra para a água; é o vento que durante a noite sopra de terra para o mar

Nas caldeiras, ocorre transferência de calor por convecção dos gases quentes para as superfícies dos tubos e das superfícies aquecidas dos tubos para a água. Lei básica da convecção (Newton):

qconv

=

hA∆T 

onde: q= fluxo de calor por convecção h= coeficiente de transferência de calor por convecção ou coefic. de película. A= área de transferência de calor ∆T= diferença de temperatura entre a superfície(Ts) e a do fluido em um local longe da superfície (T ∞ ).

Radiação A radiação é o processo de transferência de energia por ondas eletromagnéticas, assim, pode ocorrer também no vácuo; as radiações infravermelhas, em particular, são chamadas ondas de calor, embora todas as radiações do espectro eletromagnético transportem energia. Um meio material pode ser opaco para uma determinada radiação e transparente para outra; o vidro comum, por exemplo, é transparente à luz visível e opaco às radiações infravermelhas. Aqui pode-se compreender a necessidade de diferentes cores nas roupas de inverno e de verão e como funcionam as estufas, por exemplo.

É um processo predominante em temperaturas mais elevadas (acima de 500ºC); numa caldeira, ocorre transferência por radiação do fogo para a área irradiada da fornalha. Lei de Stefan-Boltzmann

qrad 

4

4

 A(T s − T viz ) = εσ 

onde: qrad = energia emitida por unidade de área da superfície (W/m 2) ε = emissividade da superfície σ= constante de Stefan-Boltzmann (5,67x10-8W/m2K4) Ts = temperatura da superfície (K) Tviz = temperatura do ambiente (K)

Calor específico: calor sensível e calor latente. Calor é o processo de transferência de energia de um corpo a outro exclusivamente devido a diferença de temperatura entre eles. Com a experiência de Joule na qual um certo corpo A, caindo de uma altura h, faz girar uma hélice no interior de um líquido e, com isso, aumenta a temperatura do líquido, verifica-se a equivalência entre o trabalho mecânico e o calor. O equivalente mecânico do calor é a relação 1 cal  ≈  4,2 J. Caloria é a quantidade de energia necessária para elevar a temperatura  de uma grama de água de 14,5 0 C para 15,5 0 C .

O quociente da quantidade de energia (Q) fornecida na forma de calor a um corpo pelo correspondente acréscimo de temperatura (∆T ) é a capacidade térmica deste corpo: Q C  =

∆T 

Para caracterizar não o corpo, mas a substância que o constitui, define-se o calor específico como a capacidade térmica por unidade de massa do corpo: 1 Q c= m ∆T  s r amen e a an o, eve-se espec car as con ç es so as qua s a energia é transferida ao sistema na forma de calor. Assim, distinguimos os calores específicos a pressão constante ( c P ) e a volume constante ( c V ).

Calor sensível: quando houver variação de temperatura em um determinado corpo, o calor é denominado calor sensível; ele é capaz de determinar o quanto de calor uma unidade de massa precisa para conseguir perder ou ganhar para diminuir ou aumentar sua temperatura sem mudar sua estrutura, ou seja, se o corpo está em estado gasoso, ele continuará gasoso, e assim por diante. Calor Latente O comportamento das substâncias durante as mudanças de fases pode ser interpretado por meio dos seguintes fatos: Para passar da fase líquida para a fase sólida, a água precisa perder 80cal/g. Para passar da fase líquida para a fase gasosa, a água precisa ganhar 540cal/g Todas substâncias possuem valores fixos de calor/g que precisa ganhar/perder para mudar de uma fase para outra; essa quantidade de calor, denominada calor latente, é indicada pela letra L. O calor latente provoca unicamente uma mudança de fase do corpo, sem alterar sua temperatura.

Transferência de calor a temperatura constante – mudanças de estado físico. Calor deve ser fornecido ou removido para a mudança de estado físico de uma substância; neste caso, a temperatura permanece constante. A figura nos dá o diagrama aproximado para uma massa de 1 kg de água, sob pressão atmosférica normal, considerada constante. Entre A e B a água está no estado sólido e vale a relação: Q = cs m∆T  Portanto, no intervalo AB não há mudança de estado físico e o fornecimento (ou . retirada) de calor implica uma variação de temperatura; o calor trocado nessas calor sensível  condições é comumente denominado

Continuando o fornecimento de , fusão tem início e a temperatura se mantém constante até que toda a massa de gelo seja transformada em líquido; a quantidade de calor por unidade de massa que funde a substância é denominada calor  latente de fusão  (L ). f 

Assim, a quantidade de calor para fundir uma massa m de uma determinada substância é dada por :

Q

=

mL F 

De C até D a água está líquida e vale a fórmula anterior do calor sensível. De forma similar ao trecho de fusão, de D até E a temperatura é constante, significando o fornecimento de calor para vaporizar a água. Essa quantidade de calor por unidade de massa é chamada calor latente de vaporização  (Lv  ). E a quantidade de calor para vaporizar uma massa m de uma determinada substância é dada por:

Q = mLvap

Nos processos inversos (condensação e solidificação) valem os mesmos valores da vaporização e da fusão, se as demais condições são as mesmas; é claro que o sinal é contrário, pois há remoção e não fornecimento de calor.

Vapor x Gás

Vapor é o nome que se dá a uma fase gasosa que está em contato com a fase lí uida ou está na eminência de condensar-se. O vapor é um “gás imperfeito”. Gás  é um vapor altamente  superaquecido a baixas 

pressões e seu estado de equilíbrio está longe do estado de saturação.

Gás Ideal A fim de facilitar o estudo da termodinâmica dos gases, consideram-se inicialmente as transformações em um gás perfeito  ou gás ideal , isto é, um gás imaginário cujas moléculas não têm volume nem forças de repulsão ou atração (por estarem muito afastadas umas das outras); o seu , . Gases reais como o hidrogênio e o hélio apresentam comportamento bem próximo do gás ideal; outros gases (ou misturas como o ar), em pressões menores que 300 MPa e temperaturas usuais, oferecem também uma razoável aproximação. Os gases perfeitos obedecem a três leis bastante simples, que são a lei de Boyle, a lei de Gay-Lussac e a lei de Charles; essas leis são formuladas segundo o comportamento de três grandezas que descrevem as propriedades dos gases: o volume, a pressão e a temperatura absoluta

Gás Ideal - Equações básicas Lei de Boyle Formulada pelo químico irlandês Robert Boyle (1627-1691) descreve o comportamento do gás ideal quando se mantém sua temperatura constante (transformação isotérmica): considere um recipiente com tampa móvel que contem certa quantidade de gás.

Aplica-se lentamente uma força sobre essa tampa, pois desse modo não alteraremos a temperatura do gás.

Observaremos um aumento de pressão junto com uma diminuição do volume do ás ou se a uando a tem eratura do ás é mantida constante, pressão e volume são grandezas inversamente proporcionais. Essa é a lei de Boyle, que pode ser expressa matematicamente do seguinte modo:

Lei de Charles Mostra o comportamento de um gás quando é mantida a sua pressão constante e variam-se as outras duas grandezas: temperatura e volume. Para entendê-la, considere novamente um gás em um recipiente de tampa móvel. Dessa vez, nós aqueceremos o gás e deixaremos a tampa livre, como mostra a figura abaixo:

Feito isso, veremos uma expansão do gás junto com o aumento de temperatura; o resultado será uma elevação da tampa e, conseqüentemente, um aumento de volume - observe que a pressão sobre a tampa, nesse caso a pressão atmosférica, se mantém constante.

A lei de Charles diz que em uma transformação isobárica (pressão constante), temperatura e volume são grandezas diretamente proporcionais. Essa lei é expressa matematicamente da seguinte forma: Essa lei é expressa matematicamente da seguinte forma:

Lei de Gay-Lussac Nos casos anteriores, mantivemos a temperatura do gás constante e depois a sua pressão. Agora manteremos o volume constante e analisaremos os resultados desse procedimento. Considere novamente o nosso recipiente; dessa vez travaremos a tampa, pois assim deixaremos o volume do gás constante; após isso iniciaremos o seu aquecimento, como ilustra a figura abaixo .

Ao sofrer esse aquecimento, o g ás irá tentar se expandir, mas isso é algo que não ocorre, pois a tampa est á travada. O resultado será o aumento da pressão do gás sobre as paredes do recipiente.

A lei de Gay-Lussac descreve essa situação, ou seja, em uma transformação isométrica (volume constante), a pressão e a temperatura serão grandezas diretamente proporcionais. Matematicamente, a lei de Gay-Lussac é expressa da seguinte forma:

Equação de Clapeyron. Vimos através das três leis anteriores como um gás perfeito se comporta quando mantemos uma variável constante e variamos as outras duas. A equação de Clapeyron pode ser entendida como uma síntese dessas três leis, relacionando pressão, temperatura e volume. Em uma  transformação isotérmica   , pressão e volume são inversamente  proporcionais e em uma  transformação isométrica  , pressão e  temperatura são diretamente proporcionais; dessas observações, podemos  concluir que a  pressão é diretamente proporcional à temperatura e  inversamente proporcional ao volume.

im ortante também salientar ue o número de moléculas influencia na pressão exercida pelo gás, ou seja, a pressão também depende diretamente da massa do gás. Considerando esses resultados, Paul Emile Clapeyron (1799-1844)  estabeleceu uma relação entre as variáveis de estado com a seguinte expressão matemática:

Onde n é o número de mols e R é a constante universal dos gases perfeitos; essa constante pode assumir, entre outros, os seguintes valores: Valores de R Valor 8,314472 8,314472 0,08205746 8,2057459*10-5 1,987

Unidades J/(K * mol) (l * kPa)/(K * mol) (l * atm)/ (K * mol) (m3 * atm)/ (K * mol) cal/(K * mol)

Valor 62,3637 62,3637 83,14472 10,7316

Unidades (  l * mmHg)/(K * mol) (l * Torr)/ (K * mol) (l * mbar)/ (K * mol) (ft3 * psi)/(ºR * lbmol)

. Considere uma determinada quantidade de gás ideal confinado em um recipiente onde se pode variar a pressão, o volume e a temperatura, mas mantendo-se a massa constante, ou seja, sem alterar o número de mols. A partir da equação de Clapeyron, podemos estabelecer a seguinte relação:

Como o número de mols, n, e R são constantes, conclui-se então:

Isto é, se variarmos a pressão, o volume e a temperatura do gás com a , entender melhor o que isso significa, observe a figura abaixo:

Temos o gás ideal em três estados diferentes, mas se estabelecermos a relação de pressão, volume e temperatura descritos na primeira equação, chega-se aos seguintes resultados.

Observe que as três equa ções dão o mesmo resultado, o que significa que elas são iguais; então, podemos obter a seguinte equa ção final:

Gases reais As leis gerais dos gases, embora traduzam com relativa precisão o comportamento dos mesmos em transformações que ocorrem entre estados não muito afastados das condições ambientais, não têm o caráter rigoroso que se pretendeu outorgá-las há alguns séculos atrás. Na realidade, são "leis aproximadas", verificadas apenas em certas circunstâncias; ou melhor dizendo, são leis com campo de aplicação restrito. O comportamento dos gases reais não é tão simples quanto possa parecer pela análise dos itens precedentes; e os fatores responsáveis por esta complexidade são fundamentalmente três: As moléculas ocupam lugar no espaço;  As moléculas apresentam forças de atração entre si (interação);  As forças intermoleculares dependem da distância de separação entre  as moléculas.

A primeira destas afirmações já implica numa limitação à lei de Charles : no zero absoluto de temperatura, o volume não pode ser igual a zero, logo, as retas do gráfico V = f(T) não podem passar pela origem, e o gás real não obedece a lei de Charles (V = kT). À medida em que o volume molecular passa a ser desprezível em relação ao volume total do gás, este fator torna-se de pouca importância. Os desvios entre o comportamento dos gases reais e aquele que seria de se esperar pela observância da lei dos gases, têm sido exaustivamente estudados à partir dos trabalhos de Amagat e Regnault, levados a efeito durante o século XIX. Um meio de se efetuar esta comparação pode ser obtido pela definição de um fator Z igual a:

 z =

 pV 

 RT  Observando-se experimentalmente o comportamento de um gás real através da medição de p, V e T, para um n conhecido, obtém-se, para a função Z = f(p), gráficos como aqueles apresentados na gráfico z = f(p) para o hélio e o oxigênio, em que T e n são constantes. Nota-se, por este gráfico, uma tendência para Z aproximar-se de 1, à medida que a pressão diminui.

O prolongamento do gráfico corta o eixo das ordenadas no ponto em que Z = 1; ou seja, o comportamento dos gases reais aproxima-se da condição de obediência às leis dos gases à medida em que a pressão tende a zero (é importante perceber que nestas condições os três fatores limitantes, acima enunciados, tornam-se desprezíveis) Esta tendência do gás real obedecer as leis gerais dos gases em determinadas condições, como por exemplo, para a pressão tendendo a zero, representa o que ainda hoje se consagrem as leis de Boyle, de Charles; com efeito, elas não são apenas leis aproximadas, com campo de aplicação restrito, sua importância ultrapassa os limites laboratório, ganha um conteúdo teórico intuitivo sem precedentes e retorna às condições experimentais trazendo imenso auxílio ao estudo dos gases reais.

SISTEMAS DE GERAÇÃO DE VAPOR

O vapor d’água é utilizado com agente transportador de energia em diversos processos industriais e centrais termelétricas; isso se deve às seguintes vantagens: • a água é a substância mais abundante sobre a Terra; • pouco corrosiva; • não tóxica; • não inflamável; • não explosiva. Toda indústria de processo químico tem vapor como principal fonte de aquecimento: reatores químicos, trocadores de calor, evaporadores, secadores e inúmeros processos e equipamentos térmicos; mesmo outros setores industriais, como metalúrgico, metal-mecânico, eletrônica, etc., podem-se utilizar de vapor como fonte de aquecimentos de diversos processos.

Gerador de vapor é um trocador de calor complexo que produz vapor de água sob pressões superiores a atmosférica a partir da energia térmica de um combustível e de um elemento comburente, ar, sendo constituído por equipamentos perfeitamente integrados ara ermitir a obten ão do maior rendimento térmico possível.

Sendo que esta definição abrange todos os tipos de geradores de vapor, sejam os que geram vapor de água ou fluidos de alta temperatura, bem como as unidades mais simples de geradores de vapor. Convém atentar que nem sempre a fonte produtora de calor é um combustível, podendo ser aproveitados calores residuais de processos industriais, escapes de motores Diesel ou de turbinas a gás, dando ao equipamento a denominação de caldeira de recuperação.

Em resumo: um gerador de vapor é um vaso de pressão onde a água é alimentada, continuamente e pela aplicação de uma fonte de calor, ela se transforma em vapor; esta mudança de estado é proporcionada pelo efeito direto do calor e inverso da pressão. Quanto maior for a pressão, mais elevada será a temperatura de vaporização da água e mais energia o vapor transportará pelas moléculas de água que o constitui. Ao se condensar, a mesma energia que as moléculas absorveram para passar para fase vapor é liberada para o meio, resultando aí na transferência de energia na forma de calor.

que um líquido entre em ebulição: •Aumentar a temperatura, portanto aumentando a pressão de vapor: quando a pressão de vapor do liquido atingir a pressão ambiente = ebulição; •Diminuir a pressão reinante sobre a superfície do líquido: quando essa pressão atingir a pressão de vapor do liquido = ebulição

Sistema @ 1atm

Ao se iniciar a produção de vapor, primeiramente todo calor cedido à água serve para aumentar a sua temperatura (calor sensível). Na temperatura de saturação inicia-se a produção de vapor, e toda energia fornecida à água é usada para a mudança de fase (calor latente) que acontece @ pressão e temperatura constantes. Ao vapor obtido chamamos vapor saturado, que pode ser: vapor saturado úmido: que ainda contém gotículas d’água, ou seja um sistema bifásico líquido + vapor, onde as quantidade relativas de vapor e líquido são expressas pelo título (x) e pela umidade (y); vapor saturado seco: que não contém nenhuma umidade ( x=1 e y=0).

O título consegue definir totalmente o estado em que o vapor se encontra, mesmo durante uma mudança de fase, e o gráfico a seguir ilustra bem este comportamento

 x =

mg m g + m f 

=

mg mt 

Se acrescentarmos mais energia a esse vapor ele terá sua temperatura aumentada (calor sensível) e teremos, então, vapor superaquecido, em um determinado grau de superaquecimento ; por exemplo, se ao vapor 2 e 100ºC for cedido calor de modo a aumentar saturado seco @ 1,03kg /cm f sua temperatura para 140ºC, o grau de superaquecimento resultante é de 40ºC. Existem basicamente dois tipos de vapor: • Vapor saturado: é um vapor “úmido”, contendo pequenas gotículas de água,

sendo obtido da vaporização direta da mesma; quando este tipo de vapor se condensa, cede calor latente, e é usado para aquecimento direto ou indireto. vapor saturado, resultando em um vapor seco. É usado para transferência de energia cinética, ou seja, para geração de trabalho mecânico (turbinas).

Para as aplicações de engenharia utiliza-se diagramas e tabelas para a estimativa das propriedades termodinâmicas das fase líquida e vapor, tais como título (X), entalpia (H) e entropia (S) além de p, V e T; desses diagramas o mais importante é o de Mollier por ser o mais completo e não só apresentar as propriedades termodinâmicas como também auxiliar na visualização dos processos pelo quais uma substância pode passar.

Algo tem que mudar continue como antes. (Lampadosa)

Caldeiras Introdução. A água ferve normalmente a 100º C, ao nível do mar e num recipiente aberto. Qualquer que seja o tempo que a água demore para ferver nessas condições, a temperatura continuará a mesma. Se você mantiver alta a chama de gás, depois que a água já estiver fervendo, estará apenas desperdiçando gás. O que estiver dentro da água levará o mesmo tempo para cozinhar. O excesso de calor produzirá apenas a evaporação mais rápida da água. É possível, entretanto, tornar a água mais quente que 100ºC, aumentando a pressão. são equipamentos destinados a produzir e acumular vapor sob pressão superior à atmosférica, utilizando qualquer fonte de energia, excetuando-se os referverdores e equipamentos similares utilizados em unidades de processo Caldeiras (geradores de vapor) 

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.

× queima de óleo, gás e mista; × Baixo nível de emissões devido à otimização do queimador com a fornalha; × Rendimentos superiores a 90%; × Economizador e préaquecedor de ar; × Caldeira de fácil manutenção; × Caldeira fornecida como unidade compacta e completa, facilitando a instalação; ×Superaquecedor.

Uma caldeira é composta de dois sistemas básicos separados. Um é o sistema vapor-água, também chamado de ‘lado de água da caldeira’ e o outro é o sistema combustível – ar - gás da combustão, também chamado de 'lado de fogo da caldeira'. A entrada do sistema vapor-água ou lado de água da caldeira é a água; esta água que recebe o calor através de uma barreira de metal sólido é aquecida, convertida em vapor, e deixa o sistema na forma de vapor.

As entra entradas das do sistem sistemaa combu combustívelstível-ar-gás ar-gás da combu combustão stão ou lado de fogo da caldeira são o combustível e o ar de combustão necessário à queima deste combustível. Neste sistema, sistema, o combu combustível stível e o ar de combustão são completa e cuidad adoosame mennte misturad adoos, sendo em seguid seguidaa queim queimados ados na câma câ mara ra de co comb mbus ustã tão, o, on onde de a em energia térmica, ou seja, calo ca lor; r; es este te ca calo lorr é tr tran ansf sfer erid idoo para o sistema vapor-água, para geração de vapor.

Caldeira flamotubular

Caldeira aquatubular

Classificação das caldeiras: As caldeiras podem ser classificadas de acordo com: 1. a pressão de trabalho segundo a NR-13 Θ categoria A: caldeira cuja pressão de operação é superior a 1960 kPa (19, 98kgf/cm2); cate tego gori riaa C: ca cald ldei eira rass co com m pr pres essã sãoo de op oper eraç ação ão ig igua uall ou Θ ca inferior a 588 kPa (5,99kgf/cm2) e volume interno igual ou inferior a 100 litros; Θ categoria B: caldeiras que não se enquadram nas categorias an er or ores es.. segundo a prática industrial:

2. o fluido que passa pelos tubos:  @ caldeiras flamotubulares  @ caldeiras aquotubulares  3. o grau de automação:  ∞ caldeiras manuais; ∞ caldeiras semi-automáticas; ∞ caldeiras automáticas. 4. a fonte de energia:

caldeiras elétricas; ¤ caldeiras com câmara de combustão; ¤ caldeiras de fluido térmico ¤ caldeiras de recuperação. 5. a movimentação da água nos tubos:  caldeiras de circulação natural  caldeiras de circulação forçada 6. a pressão da câmara de combustão: Ω caldeiras de pressão positiva; Ω caldeiras de pressão negativa 7. a tiragem: € caldeiras de tiragem natural € caldeiras de tiragem induzida € caldeiras de tiragem balanceada. ¤

8. o tipo de combustível : ¤ caldeiras a combustível sólido; ¤ caldeiras a combustível liquido; ¤ caldeiras a combustível gasoso. O quadro a seguir apresenta uma distribuição das caldeiras levando em conta suas capacidades e pressões:

Caldeiras Elétricas A caldeira elétrica é um equipamento que transforma energia elétrica em energia térmica, transmitindo-a para um fluido apropriado (geralmente água) e transformando-o em vapor. A produção do vapor em uma caldeira elétrica baseia-se em um princípio pelo qual a corrente elétrica, ao atravessar qualquer condutor, encontra res s nc a sua vre c rcu aç o e espren e ca or e e o ou e . A caldeira elétrica é diferente das outras caldeiras porque não queima combustível para a produção do vapor. Por isso, ela não possui fornalha, ventiladores, queimadores e chaminé. As principais características das caldeiras elétricas são: · não necessita de área para estocagem de combustível; · ausência total de poluição (não há emissão de gases); · baixo nível de ruído; · modulação da produção de vapor de forma rápida e precisa; · alto rendimento térmico (aproximadamente 98%); · melhora do Fator de Potência e Fator de Carga; · área reduzida para instalação da caldeira; · necessidade de aterramento da caldeira de forma rigorosa; · tratamento de água rigoroso.

Os tipos fundamentais de caldeiras elétricas são: 1. com resistência  – é destinada, geralmente, à produção de vapor em pequenas quantidades; na maioria das vezes é do tipo horizontal, utilizando resistências de imersão, e é composta por um vaso horizontal cujas extremidades são formadas por tampos abaulados, contendo, internamente, um conjunto de resistências submersas controladas por pressostatos.

2. com eletrodos submersos -  é geralmente destinada a trabalhar com

pressões de vapor não muito elevadas (aproximadamente 15kgf/cm²); possui um elemento denominado câmara de vapor no qual ficam instalados os eletrodos e o controle de pressão é feito com a variação de nível de água na câmara de vapor, controlada por uma válvula controladora de pressão (PCV). Existe também um conjunto de bombas de circulação que coleta água na parte inferior da caldeira e alimenta esta câmara.

3. caldeira elétrica tipo jato de água (cascata) - é usada para aplicações de maior produção de vapor; possui um elemento denominado corpo da cascata, que tem como função criar jatos de água que incidem sobre os eletrodos e destes aos contra-eletrodos, e uma bomba de circulação que coleta água no fundo da caldeira e alimenta o corpo da cascata, sendo o controle de pressão é feito pelo volume de água introduzido no corpo da cascata.

. 2. eletrodo 3. contra-eletrodo 4. corpo da cascata 5. bomba de circulação 6. bomba de alimentação 7. válvula de controle de produção

. alimentação 9. saída de vapor 10. válvula respiro (vent) 11. válvula de segurança 12. controle de nível de água 13. descarga de fundo

Caldeiras flamotubulares São equipamentos derivados das caldeiras antigas, onde o fogo e os gases quentes da combustão circulam no interior dos tubos e a água a ser vaporizada circula pelo lado de fora. Ambos são contidos por uma carcaça cilíndrica denominada casco. Os tubos podem ser verticais ou horizontais, dependendo do modelo. s amos o acos uma os a ra a ar com ca e ras para us nas e geração de energia elétrica, na sua maioria de médio ou grande porte e com elevadas capacidades de geração de vapor, e conseqüentemente do tipo aquotubular, que consideramos as caldeiras flamotubulares como verdadeiras “caldeirinhas”. Entretanto, é importante que saibamos que a grande maioria das caldeiras distribuídas por todo o mundo são caldeiras de pequeno porte, do tipo flamotubular e estas, apesar de parecerem tão inofensivas são os equipamentos de geração de vapor que mais tem causado acidentes com vítimas

representação esquemática de uma caldeira flamotubular

caldeiras verticais

caldeiras verticais

caldeiras horizontais

queimador

tubulão

saída de gases para chaminé

câmara de retorno

Representação de uma caldeira flamotubular

Nas caldeiras flamotubulares os gases resultantes da queima do combustível, circulam nas partes internas dos tubos de troca de calor, os quais estão circundados com a água que queremos transformar em vapor. Como estes tubos estão totalmente cobertos externamente pela água, a transferência de calor ocorre em toda a área da superfície tubular. A superfície de troca de calor das caldeiras é dimensionada em função da capacidade da geração de vapor que se deseja obter; para que a troca se torne mais eficiente, dá-se preferência a aplicação de um elevado número de tubos de diâmetro relativamente pequeno ao invés do uso de uma pequena quantidade de tubos de grande diâmetro. Estes tubos são osicionados em feixes verticais ou horizontais sendo estes últimos são mais freqüentes. São utilizadas apenas para a produção de vapor saturado pois a troca de calor é feita sempre entre o tubo com gás quente na parte interna envolvido completamente com água na forma líquida. Assim, não há troca de calor adicional entre os gases e o vapor já gerado, exceto em caldeiras de queima combinada na qual uma câmara de queima adicional é instalada para gerar gases para aquecimento do vapor, tornando-o superaquecido.

Em sua grande maioria possuem capacidade de geração de vapor reduzida (cerca de 5 toneladas por hora) e pressões inferiores a 20 kg/cm2; modernamente podemos encontrar caldeiras deste tipo com capacidade superiores atingindo cerca de 30 toneladas de vapor por hora. As principais vantagens deste tipo de caldeiras são: Tamanho compacto permitindo seu fácil transporte desde a fábrica até o local de uso e futuras relocações. Melhor eficiência na troca de calor por área de troca térmica. Maior flexibilidade para variações bruscas de consumo de vapor. Operação simples com reduzido número de instrumentos de supervisão e de controle. , de tubos.

Desvantagens: possuem limitada capacidade de geração de vapor, e só produzem vapor saturado. o que as torna próprias apenas para a geração de vapor de aquecimento o que muitas vezes não interessa as industrias de grande porte que requerem vapor para acionamento de máquinas de processo como bombas, turbinas, ejetores, etc.

As caldeiras flamotubulares apresentam as seguintes partes principais: • corpo da caldeira (casco ou carcaça) - é construído a partir de chapas de aço carbono calandradas e soldadas; o diâmetro e comprimento estão relacionados à capacidade de produção de vapor, e limitam as pressões de trabalho (normalmente máximo de 20 kgf/cm²) pelo diâmetro do corpo destas caldeiras. • espelhos - chapas planas cortadas em forma circular, de modo que encaixem nas duas extremidades do corpo da caldeira e são fixadas através de soldagem; são perfuradas de modo a permitir a passagem dos tubos do feixe, que são fixados por meio de mandrilamento ou soldagem. • feixe tubular, ou tubos de fogo - composto de tubos que são responsáveis pela absorção do calor para o aquecimento da água; ligam o espelho frontal com o posterior, podendo ser de um,dois ou três passes. • câmara de retorno - local por onde os gases da combustão fazem a reversão do seu trajeto, passando novamente pelo interior da caldeira (pelos tubos de fogo).

Caldeiras aquatubulares As caldeiras flamotubulares têm o inconveniente de apresentar uma superfície de aquecimento muito pequena, mesmo se o número de tubos for aumentado. A necessidade de caldeiras de maior rendimento, rapidez de geração de levou ao surgimento da caldeira aquatubular; existem modelos com produção de vapor superiores a 200 t/ h e pressão de operação da ordem de 300 Kgf/ cm2 (caldeiras supercríticas). Nesse tipo de caldeira, os tubos que, nas caldeiras flamotubulares, conduziam gases aquecidos, passaram a conduzir a água, o que aumentou muito a superfície de aquecimento, aumentando bastante a capacidade de produção de vapor. Nas caldeiras aquatubulares a água a ser vaporizada circula no interior dos tubos de troca térmica, enquanto o calor proveniente da queima do combustível circula na parte externa. As caldeiras de grande porte que operam em altas e médias pressões são todas aquatubulares.

Dada a maior complexidade construtiva em relação às caldeiras flamotubulares, as aquatubulares são preferidas somente para maiores capacidades de produção de vapor e pressão, exatamente onde o custo de fabricação do outro tipo começa a aumentar desproporcionadamente.

As caldeiras aquatubulares tem a produção de vapor dentro de tubos que interligam dois reservatórios cilíndricos horizontais:

o tubulão superior, onde se dá a separação da fase líquida e do vapor; o tubulão inferior, onde é feita a decantação e purga dos sólidos em suspensão.

A circulação de água entre o tubulão superior e inferior pode ser por:

convecção natural: quando a diferença de densidade faz com que a água circule entre os tubulões; circulação assistida: quando se utiliza uma bomba para circular o líquido entre os tubulões.

Os tubos podem ser retos ou curvados; as primeiras caldeiras , abandonada, apesar de algumas vantagens, como a facilidade de limpeza interna dos tubos. A caldeira de tubos curvados, interligando os balões, proporcionam arranjo e projeto de câmaras de combustão completamente fechada por paredes de água, com capacidades praticamente ilimitadas. Em caldeiras de circulação forçada, bombas de circulação são colocadas no circuito do tubo de descida do tambor para assegurar esta circulação da água através das paredes d’água; orifícios instalados na entrada de cada circuito de água, mantém um fluxo proporcional de água através do circuito.

A bomba de circulação da caldeira succiona de um coletor, o qual é suprido pelos tubos de descida de água do tambor (em geral em número de quatro). Pela linha de descarga da bomba, a água entra no coletor traseiro e frontal das paredes d’água; no coletor de entrada dos tubos da parede d’água, a água da caldeira passa através de filtros e em seguida através de orifícios suprindo os tubos das paredes da fornalha, a linha de recirculação do economizador e os elementos espaçadores resfriados a água. A á ua sobe elos tubos da fornalha, absorvendo calor. A mistura de á ua e vapor resultante é coletada por coletores de saída e descarregada no tambor de vapor através de tubos de alívio. No tambor de vapor, este e a água são separados; a água da caldeira se mistura com a água de alimentação vinda do economizador e flui através dos tubos de descida para o coletor de sucção da bomba de circulação da caldeira, reiniciando o fluxo.

Em caldeiras de circulação natural, ou seja, por convecção, a água e o vapor fluem em um número relativamente grande de circuitos tubulares ( tubos de descida e tubos da parede d’água), externamente. A circulação positiva é altamente importante no sucesso da operação da caldeira.

caldeira de circulação natural

Em relação ao modo de transferência de calor no interior de caldeira existem normalmente duas secções: - a secção de radiação, onde a troca de calor se dá por radiação direta da chama aos tubos de água, os quais geralmente delimitam a câmara de combustão; - a secção de convecção, onde a troca de calor se dá por convecção forçada, dos gases quentes que saíram da câmara de combustão atravessando um banco de tubos de água.

Não há limite físico para capacidades; encontram-se hoje caldeiras que produzem até 750 t/h de vapor com pressões até 3450 psi. Devido a sua alta flexibilidade, estas caldeiras foram gradualmente recebendo inovações visando elevar seu rendimento e confiabilidade. Uma destas inovações mais importante foi a instalação de uma seção tubular para passagem do vapor após sua saída da zona de evaporação, permitindo a elevação de sua temperatura acima da de saturação, ou seja o seu superaquecimento.

Encontramos nestas caldeiras, geralmente, os seguintes componentes: • Parede d'água - constam de vários tubos dispostos verticalmente, um ao lado do outro, circundando lateralmente toda a fornalha e, pelos quais a água absorvendo o calor, transforma-se em vapor, resultando então uma mistura de água e vapor que, em caldeiras de circulação natural, faz com que o vapor, de menor densidade que a coluna proveniente do(s) tubo(s) de descida, suba e alcance o tambor, o que, em caldeiras de circulação forçada, é conseguido através de bombas de circulação, as quais promovem este mesmo deslocamento. As paredes d’água representam apenas 9% da superfície total de , absorção total de calor; esta alta eficiência em calor absorvido por unidade de área resulta da sua exposição ao calor radiante na zona de mais alta temperatura. Em algumas caldeiras as paredes d’água são membranadas, nas quais os tubos são aletados e/ou soldados uns aos outros, formando uma parede estanque. Os tubos aletados absorvem maior quantidade de calor e garantem a estanqueidade o que possibilita a operação em pressão positiva na região de queima. Esta é uma grande vantagem, pois evita a perda de calor e a passagem de gases tóxicos para o ambiente externo e a penetração de ar frio caso a pressão interna fique menor que a atmosfera.

Paredes de água: • totalmente integrais: quando

um tubo esta encostado no outro formando uma parede impermeável aos gases; • tubos aletados: quando há aletas soldadas nos tubos, interligando um tubo ao outro; • tubos espaçados e parede refratária: o calor que não atinge diretamente o tubo é reirradiado pelo revestimento refratário.

• Tubulões - a função dos tubulões é separar a água do vapor gerado nas paredes da fornalha (tubos das paredes d’água) e controlar a quantidade de sólidos dissolvidos na água da caldeira para um valor abaixo do limite estabelecido para controle químico do processo. A mistura de água e vapor gerada na parede d’água entra no tubulão superior pelos tubos de alívio das paredes d’água , desce varrendo ao longo de ambos os lados do tambor, através de estreitos espaços formados por chicanas em toda a sua extensão e concêntricas com a sua carcaça. Este arranjo de chicanas, exerce adequada velocidade e uniforme transferência de calor, mantendo toda a superfície do tambor a uma temperatura constante. a parte ma s a xa as c canas, a gua forçada a entrar através de duas fileiras de turbo - separadores. Considerando-se que a outra função do tambor é controlar a quantidade de sólidos dissolvidos, geralmente em caldeiras de alta pressão, é utilizado um processo para drenagem lenta da água do tambor, eliminando-se assim ou reduzindo-os para valores abaixo dos limites estabelecidos Tubulão superior - ou tambor de vapor é o elemento da caldeira onde é injetada a água de alimentação e de onde é retirado o vapor; no seu interior estão dispostos vários componentes, conforme mostra a figura a seguir.

1. Área dos tubos de descida da água do feixe tubular (downcomers). 2. Área de tubos vaporizantes (riser), que descarregam a mistura de vapor e água contra a chicana. Esta forma uma caixa fechada no fundo e dos lados, com abertura na parte superior, que projeta o vapor e a água contra a chicana 8. 3. Área dos tubos do superaquecedor, mandrilados no tambor. 4. Filtro de tela ou chevron. 5. Tubo de drenagem da água retirada no filtro. 6. Tubo distribuidor da água de furos. 7. Tubo coletor de amostras de água e da descarga contínua. 8. Chicana.

Os tubos são mandrilados nos tubulões e se dividem em tubos de descida d’água e tubos de geração de vapor, que descarregam a mistura água/vapor no tubulão. Na descarga dos tubos de geração de vapor é instalada uma chicana (chapa defletora) que é uma caixa fechada no fundo e nos lados, destinada a separar a água contida no tubulão e amenizar as variações do nível de água, ocorridas no tubulão de vapor.

• Tubulão inferior - ou tambor de lama, também é construído em chapas de aço carbono; nele, estão mandrilados tanto os tubos de água que descem do tubulão superior quanto os tubos de vaporização que sobem para o tubulão superior. Também, nele,estão, estão instaladas tomadas para purga ou descarga de fundo, utilizadas para remover parte da lama e resíduos sólidos originários do processo e que podem causar corrosão, obstrução e superaquecimento. A qualidade do tratamento de água de alimentação da caldeira e os tratamentos e análises do processo determinam a periodicidade das descargas a serem efetuadas. Normalmente em caldeiras de grande porte, existe uma válvula para esta finalidade, que é denominada válvula de purga contínua do tambor, que dependendo da quantidade de sólidos dissolvidos pode ser totalmente ou parcialmente aberta. Outro processo que pode ser utilizado é a injeção de produtos químicos com a finalidade de precipitar os sólidos dissolvidos e posteriormente drenados do circuito d’água da caldeira, por válvulas de drenagem de fundo.

Mesmo as águas desmineralizadas usadas para alimentar caldeiras apresentam sílica em duas formas (a solúvel - detectada por métodos normais de análise - e a coloidal - não detectada) e outros contaminantes presentes em pequenas concentrações nestas águas, tendem a aumentar gradativamente na caldeira. Esses valores de sílica, fosfato e outros sólidos dissolvidos, devem ser mantidos em valores não prejudiciais à pureza do vapor, através da abertura da válvula de purga contínua ou descarga contínua do tubulão.

• Feixe tubular (Boilers Convection Bank) - é um conjunto de tubos que faz a ligação entre os tubulões da caldeira, pelo interior destes tubos circulam água e vapor: os tubos que servem para conduzir água do tubulão superior para o inferior são chamados “downcomers”, ou tubos de descida, e os tubos que fazem o sentido inverso (mistura de água e vapor) são conhecidos por “risers” ou tubos vaporizantes.

Feixe tubular com fluxo axial Feixe tubular reto

Feixe tubular com fluxo cruzado

• Fornalha - é a região da caldeira em que se desenvolve a combustão e

a maior parte do calor é transferido, e, também, onde ocorrem as maiores taxas de absorção de calor e as maiores temperaturas. As fornalhas devem atender aos seguintes requisitos: • ter um volume capaz de garantir que toda a queima se efetuará no seu interior; • o posicionamento dos queimadores e das superfícies de transferência de calor deve tal que não haja contato entre a chama e os tubos; • a superfície dos tubos para absorção do calor gerado deve suficiente para que não ocorra vaporização nos tubos de subida.

A fornalha, também chamada de câmara de combustão, e o local onde se processa a queima de combustível, e, de acordo com o tipo de • Fornalhas para queima de combustível solido (lenha, carvão, sobras de produtos, casca de cacau, bagaço de cana,casca de castanha, etc.); • Fornalha com grelhas basculantes (queima de bagaço como combustível sólido); • Fornalha com grelha rotativa (queima de combustível sólido); • Fornalhas para queima de combustível em suspensão (queimam óleo, gás ou combustíveis sólidos pulverizados).

As fornalhas podem ser classificadas em três tipos principais:

• fornalha de queima frontal - os queimadores são horizontais, montados paralelamente em uma das paredes da fornalha. • fornalha de queima tangencial - os queimadores são horizontais, montados nas arestas verticais da fornalha, com suas linhas de centro tangenciando um circulo no meio da fornalha. • fornalha de queima vertical - neste caso os queimadores são verticais, montados no teto da fornalha. A vantagem deste tipo é proporcionar um longo percurso da chama, o que facilita a queima de combustíveis mais pesados.

Queimadores - são peças destinadas a promover, de forma adequada e eficiente, a queima dos combustíveis em suspensão; em volta do queimador, existe um refratário de formato cônico que tem, entre outras, as seguintes finalidades: · Auxiliar na homogeneização da mistura ar/ combustível, graças ao seu formato; · Aumentar a eficiência da queima, graças a sua característica de irradiar o calor absorvido; · Atomizar o combustível líquido, ou seja, transformá-lo em pequenas gotículas (semelhante a uma nevoa); · Gaseificar as gotículas através da absorção do calor ambiente (câmara de combustão); · Misturar o combustível com o oxigênio do ar; · Direcionar a mistura nebulizada na câmara de combustão.

• Superaquecedores - partindo do princípio que uma caldeira transforma água em vapor pela aplicação de calor, é fácil concluirmos que a área total da superfície de aquecimento e a maneira como esta é arranjada, afeta a sua eficiência e capacidade;são superfícies trocadoras de calor com a finalidade de elevar a temperatura do vapor produzido no tubulão a um valor superior ao valor de saturação.

O superaquecimento do vapor tem duas finalidades fundamentais:

♣ Aumentar o ganho termodinâmico da turbina, na qual o vapor irá se expandir. ♣ Tornar o vapor o mais isento de umidade possível, entretanto possíveis

condensações no interior da turbina devido à queda de pressão e temperatura. (em condições normais, recomenda-se um superaquecimento mínimo de 55 ºC no vapor na entra a a tur na .

O superaquecedor recebe o vapor saturado proveniente do tubulão da caldeira e o superaquece aproveitando a alta temperatura dos gases que os atravessam, por estarem localizados logo acima da fornalha. O superaquecedor representa 9% da superfície total de aquecimento mas é responsável por apenas 16% do total do calor absorvido; esta diferença em relação à fornalha deve-se ao fato de que a troca de calor é mais acentuadamente por convecção do que por radiação. O fluxo de vapor, no superaquecedor, deve ser suficientemente intenso, de forma a permitir a absorção de calor do tubo, evitando sua deformação por alta temperatura.

• Economizador - é um trocador de calor tubular instalado na região de passagem dos gases de uma caldeira com a finalidade de propiciar o aproveitamento de energia térmica contida nesses gases, transferindo-a para a água de alimentação que está sendo introduzida no tambor. Normalmente esta localizado na parte alta da caldeira entre o tambor de vapor e os tubos geradores de vapor, e os gases são obrigados a circular através dele, antes de saírem pela chaminé.

Pré-aquecedor de ar - tem por finalidade aquecer, com o calor cedido pelos gases residuais quentes ou pelo vapor da própria caldeira, o ar que será alimentado na fornalha, de modo a conseguir um aumento na temperatura do fogo e melhorar a transferência de calor por radiação; com isto também se consegue aumento na eficiência do equipamento e economia de combustível (pelo aumento da temperatura de equilíbrio na câmara de combustão). De acordo com o principio de funcionamento, os pré-aquecedores de ar podem se classificar em: pré-aquecedor regenerativo e pré-aquecedor tipo colméia. •

• sopradores de fuligem - as cinzas mais pesadas (óleo combustível tem

0,5% a 1% de cinzas que são componentes minerais) caem no fundo da fornalha para serem removidas durante as paradas da caldeira para revisão, porém, uma certa quantidade fica depositada nas paredes dos tubos; além disso, parte do carbono não queimado deposita-se nas paredes dos tubos sob a forma de fuligem ou negro de fumo, reduzindo a transferência de calor para os tubos da parede d’água provoca uma queda na produção de vapor, tornando-se necessário aumentar o fornecimento de combustível e ar. Se somente os tubos da fornalha estiverem sujos, maior quantidade de combustível e ar resultará num maior fluxo de gases passando pelo , vapor superaquecido e reaquecido; se os tubos do superaquecedor ficam sujos, o efeito é o abaixamento da temperatura do vapor superaquecido. Estando sujos os tubos da fornalha e também do superaquecedor, o resultado será a saída dos gases com alta temperatura, traduzindo uma perda de rendimento da caldeira.

Os sopradores de fuligem são equipamentos destinados a limpar as paredes externas dos tubos. Tais equipamentos utilizam como fluido de limpeza vapor ou ar que é direcionado diretamente sobre as superfícies dos tubos. O posicionamento e a quantidade de sopradores de fuligem varia de acordo com o tipo de caldeira e do combustível utilizado; a fuligem removida entra no fluxo dos gases e sai pela chaminé, e para que esta, ao ser soprada, não se deposite em outras superfícies já limpas, operam-se os sopradores em seqüência conforme a orientação do fluxo dos gases. Algumas

precauções

sopradores: ∞não

a

ser

deixar o jato de vapor bater num ponto só dos tubos.; ∞ não deixar o soprador dentro da caldeira sem fluxo de vapor; ∞ drenar adequadamente o sistema, antes de iniciar a operação dos sopradores e durante a mesma; ∞ aumentar a tiragem quando os sopradores estiverem em operação.

Combustão e combustíveis A combustão pode ser definida como uma reação química exotérmica rápida entre duas substancia: um combustível e um comburente. reações exotérmicas são aquelas que liberam energia térmica; combustível é a substância que queima, que se oxida, tendo em sua composição, carbono e hidrogênio, principalmente; comburente é o componente da reação que fornece oxigênio .

Em geral, e usado o ar atmosférico que apesar de apresentar um teor baixo de oxigênio (21% de oxigênio e 79% de nitrogênio), tem a grande vantagem de não ter custo de fornecimento.

Os produtos da combustão são essencialmente gasosos, contudo os componentes do combustível que não se oxidam ou já estão oxidados vão constituir as cinzas. Reação de combustão - o conhecimento básico das reações de combustão permite estimar o vazão de ar teórico e as condições reais de sistemas combustíveis.

A combustão completa ocorre quando todos os elementos do combustível se combinam com o oxigênio; a proporção exata de ar e combustível para uma combustão completa é conhecida como razão ar/combustível estequiométrica, e é característica de cada combustível. Exemplo 1: Determinar a razão estequiométrica de ar/ combustível para o propano (C 3H8). Solução: Ar atmosférico: O2 + 3,76N2 Reação de combustão: C 3H8 + x. (O2+3,76N2)→ 3CO2 + 4H2O+yN2 (O balanceamento de equações químicas é feito levando-se em conta a conservação da massa dos elementos químicos, ou seja, para um determinado elemento, o número de átomos rodutos é o mesmo nos rea entes. Para o oxigênio, teremos: Para o nitrogênio, teremos: Isto significa que para cada volume (cada mol) de propano são necessários 5 volumes de oxigênio e, conseqüentemente: Vamos converter para massa de ar/ combustível: Peso atômico do carbono = 12 Peso atômico do hidrogênio =1 Peso atômico do oxigênio =16 Peso atômico do nitrogênio =14 Peso atômico do propano = (12*3)+(1*8) = 44

1 mol de propano pesa 44 kg e 5necessita de 23,8 mols de ar, que pesa 686,4 kg = (5*32)+(18,8* 28), ou seja, a razão ar/combustível é: 686,4kg ar  44kg comb

= 15,6

kg ar  kg comb

Exemplo 2: Determinar a razão estequiométrica de ar/ combustível para o combustível com a seguinte composição centesimal (%p/p): C H O N S 72,0 14,0 8,0 2,8 3 ,2 Para 100kg de combustível teremos: C

H

O

N

S

Massa total (kg)

72,0

14,0

8,0

2,8

3,2

Massa molecular (kg/kmol)

12

1

16

14

32

Moles totais (kmol)

6

14

0,5

0,2

0,1

Reação de combustão: 6C+4H+0,5O+0,2N+0,1S+ 6C+4H+0,5O+0,2N+0,1S+ x. (O2+3,76N2) →6CO2 +7H2O + 0,1SO2 + yN2

Fazendo o balanço para o oxigênio temos: Do balanço de nitrogênio vem:

Massa de ar requerida para a combustão completa: Razão estequiométrica ar/combustível:

Excesso de ar - como a reação de combustão deve ocorrer de forma rápida e tod odoo o com ombbus usttív ível el se ox oxid ide, e, é ne nece cesssá sárrio co colo loca carr se sem mpr pree al algu gum m ar em excesso, senão aparecerá combustível sem queimar, com evidentes implicações econômicas e ambientais. De outro lado, o excesso de ar para combustão deve ser sempre o menor possível, possí vel, pois o ar ar,, alem de oxigên oxigênio, io, sempre traz consi consigo go uma mass massaa eleva elevada da de nitrogênio, gás inerte e que arrasta para a chaminé parte do calor gerado na reação, resultando em uma perda de desempenho da utilização do calor do combustão. Ou seja, se a correta proporção entre o ar e o combustível não for mantida, have ha verá rá in insu sufifici ciên ênci ciaa ou ex exce cess ssoo de ar ar,, al alem em do mí míni nimo mo re reco come mend ndáv ável el e, conseqüentemente, perda de eficiência no processo.

Teor de CO2 no gás de exaustão: a medida do teor de CO 2 no gás de exaustão seco da uma medida útil do rendimento da combustão de um determinado combustível; a proporção máxima de CO 2 nos produtos de combustão será encontrada quando a razão ar/combustível for estequiométrica. Combustíveis – para utilização em geração de energia e aquecimento industrial devem apresentar características importantes tais como: · Baixo custo por conteúdo energético

· Possibilidade de utilização dentro dentro de tecnologia disponível ·

Os combustíveis podem ser classificados quanto a sua forma física: Sólidos : lenha, carvão mineral, bagaço de cana, casca de arroz; Liquido: óleo diesel, óleo combustível, álcool; Gasoso : gás natural, GLP, biogás

Poder calorífic Poder caloríficoo - é a qua quantid ntidade ade de energia energia libera liberada da na combust combustão ão por unidade de massa de combustível.

Composição dos combustíveis - os combustíveis industriais apresentam em sua composição alguns dos seguintes elementos ou compostos.

carbono e hidrogênio são os elementos que mais contribuem para o poder calorífico dos combustíveis; oxigênio - geralmente presente em combustíveis vegetais, sendo que sua presença diminui o poder calorífico do combustível, bem como as exigências teóricas de ar de combustão; enxo en xofre fre - em embo bora ra se seja ja ta tamb mbém ém um co comb mbus ustí tíve vel,l, es este te tr traz az co cons nseq eqüê üênc ncia iass prejudiciais ao meio ambiente e a equipamentos (menor PC, sua combustão leva a produtos ácidos e/ou tóxicos); nitrogênio - é responsável pela formação de diversos óxidos, N 2O, NO e NO2 água - é normalmente encontrada em todos os combustíveis, principalmente nos sólidos, na forma de umidade (diminui o PC do combustível, e forma compostos corrosivos com compostos nitrogenado nitrogenadoss e sulfurados); vanádio - forma um oxido: V 2O3 , que e catalisador da reação de formação do ácido sulfúrico, agravando as conseqüências de corrosão em combustíveis que contenham enxofre; sais minerais - compostos de Al 2O3, Fe2O3, CaO, MgO e SiO 2, formam as cinzas nos combustíveis sólidos; níquel,sódio, potássio,manganês potássio,manganês – também aparecem como contaminantes

Instrumentos e dispositivos de controle de caldeiras Toda caldeira deve possuir dispositivos de segurança para proteger o pessoal e os equipamentos de possíveis falhas que ocorram durante seu funcionamento. Um dispositivo de segurança pode se apresentar de diversas formas, como , , mesmo um desarme de toda a caldeira, parando de forma imediata a geração de vapor. Tod odos os os di disp spos osit itiv ivos os de se segu gura ranç nça a de um uma a ca cald ldei eira ra de deve vem m es esta tarr em  serviço durante a operação, sendo que sua retirada de operação só poderá  ser autoriz izad ada a após min inu ucioso estu tud do dos riscos envolvidos e da  colo co loca caçã ção o em pr prát átic ica a de té técn cnic icas as qu que e su subs bstit titua uam m te temp mpor orar ariam iamen ente te a  proteção desativada.

1. Dispositivos de água de alimentação. injetores  – utilizam o próprio vapor da caldeira como meio de impulsão da água;

são usados em instalações pequenas ou como alimentador de emergência em grandes instalações.

bombas de alimentação  – podem ser de dois tipos: alternativas   permitem acionadores de diferentes fontes de energia, mas têm a

vazão limitada em 50t/h. centrífugas   são bombas de alta pressão, múltiplos estágios recalcando de um tanque com pressão positiva; recirculam em caso de vazão baixa e descarregam em coletor com pressão maior que a do tubulão de vapor.

2. Visores de nível.

Baseados no princípio dos vasos comunicantes, que permite ao operador observar diretamente o nível de água na caldeira; são redundantes, de modo a permitir a liberação de um deles para manutenção (NR-13). 3. Sistema de controle de nível.

É feito variando a vazão da água de alimentação; existem vários tipos, uns mais simples (sistema de bóia ou sistema de eletrodos) para baixas vazões, ou mais sofisticados (malha de controle de nível) para médias e altas vazões de vapor.

4. Indicadores de pressão (PI).

medem a pressão interna de equipamentos e tubulações; o sistema de alimentação de combustível é controlado pela pressão interna da caldeira – toda caldeira tem uma pressão normal de trabalho e uma PMTP/PMTA – e a NR 13 não permite a operação sem indicação da pressão do vapor para evitar que essas pressões sejam ultrapassadas.

5. Dispositivos de segurança.

ou “fusível tampão, consiste em um parafuso com um orifício central preenchido por uma liga de bpf: quando a temperatura aumenta o material funde provocando escape de vapor com intenso ruído . fusível térmico - 

válvulas de segurança (PSV) –  são aquelas destinadas a

impedir que a pressão ultrapasse ao valor de segurança estabelecido pelo projeto (pela NR 13: igual ou inferior à PMTA/PMTP). São válvulas especiais, cuja função é proteger elementos da caldeira que estão submetidos a pressão de vapor: são calibradas de modo a obedecerem uma determinada seqüência de funcionamento, de tal modo que uma válvula garanta a eliminação da situação de emergência, em caso de falha mecânica ou insuficiência da que operou ou deveria operar em primeiro lugar, e além disto devem ser permanentemente observadas e testadas periodicamente, para que não falhem em demanda. No caso de caldeiras com duas válvulas (com superfície de aquecimento < 47m 2), devem ser instaladas: uma no tubulão e outra na saída de vapor, abrindo numa seqüência inversa à do fluxo de vapor evitando falta de fluxo no superaquecedor, o que causaria danos às tubulações (a norma permite, neste caso, uma sobrepressão de, no máximo 6% da PMTA).

intertravamento – são dispositivos destinados a proteger a caldeira na ocorrência de

alguma anormalidade, atuam normalmente apagando a caldeira, isto é, levando o equipamento para a condição segura (utilizam sensores, relés, solenóides, VFRs*); entre outra as seguintes anormalidades acionam o sistema de intertravamento:

nível baixo; pressão baixa de combustível; baixa vazão de ar de combustão; alta temperatura do vapor na entrada do superaquecedor; falha de chama; parada dos ventiladores. * [VFRs operadas por intertravemento são mantidas abertas ou fechadas, quando determinadas condições são satisfeitas; falhando uma desta condições um sinal elétrico comanda a abertura/fechamento (na falta de energia a válvula vai para a condição segura  – falha se ura .

detectores de chama –  são dispositivos sensibilizados pela emissão luminosa da

chama do queimador: quando esta se apaga o detector desencadeia uma série de operações visando a segurança operacional da caldeira (fechar a válvula de combustível, é amais usual); existem três tipos de detectores:

sensores de luz

sensores IR

sensores UV

(os UVs são mais vantajosos, pois se adaptam a todos os queimadores, são adequados a todos os combustíveis e não sofrem influência de refratários incandescentes) Analisadores –  dispositivos de análise em linha com tempo de resposta curto e

indicação contínua; são exemplos de analisadores: O2 – excesso de ar nos gases de combustão (Orsat); CO – gases de combustão; CO2 – gases de combustão; pH – água da caldeira; condutividade – água da caldeira; sílica – água da caldeira

6. Dispositivos auxiliares. pilotos – destinam-se a acender o queimador principal e

têm dimensões reduzidas; funcionam com gás combustível ou GLP e um ignitor (dois eletrodos onde entre os quais é estabelecida uma ddp de ≈ 10.000V) para produzir a centelha que o acende.

desaeradores  – têm a dupla

função de aquecer a água na gases corrosivos nocivos às partes pressurizadas; o fluxo de vapor em contra corrente com a água, a aquece arrastando consigo os gases voláteis (stripping por vapor).

sistema de óleo –  mantém as condições adequadas ao transporte e queima do

óleo, e é composto por: tanque de óleo   armazena o óleo a ser consumido, e deve ter um sistema de aquecimento a depender do óleo, e neste caso deve-se evitar o arraste de água para o seu interior, bem como manter sua temperatura abaixo de 180ºC (risco de explosão). aquecedores de óleo  o óleo deve ser aquecido para atingir a faixa ideal de viscosidade para a queima. bombas de óleo   mantém o fluxo de óleo para os maçaricos, devem ser mais de uma e ter acionamento diferenciado; com mais de uma caldeira devemos ter um circuito fechado com controle de pressão através de retorno para o tanque.

7. Tubulações e válvulas. tubulações –  em um sistema de geração de vapor temos tubulações para água

de alimentação, combustível, vapor, condensados; algumas linhas devem ser isoladas para evitar a perda de calor para o ambiente, outras exigem o tracejamento (vapor ou elétrico) para garantir o escoamento, em outros casos se fazem necessários purgadores, filtros, mecanismos de expansão (juntas ou curvas), etc. válvulas de bloqueio –  servem para interromper o fluxo em tubulações; em caldeiras as mais usadas são: retenção, globo e gaveta.

válvulas de controle –  servem para controlar a água de

alimentação, a temperatura do vapor, a vazão de combustível, o vapor de atomização, o ar de combustão, etc.; podem ser pneumáticas ou motorizadas e são operadas a partir da sala de controle, e apesar de nem sempre receber a devida atenção, a escolha do elemento final de controle mais adequado é de grande importância para o bom desempenho de uma malha de controle, pois ele é o responsável pela modificação de valores diversos para que a variável sob controle seja mantida no valor desejado.

Purgadores –  dispositivos que eliminam o condensado das linhas de vapor e dos

equipamentos de aquecimento sem deixar escapar o vapor; o seu bom funcionamento evita a ocorrência de martelos hidráulicos e perda de eficiência no ciclo térmico.

Purgador termostático de expansão líquida

Purgador termostático de pressão balanceada

Purgador mecânico de bóia Purgador mecânico de balde invertido Purgador termodinâmico

Filtros –  acessórios destinados a reter quaisquer tipos de impurezas presentes no

vapor; seu uso evita o entupimento de purgadores.

Juntas de expansão –  absorvem total ou parcialmente dilatações térmicas das

tubula ões.

8. Tiragem de fumaça.

Para que haja combustão é necessário que se tenha um fluxo contínuo de ar na fornalha e uma contínua saída de gases na chaminé passando através da zona de convecção; a diferença de pressão entre a fornalha e a chaminé produz a tiragem. A tiragem pode se classificada em: natural –  ocorre devido à diferença de densidade entre o ar “frio” e os gases quentes da combustão; a tiragem natural provoca uma pressão negativa na fornalha. mecânica forçada –  promovida por um ventilador localizado a montante da fornalha, insuflando o ar de combustão; esta tiragem provoca uma pressão positiva na fornalha. mecânica induzida –  promovida por um exaustor colocado a jusante da fornalha, , , provocando uma pressão negativa na fornalha. mecânica balanceada –  a tiragem é realizada por dois ventiladores (a montante e a  jusante da fornalha), o que causa uma pequena depressão na fornalha. Chaminés –  auxiliam o processo de tiragem e ajudam a dispersão de gases e

partículas sólidas nocivos à saúde e ao meio ambiente; podem atender uma ou mais caldeiras.

Ventiladores e exaustores –  são projetados para vencer as perdas de carga no

circuito dos gases e prover a pressão necessária à tiragem.

Operação de caldeiras 1. Partida e parada. Partida da caldeira. Inspeção – consiste basicamente em verificar se:

• mancais, caixas de redução, e válvulas estão limpos e lubrificados; • os n ernos o u u o es o xa os corre amen e, e os u os eso s ru os; • ventiladores e bombas estão livres de detritos (estopas, ferramentas, EPIs, pedaços de madeira, etc.), e em boas condições operacionais; • drenos e vents estão abrindo e fechando adequadamente e aptas a fazer as descargas necessárias; • dampers e controladores de circulação de gases abrem e fecham corretamente e as marcações de aberto/fechado correspondem à realidade; • se o fluxo de água de refrigeração dos mancais de bombas está adequado; • alarmes estão a funcionar quando acionados; • os instrumentos estão conectados e operacionais; • os controles, remotos e locais, estão em boas condições de operação; • as juntas das portinholas estão com boa vedação.

Teste pneumático –  consiste basicamente em detectar vazamentos no circuito

ar-gás de combustão, tanto internos quanto externos; é executado com todos ventiladores ligados e utilizando-se uma espuma qualquer (de sabão, inclusive).

Enchimento –  deve ser feito com água de qualidade o mais próxima possível da

água de alimentação normal; o diferencial de temperatura água-tubulões não deve ser alta para evitar tensões.

Teste hidrostático –  serve para detectar vazamentos no lado água - vapor e

deve ser feito antes da primeira partida, após eventuais reparos e a intervalos especificados pela norma; antes do teste, deve-se bloquear e grampear as PSVs, abrir os vents, encher completamente a caldeira, e, à medida que sair água pelo vents, bloqueá-los. , de alimentação até a pressão de teste, e procede-se o exame detalhado quanto a vazamentos e se o teste for negativo (nenhum vazamento), dá-se inicio ao condicionamento da caldeira para acendimento: drena-se a água das partes não destinadas a contê-la (superaquecedor); removem-se os grampos das PSVs; drena-se o tubulão até o nível normal de operação. Secagem do refratário –  para caldeiras novas ou que tenham passado por

reparos na fornalha, faz-se a secagem de refratários e isolantes, elevando-se, lenta e gradualmente , a temperatura da fornalha, primeiro com ar aquecido e, após, com o equipamento de combustão e os vents devem permanecer abertos; o período de secagem varia e é determinado após exame da unidade.

Cuidados na partida –  para se ter uma partida sem problemas alguns cuidados

devem ser observados: • procurar usar um combustível BTE (gás natural, p. ex.) para evitar a formação de ácidos, caso a temperatura fique abaixo do ponto de orvalho; • regular o nível do tubulão no nível normal de operação, ou um pouco abaixo; • não deixar o superaquecedor sem fluxo para evitar o aquecimento excessivo de sua tubulação (em alguns casos, partir cheios d’água até atingir uma pressão que garanta o fluxo); • adotar um rodízio dos queimadores a fim de garantir um aquecimento lento e uniforme; • seguir rigorosamente o gradiente de pressão estabelecido para a caldeira, através do controle da queima e do fluxo através das válvulas de partida e/ou vents; • ev ar repos ç o e gua enquan o a empera ura o u u o n o or gua ou superior à da alimentação para depressões e tensões térmicas; atingida esta temperatura, pode-se alinhar a LCV para reposição. Teste das PSVs – deve ser efetuado antes de colocar a caldeira em linha, para se garantir suas aberturas às pressões determinadas; como, geralmente a PSV do superaquecedor é regulada para abrir antes da válvula do tubulão (para manter fluxo contínuo e evitar danos), é preciso grampear aquela para que a PSV do tubulão possa ser testada.

Colocação da caldeira em linha – 

• se existir outra caldeira operando, os coletores de saída da caldeira devem ser previamente drenados e aquecidos; • o acendimento dos queimadores que irão operar deverá ser providenciado; • abrir a válvula de saída da caldeira (se motorizada), ao mesmo tempo que se fecha a válvula de partida do superaquecedor; se a válvula for de redenção, ela se abrirá automaticamente à medida que a pressão a montante em função do fechamento da válvula de partida; • a partir deste ponto, os LCs, TCs e controladores de combustão podem ser postos em automático.

Parada da caldeira.

A caldeira deve ser retirada de operação a intervalos regulares para inspeção, limpeza e eventuais reparos, antes da parada algumas providências devem ser tomadas: deve ser feita uma ramonagem para eliminar depósitos de fuligem; a carga da caldeira deve ser reduzida gradativamente até a pressão mínima de combustível e apagada – se estiver queimando um óleo pesado as linhas de óleo e maçaricos devem ser lavados com um combustível mais leve, e depois com vapor; a caldeira deve ser abafada (ventiladores parados e dampers fechados) de forma a permitir que esfrie o mais devagar e uniformemente possível; não acelerar a despressurização através de drenos e vents para evitar tensões desnecessárias; pelo mesmo motivo não acelerar o resfriamento pela passagem de grandes quantidade de ar frio; fechar a válvula de saída,e, quando a pressão estiver em torno de 2kgf/cm 2 abrir os vents do tubulão para evitar a formação de vácuo na caldeira devido à condensação total do vapor ;  não abrir a caldeira até que a temperatura na fornalha permita a entrada e permanência de um homem no seu interior; se a caldeira tiver que ser liberada para manutenção, remover os maçaricos, bloquear e raquetear as linhas e abrir as bocas de visita.

2. Regulagem e controle. Temperatura do vapor -  manter a temperatura do vapor constante na saída da

caldeira; os fatores operacionais que afetam o grau de superaquecimento do vapor são: excesso de ar –  quanto maior o excesso de ar maior a temperatura do vapor nos superaquecedores de convecção e menor nos superaquecedores de radiação ; temperatura da água de alimentação – o seu aumento diminui o grau de superaquecimento; tipo de combustível –  nos superaquecedores de radiação quanto maior a queima de gás menor a temperatura do vapor; o contrário ocorre nos superaq. de convecção; posição dos maçaricos –  mudando-se a posição dos maçaricos em relação ao . fuligem na superfície do superaq. –  dificulta a troca térmica baixando a temperatura do vapor. O controle da temperatura pode ser feito pelo lado dos gases através de fornalhas geminadas, da posição dos maçaricos ou pela circulação/desvios dos gases.

Ou pelo lado do vapor pela injeção de água/vapor saturado, ou pelo by pass de parte ou de todo o vapor em trocadores (dessuperaquecedor ou atemperador); em ambos os casos não há adição de contaminantes (sílica) ao vapor.

Pressão na fornalha –  controla a pressão na fornalha (na entrada de ar ou na

saída de gases) e o fluxo de gases através dos elementos de troca de calor da caldeira.

Fornecimento de energia -  da energia para a geração de vapor mediante a

dosagem de combustível em sintonia com a injeção de ar para melhoria da combustão; um PC ajusta a queima de modo a manter constante a pressão na saída da caldeira, regulando pressão e vazão de combustível e/ou ar de combustão.

Controle de nível de água -  pode se de um elemento para caldeiras de

pequeno porte e de dois ou três elementos para maiores; o controle de três elementos considera o nível no tubulão, a vazão de vapor e a vazão de água, o que permite um controle de nível por antecipação.

Controle de poluentes -  os principais poluentes originados da queima de

combustíveis orgânicos são: material particulado – fumaça, fuligem, cinzas; óxidos de enxofre – SO 2 e SO3; óxidos de carbono – CO e CO 2; óxidos de nitrogênio- NO, NO 2, NOx As quantidades desses poluentes dependerão dos, combustíveis usados, dos modelos, do estado de conservação e das condições operacionais dos equipamentos de queima.

temperatura dos gases na saída da chaminé –  deve ser a mais baixa possível

visando um melhor rendimento da caldeira e menor impacto no efeito estufa. resfriamento da purga –  a água devolvida ao esgoto deve ter a temperatura próxima da temperatura ambiente do ponto de descarte. drenagem das linhas de combustível –  não deve ser lançada diretamente em esgoto pluvial

3 .

Falhas de operação, causas e providências.

As caldeiras, em geral, possuem uma grande quantidade de equipamentos e instrumentos, e quando eles apresentam algum tipo de defeito, nem sempre sua correção é fácil e simples. As prováveis falhas de operação dependem muito da instalação: em unidades de pequeno porte é provável que falhas em equipamentos críticos (bombas de alimentação de água/combustível, ventiladores, compressor de ar de instrumentação, etc.) provocará, apenas, o apagamento da caldeira e a falta de vapor para os consumidores, sem maiores conseqüências, devendo o operador sanar o problema e reacender a caldeira; em unidades de maior porte (refinarias, p.ex.) deve-se atuar no sentido de evitar falhas em demanda – equipamentos críticos redundantes, acionamento de diferen tes fontes, gera ores e emerg nc a, anco e a er as, ’s com operaç o remota/local/utilização de by-pass, monitoramento da fornalha e das condições de queima, de modo que o técnico possa perceber de imediato qualquer anormalidade antecipando uma ação corretiva ( isto não significa que a  caldeira possa operar a todo custo, sem conformidade com a segurança) .

Em qualquer situação, no entanto, o técnico deverá aplicar rigorosamente as normas e procedimentos de segurança indicados no manual de operação  fornecido pelo fabricante do equipamento. Os principais itens que podem apresentar defeitos em operação são: - sistema de alimentação de combustível; - sistema de alimentação de água; - controle de nível; - controle de combustão; - controle de pressão.

Mostraremos, a seguir, alguns tipos de falhas, suas causas, e, as providências a serem tomadas pelos técnicos de operação e/ou de manutenção. Sistema de alimentação de combustível:  falha : bomba de combustível não parte. causas prováveis : falha no sistema elétrico, falha mecânica. providências:  consultar manual de operação, consultar instruções de manutenção,

checar comandos e circuito elétrico, acionar manutenção (elétrica/mecânica). falha : bomba com pressão de descarga baixa/muito baixa. causas prováveis : falha no circuito de combustível (alinhamento/vazamento, etc.) , falha mecânica, instrumento inoperante/bloqueado, descalibrado. providências:  checar circuito de combustível (vazamentos/alinhamento incorreto), , , . falha : temperatura do combustível muito alta. causas prováveis : set point da TC do óleo mal ajustado, falha da válvula de controle. providências: corrigir set point, acionar MI. falha : temperatura do combustível muito baixa. causas prováveis : set point da TC do óleo mal ajustado, válvula manual de vapor parcial/totalmente fechada, falha no purgador. providências: corrigir set point, verificar alinhamento do vapor (abrir válvula manual), verificar/trocar purgador, acionar instrumentação/caldeiraria.

falha : aquecimento a vapor inoperante causas prováveis : válvula de vapor fechada, purgador inoperante, termostato/sole_ 

nóide do aquecedor de combustível desregulada/danificada. providências : verificar alinhamento do vapor (abrir válvula manual), verificar/trocar purgador, verificar/trocar termostato/solenóide, acionar instrumentação/caldeiraria.

falha : aquecimento elétrico inoperante. causas prováveis :termostato desregulado/danificado, bobina da chave eletro

magnética desenergizada/queimada, fusíveis/resistências queimados. providências: verificar/regular/substituir partes em falha, acionar ME. Sistema de alimentação água:  falha : vazão de água nenhuma/insuficiente. causas prov ve s : ar na sucç o a om a,

tro su o, v vu a e sucç o escarga parcial/totalmente bloqueada, retorno pela válvula de retenção, bomba cavitando/com falha mecânica/ com rotor invertido/subdimensionada/instalada incorretamente. providências : purgar a bomba,verificar/limpar o filtro, verificar alinhamento do sistema, verificar/corrigir projeto/instalação incorretos, acionar M/E. falha :bomba de água de alimentação não dá partida. causas prováveis :falha elétrica, falha no controle de nível. providências :acionar manutenção I/E. falha : bomba de alimentação de água não pára mesmo com nível alto. causas prováveis : falha na malha de controle de nível, falha elétrica . providências : verificar malha de controle de nível, drenar, acionar manutenção I/E.

Controle de nível:  falha : bomba só parte quando soa o alarme. causas prováveis : imantação permanente na bobina de controle, causada por alta

tensão nas proximidades. providências : blindar a caixa. falha : a bomba não dá partida e soa o alarme de nível baixo. causas prováveis : depósito de material sólido nos eletrodos, chave magnética da bomba desarmada/defeituosa, umidade na caixa de eletrodos. providências : drenar a válvula reguladora de nível, repetir se necessário, eliminar umidade, acionar ME. falha  : a bomba não dá partida (dá nível baixo), o alarme não soa e a caldeira continua a operar. causas prov ve s : ama na contro a ora e n ve , ox aç o nos ornes os eletrodos. providências : apagar a caldeira imediatamente, fazer uma limpeza completa no controle de nível (instrumentação e elétrica). falha : a bomba dá partida mas o nível não sobe. causas prováveis : problema no sistema de alimentação de água (alinhamento/vazamento). providências : verificar sistema (bloqueios indevidos/obstruções/ vazamentos) e providenciar reparo. falha : sistema de combustão não parte, mesmo com nível normal. causas prováveis : falha na malha de nível (obstruções), problemas elétricos (contatos), falha no controle de combustão. providências : eliminar obstruções, corrigir falhas elétricas (refazer contatos, trocar elementos queimados), verificar controle de combustão.

Controle de combustão:  falha : falha no acendimento do piloto e PI não registra pressão. causas prováveis : falta combustível para ignição (tanque vazio/válvula fechada/ar

na linha de alimentação). providências : abastecer o tq, abrir válvula de alimentação, purgar sucção da bomba, acionar MM. falha : : falha no acendimento do piloto e PI registra pressão. causas prováveis : ar na tubulação, filtro sujo, atomizador sujo/obstruído, eletrodos de ignição mal ajustados, cerâmica partida. providências : limpar filtro, trocar cerâmica, acionar MM. falha : queimador principal não acende, mesmo com boa pressão de combustível. causas prováveis : não chega combustível ao queimador, válvula na linha de com ust ve ec a a, n a e com ust ve o stru a. providências : verificar possíveis obstruções na linha de óleo/atomizador, verificar abertura da válvula; limpar partes obstruídas/abrir válvulas fechadas, acionar MM. falha : temperatura de saída dos gases anormalmente alta. causas prováveis : fuligem nas tubulações, tampa traseira da caldeira mal fechada. providências : limpar as tubulações(ramonagem), retirar tampa e verificar o estado dos refratários, acionar inspeção/manutenção. falha : fumaça escura na chaminé. causas prováveis :pressão alta do combustível, pressão de combustível oscilante (ar na linha), baixa vazão de ar secundário, baixa pressão do ar primário (atomização), atomizador entupido. providências : verificar/abrir válvulas de retorno de combustível, retirar o ar da linha de combustível, verificar conexões na linha, verificar/trocar correias do ventilador ( ar secundário, limpar partes sujas (atomizador, ventiladores, etc.).

4.

Roteiro de vistoria diária.

Durante o funcionamento de uma caldeira o operador deve seguir um roteiro de vistoria, com o objetivo de garantir uma boa condição de operação do equipamento; este roteiro deve incluir: • verificação do nível do vaso de água de alimentação; • verificação dos PI’s e TI’s do sistema de água de alimentação; • verificação dos LI’s, PI’s e TI’s do sistema de combustível; • verificação dos PI’s e TI’s do sistema ar/gases de combustão; • controle do nível de água no tubulão; • efetuar descargas de fundo conforme solicitado pelo laboratório de análise da água; • verificação do funcionamento dos equipamentos rotativos (bombas/ ventiladores); • verificação das condições de queima (visores/fumaça da chaminé); • verificação da condição operacional dos equipamentos reserva; • verificação do etiquetamento e bloqueio de equipamentos entregues à manutenção; • verificação de ruídos, vibração, vazamentos e solicitar manutenção; • testar pilotos e alarmes; • efetuar procedimento de sopragem de fuligem (ramonagem) uma vez por turno; • amostrar gases e água, uma vez por turno; • etc.

5.

Operação de um sistema de várias caldeiras.

Um sistema operacional onde existam várias caldeiras operando em paralelo, possui algumas particularidades de segurança que devem ser atendidas, por isso o operador deverá conhecer: • a rede de distribuição de vapor e seus consumidores; • os pontos críticos, de bloqueio e interligação das caldeiras; • a flexibilidade operacional em função da disponibilidade de vapor.

É necessário que cada caldeira possa ser isolada das demais, por isso se instala a válvula de retenção na saída de vapor; além disso a pressão do sistema é controlada pela PV do manifold.

Num sistema de várias caldeiras a carga total é distribuída entre elas, e o 2: vapor em três ou mais níveis de pressão (40, 60, 80, 120kg /cm f • o vapor de alta pressão é produzido nas caldeiras; • o de média pressão é produzido por extração no TGs e exausto de turbinas e estações redutoras; • o de baixa pressão é produzido pelo exausto de turbinas auxiliares e estações redutoras. Em todos os níveis de pressão existem PSVs para segurança do sistema e todo o sistema é operado de forma a evitar a abertura das válvulas redutoras pois estas não produzem trabalho e a essa operação dá-se o nome de equilíbrio térmico.

6.

Procedimentos em situações de emergência.

Todas as ocorrências de emergências devem ser atendidas de acordo com o indicado no manual de operação  da caldeira; entre estas emergências pode-se citar: • nível baixo de água – com o calor da fornalha agindo sobre os tubos secos provocará deformações no invólucro, danos ao refratário, danos aos tubos e vazamento de água. causas – falha no controle de nível, check valve da linha de água dando passagem, falha do sistema/falta de água de alimentação, falha de operação (CO). prevenção – rotina de revisão do controle de nível, sistema de alimentação de água : atenção constante/ manutenção preventiva, máxima atenção ao nível nas descargas de fundo. ações – cortar ar/combustível, fechar saída de vapor/vent do superaquecedor, confirmar nível real da caldeira, se o nível estiver visível alimentar a caldeira e proceder acendimento da caldeira, se o nível não estiver visível, não repor água e proceder resfriamento lento e gradual da caldeira. • nível alto de água – possibilidade de arraste de água para o coletor geral de vapor (atuação do alarme de HL). causas – falha no controle de nível/controle no “manual”, falha do sistema, falha de operação (CO). prevenção – rotina de revisão do controle de nível, sistema de alimentação de água : atenção constante/ manutenção preventiva. ações – cortar alimentação de água, confirmar nível real da caldeira/efetuar descarga contínua/descarga de fundo.

• pressão do vapor acima do limite normal – pode ocorrer em duas situações: a PSV não abre ou a PSV abre mas a pressão contínua a subir. causas – sede da PSV emperrada, PSV descalibrada/subdimensionada, ontrole da caldeira no “manual”. prevenção – testar regularmente a PSV, ao se alterar o valor de calibração da PSV registrar o novo valor no Registro de Segurança da caldeira, substituir PSV por uma corretamente dimensionada. ações – cortar combustível e acompanhar evolução da pressão, providenciar abertura de PSV, onde houver, para caldeiras de combustível sólido parar ventiladores e fechar entradas/saídas de ar. • rompimento de tubos – sempre que ocorre ruptura de tubos ou que há um grande vazamento de vapor, é necessária uma ação imediata para evitar danos às pessoas, , . causas – erosão/deposição de coque/superaquecimento em tubos, etc... prevenção – tratamento adequado da água de alimentação, manter uma boa freqüência de sopragem de fuligem, evitar umidade no vapor de sopragem, regular os queimadores de modo a evitar incidência direta de chama nos tubos. ações – cortar combustível, isolar caldeira avariada (caso haja mais de uma caldeira operando), manter o nível de água o o tempo que for possível, manter ventiladores operando, abrir PSVs, se não for possível manter o nível, cortar alimentação de água, após despressurização, parar ventiladores e efetuar resfriamento natural da caldeira.

• explosão na fornalha – deve-se à ignição de gases que se acumulam na fornalha. causas – vazamento de combustível com acúmulo de resíduos no interior da fornalha, falha dos ventiladores, formação de coque incandescente na fornalha, obstrução da chaminé, falha de ignição, atomização deficiente, procedimento de acendimento incorreto, abertura brusca da boca de visita da fornalha. prevenção – evitar acúmulo de combustível no interior da fornalha, manutenção preventiva de ventiladores/ignitores, manter as válvulas dos queimadores em boas condições de vedação, limpeza freqüente de bicos atomizadores, manter atenção na qualidade da chama. ações – cortar o combustível, não acender a caldeira sem purgar os gases remanescentes na fornalha nem fazer mais que duas tentativas de acendimento sem purga, não acender um queimador com a chama de outro, nunca abrir a oca e v s a e orma rusca.

Tratamento de água e manutenção de caldeiras Tratamento da água de alimentação. A água sob a forma em que é obtida na natureza é chamada de água bruta e nunca são puros, pois sempre apresenta uma certa quantidade de impurezas granulares ou moleculares em sua composição (em suspensão ou dissolvidos).

conservação. Os métodos de tratamento variam conforme a qualidade da água de alimentação e o porte da instalação de vapor. A utilização de água de má qualidade em uma caldeira, acarretará em pouco tempo uma falha, e a paralisação do processo trará prejuízos incalculáveis tanto pela quebra da produção como pela sua indisponibilidade. Os constituintes geralmente encontrados junto com a água são sais dissolvidos inorgânicos e orgânicos, matéria orgânica em suspensão, material coloidal, gases dissolvidos e microorganismos; a seguir são apresentados os principais elementos e substâncias encontradas na água e as características que conferem devido à sua presença.

CONTAMINANTES DA ÁGUA DE ALIMENTAÇÃO CÁLCIO E MAGNÉSIO SÍLICA FERRO COBRE OXIGÊNIO SÓLIDOS TOTAIS GÁS CARBÔNICO ÓLEOS & GRAXAS pH / ALCALINIDADE

EFEITOS NO SISTEMA FORMAÇÃO DE DEPÓSITOS NOS TUBOS GERANDO AQUECIMENTO VOLATILIZAÇÃO, PASSANDO PARA O VAPOR E DEPOSITANDO NAS PALHETAS DA TURBINA LAMA. SUA PRESENÇA INDICA AÇÃO CORROSIVA INDÍCIOS DE CORROSÃO EM LIGAS DE COBRE DE TROCADORES DO CICLO CORROSÃO POR "PITTING" LAMA, DEPÓSITOS, ESPUMA, ARRASTE CORROSÃO NO SISTEMA ANTES DA CALDEIRA, REDUÇÃO DO pH DEPÓSITOS INTERNOS AOS TUBOS , SUJEITOS À CARBONIZAÇÃO E SUPERAQUECIMENTO. CAUSA CORROSÃO SE ESTIVER MUITO BAIXO, OU MUITO ALTO

A exigência para que sejam extraídos da água tais constituintes, deve-se aos feitos danosos por eles provocados, tais como: corrosão, incrustação, depósitos nas superfícies internas dos tubos ou contaminação do vapor produzido; estes problemas estão relacionados com a natureza das águas usadas para a produção de águas de alimentação e compensação. É importante salientar que nenhum processo de remoção de impurezas é perfeito, permanecendo na água, após o tratamento, uma parcela de contaminantes que poderão ser nocivos ao processo de acordo com as condições de trabalho. As caldeiras de baixa pressão são menos exigentes, e o simples abrandamento e clarificação da água, por introdução de produtos químicos , com custos baixos; tais produtos visam a precipitação dos sólidos dissolvidos e em suspensão para posterior eliminação por descargas de fundo periódicas da caldeira. Caldeiras de média e alta pressão já necessitam de água desmineralizada ou destilada em evaporadores, além de um adequado controle da concentração de sólidos e da desaeração da água de alimentação, ajuste do pH, etc.

Não existe um único tipo de tratamento de água que atenda todas as caldeiras existentes; esta diversidade é devida a diversos aspectos, como a origem da água utilizada, o tipo de materiais aplicados nas caldeiras, o regime operacional a que está submetida, as condições de pressão e temperatura do vapor produzido, etc. O tratamento de água de uma caldeira requer experiência, continuidade e monitoramento permanente dos parâmetros químicos; mesmo nos períodos que estão fora de operação, as caldeiras devem ser mantidas sob tratamento. Devido às elevadas pressões e elevadas taxas de transferência de calor, existe grande possibilidade de ocorrência de eventos que prejudique a resistência dos tubos de uma caldeira; face às graves conseqüências da falha de um tubo com pressão interna elevada, os limites de controle químico devem ser os mais rígidos possíveis. O uso de um ou mais métodos de remoção de impurezas constitui um sistema de tratamento de água para geradores de vapor, e o tratamento contínuo da água de uma caldeira está diretamente ligado a qualidade do vapor que será gerado e ao estado geral das superfícies internas dos tubos.

A tabela a seguir, apresenta os diversos sistemas usualmente aplicados em função da pressão de operação da caldeira: Pop (psig)

Métodos de tratamento 1. Clar Clarifi ificaç cação ão  filtração  troc trocaa cat catiônica iônica  ci cicl clo o do só sódi dio o 2. Com Combin binaç ação ão de tr troc ocaa ca catiô tiônic nicaa  ci cicl clos os do só sódi dio o e do hi hidr drog ogên ênio io co com m de deggas asei eifi ficcad ador or

Até 600

601 a 900 Acima de 900

3. Troca catiônica  ciclo do sódio  troca aniônica  ciclo do hidrogênio 4. Processo a quente q uente para eliminar dureza  filtração  troca catiônica  ciclo do sódio 1. Processo a quente q uente para eliminar dureza  filtração  troca catiônica  ciclo do sódio 2. Clar Clarifi ificaç cação ão  filtração  desmineralização 1. Clarificação



filtração



desmineralização

2. Evapor Evaporação, ação, possivelmente precedida por um pré-trat pré-tratamento amento

Tratamentos primários são todos os processos físico-químicos a que é submetida à água, para modificar seus parâmetros de qualidade, tornandoa com características que atendam as especificações e padrões solicitados por legisla laççõe õess especi cifficas as,, onde dete terrminam norm rmaas e padrõ rõees especí cífficos pa para ra uma apliliccação industri riaal ou de pot otaabilid idaade; são nec eceess ssáári rioos ta tannto pa para ra águ guas as po potá táve veis is,, qu quan anto to pa para ra águ guas as de us usoos industriais. Processos externos de tratamento de água: 1. Clarificação - para corrigir os parâmetros cor e turgidez de águas supe su perf rfic icia iais is,, re remo move vend ndoo só sólilido doss em su susp spen ensã são, o, só sólilido doss fifino noss qu quee se apresentam como turbidez e cor e outros materiais coloidais; engloba três passos importantes: • coagulação - exige a adição e mistura rápida de um produto químico coagulante (Al2SO4, AlCl3). • floculação – consiste na reunião de vários flocos pequenos, mediante agi gita taçã çãoo su suav avee, os qua uais is fo form rmaam pa part rtíc ícul ulaas mai aioore ress co com m ma maio iorr velocidade de decantação. • se seddim imeent ntaç açãão - eta tapa pa fifinnal do pr proc oceess ssoo de cl clar arifific icaç açãão; água clarificada eleva-se e pode ser então separada dos sedimentos, que são removidos em forma de lodo.

2. Abrandamento com cal – o abrandamento com cal a temperatura ambiente é considerada uma etapa além da clarificação; a finalidade do abrandamento é acelerar a clarificação da água e eliminar o gás carbônico existente na água, responsável pela acidez e conseqüentemente, pela corrosão de equipamentos e tubulações. CO2 + H2O H2CO3 Ca (OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O Mg (HCO3)2 + 2Ca(OH)2 Mg(OH)2 + 2CaCO3 + 2H2O Ca (HCO3)2 + 2Ca(OH)2 Ca(OH)2 + 2CaCO3 + 2H2O Ca SO4 + Na2CO3 Na2SO4 + CaCO3 Mg SO4 + Na2CO3 Na2SO4 + MgCO3

processo sso reserv reservado ado basica basicamente mente 3. Abra branda ndamen mento to com com cal a quen quente te - proce para águas de reposição de geradores de vapor (caldeiras); é feito em temperaturas acima de 100ºC. A água tratada sai a temperatura e pressão elevadas, acarretando uma menor viscosidade da água, causada pela elevação da temperatura (maior vazão); vazão ); como o Ca e o Mg precip precipitados itados,, baixa solubilidade, solubilidade, reduz-se o uso de co coaagul ulaantes; o CO2 é elimin inaado para a atm tmoosfera ra,, reduzin inddo a quantidade de Ca(OH)2 (cal) no tratamento, elevando o pH da água, o que contribui na redução da SiO 2 (sílica).

4. Filtração - no contexto do tratamento externo de água, a mesma é submetida a um filtro, um leito de material granular que remove fisicamente (côa) o material em suspensão da água. Tipos de filtros: Filtro de areia ou carvão (antracito) - leito simples de areia ou carvão, leito duplo de carvão sobre areia ou um leito misto de carvão, areia e brita. Filtro de carvão ativado (granulado). 5. Troca Iônica - o processo substitui ou troca íons menos desejáveis por íons mais desejáveis; é o método mais prático e flexível de tratamento de água para geradores de vapor de alta pressão, e é feito através de colunas com determinados tipos de resinas, compostas por íons cátions ou ânions desejáveis na água. 6. Remoçã Remoção o do Fe e do do Mn da da água água - na maioria das vezes o ferro e o manganês estão simultaneamente presentes na água, e os processos que removem o Fe agem eficientemente também para o Mn, e isto é conseguido através do processo de “troca iônica”, por meio de colunas compostas de cátions de hidrogênio ou sódio.

7. Redução da alcalinidade da água - é feita via de dois processos: a. pela adição de hidróxido de cálcio (cal) Ca (OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O b. através da adição de ácidos - os ácidos possuem a capacidade de reagir com os sais de bicarbonatos de cálcio e magnésio, tendo como produto da reação a formação de sulfato de cálcio ou sulfato de magnésio. Ca (HCO3)2 + H2 SO4 Ca SO4 + 2CO2 + 2H2O

Tratamentos químicos internos da água - São tratamentos de água , dispersantes a base de poliacrilatos, sulfitos e aminas voláteis. a. fosfatos - são tradicionalmente utilizados pela sua ação dispersante e pelo fato de reagirem com os sais de cálcio e magnésio, formando lamas não aderentes em paredes e tubulações da caldeira; o fosfato precipita o cálcio como fosfato tricálcio (Ca3(PO4)2) b. poliacrilatos - são utilizados como dispersantes e condicionadores de lama, facilitando a eliminação de lamas pela descarga de fundo. c. sulfitos - são utilizados para controlar o oxigênio dissolvido na água; a reação com o oxigênio é a seguinte: Na2SO3 + ½O2 Na2SO4

d. aminas voláteis: são utilizadas com a finalidade de lubrificar e proteger as tubulações por onde flui o vapor, contra corrosão. e. hidrazina: é utilizada para controlar o oxigênio dissolvido, portanto, possuem a mesma finalidade dos sulfitos. N2H4 + O2 N2 + 2H2O

Purga da caldeira  à medida que aumenta a pressão de geração de vapor em uma caldeira, mais critica fica a volatilização da sílica, obrigando que seu limite seja mantido por meio de descargas de superfícies periódicas. Controle de cloretos  Os cloretos podem contaminar a água das caldeiras em sistemas que utilizam para os condensadores água do mar e estes escapam para o ciclo térmico, acarretando corrosão por pites e alveolar nos tubos, podendo levar a fragilização por hidrogênio. Controle de ferro e de cobre  o aparecimento de ferro na água da caldeira indica a existência de corrosão no ciclo; o ferro dissolvido é

incrustam nos tubos. Controle microbiológico  tem a finalidade de eliminar possíveis fungos e bactérias que possam provocar ataques biológicos em equipamentos; deve ser feito por meio do uso de microbicidas oxidantes. Controle da condutividade  tem por objetivo limitar o total de sólidos dissolvidos (TDS); através da medição da condutividade podemos saber a concentração iônica da água, decorrente de contaminações que possuam propriedades de condução elétrica.

Tratamento de água e manutenção de caldeiras Manutenção de caldeiras. As caldeiras são projetadas de acordo com normas técnicas rigorosas que garantem a segurança destes equipamentos; além das normas de fabricação existem as normas técnicas que devem ser obedecidas após a instalação e durante toda a vida útil das caldeiras- o atendimento destas normas garante a segurança destes equipamentos. Todas as caldeiras estão sujeitas a diversos mecanismos de deterioração e avarias associados a corrosão, modificações das características metalúrgicas dos materiais e avarias mecânicas.

Secagem do refratário – quando se trata de caldeira nova, ou que foi submetida a manutenção na fornalha, é preciso proceder a secagem dos tijolos refratários pelo seu aquecimento lento e gradativo; o tempo de secagem depende da quantidade de tijolos substituídos, espessura de tijolo e da qualidade do concreto empregado.

Limpeza química – remove óleos, graxas e materiais estranhos das superfícies internas, e é feita com adição de produtos alcalinos e um aquecimento à patm, e depois a p> patm; os produtos usados são: NaOH, Na2CO3, NA3PO4, Na2SO3. Sopragem – todas as linhas novas de vapor da caldeira, incluindo tubulões e superaquecedores, devem passar por um procedimento de sopragem antes de sua operação normal, pela passagem de vapor à alta velocidade de modo a remover o material que possa estar no seu interior; o vapor será descarregado para atmosfera até as tubulações sejam consideradas limpas. Hibernação – quando a caldeira tiver que ser mantida fora de operação por um ongo tempo me as para ev tar corros o; s o o s os m to os a serem empregados: a pressurização com H2, e o enchimento da caldeira com água tratada com hidrazina (200ppm); pelo lado dos gases, isola-se a caldeira para impedir a entrada de ar, e distribui-se sílica-gel ou cal virgem e lâmpadas. Manutenção preventiva e inspeções – o funcionamento eficiente e a durabilidade dos equipamentos depende de cuidados específicos tanto para as caldeiras quanto para seus periféricos; as inspeções devem ser feitas a intervalos preconizados pela NR-13, para cada classe de caldeira, e os programas de manutenção serão elaborados a partir dos relatórios de inspeção e dos procedimentos inclusos nos manuais de operação.

Soldagem e alívio de tensões – as diversas partes das caldeiras são de diferentes materiais, quanto mais alto o teor de C, mais difícil a soldagem; após a soldagem, o resfriamento e a contração da zona soldada causam o aparecimento de tensões que precisam ser aliviadas, e isto é feito aquecendo se a peça até 600ºC, mantendo-a nessa temperatura por um determinado período. Mandrilamento – método de fixação dos tubos nos tubulões, que consiste na expansão do diâmetro da tubulação no local de fixação por meio da ação mecânica de roletes, calçados internamente nos tubos, provocando a fixação por interferência. vu as e segurança – evem ser nspec ona as e regu a as anua mente, avaliando se o estado da mola, do corpo e da sede. Queimadores – precisam de manutenção constante e adequada, pois são fundamentais para a operação da caldeira; oxidação, abrasão e desgastes são avarias constantes provocadas pela limpeza inadequadas dos bicos.

O fogo é muito mais antigo do que a fogueira!!!

Prevenção contra explosões e outros riscos Riscos de acidentes diversos e riscos à saúde. No trabalho rotineiro com caldeiras, os operadores são obrigados a executar uma serie de tarefas que possuem riscos de acidentes inerentes, que podem, ainda, ser agravados por condições de insegurança peculiares a cada situação; entre esses riscos, é necessário ressaltar: choques elétricos  - o manuseio de equipamentos elétricos (ventiladores, queimadores, bombas), bem como da instalação elétrica da casa da caldeira, requer cuidados para que o corpo humano ou parte dele não se torne parte de um circuito; quando pelo menos dois pontos de uma pessoa têm contato com potenciais elétricos diferentes, há possibilidade de a passagem de corrente elétrica, cujas conseqüências ocorrem em função da diferença de potencial, da intensidade da corrente, do tempo de duração, da região do corpo atingida, etc., podendo, portanto, variar desde uma simples contração muscular localizada até uma parada cardíaca por eletrocussão, ou mesmo a morte instantânea.

queimaduras  – a produção de vapor sob pressão ocorre em temperaturas

superiores a 100 ºC (T vap da água à pressão atmosférica), contatos com o vapor, portanto, produzem sérias queimaduras, uma vez que estão em jogo altas temperaturas e a possibilidade de lesionar grandes superfícies do corpo; além de queimaduras térmicas por contato com água, vapor, óleo aquecido, tubulações desprotegidas, etc., deve-se considerar, ainda, o risco de queimaduras por contato com produtos cáusticos, usualmente empregados para a neutralização do Ph da água de alimentação da caldeira, como o hidróxido de sódio, por exemplo, e outros produtos químicos. uedas  - na casa de caldeiras ou nas caldeiras instaladas ao tem o há

riscos consideráveis de quedas de mesmo nível, em razão de impregnações de óleo no piso, se o local de trabalho não for convenientemente limpo; as quedas de níveis diferentes, por sua vez, representam maiores perigos, considerando-se que existem caldeiras de diversos tamanhos (atingindo até mesmo, dezenas de metros de altura) e que há necessidade de acesso do operador a diversos níveis, seja para a observação de visores de fornalha, de sistemas de alimentação, de válvulas, de instrumentos de controle, etc..

Os operadores de caldeiras geralmente estão também expostos a riscos à saúde e a agentes causadores de desconfortos; como riscos à saúde podemos relacionar: condições ergonômicas inadequadas  – embora as caldeiras tenham

evoluído muito nos últimos anos, um operador de caldeiras, do ponto de vista de ergonomia, é solicitado por esforços muitas vezes desordenados e excessivos, localizada ou generalizadamente: são visores de nível mal posicionados, manômetros instalados em ângulos inadequados, válvulas emperradas ou que possuem volantes exageradame9nte pequenos, válvulas cuja ação deve ser comandada com observação simultânea de instrumentos de indica ão instalados à distancia re ula ens de chama ue exigem operações interativas, etc.. ruído  – a ocorrência de ruído de baixa freqüência (queimadores) e de alta

freqüência (vazamentos de vapor em válvulas de segurança) constitui um espectro sonoro peculiar e variável ao longo da jornada de trabalho; embora, existam, no mercado, silenciadores para estes dispositivos, suas dimensões e as condições de instalação que exigem, têm dificultado sua aceitação e, seu emprego ainda não é generalizado.

desconforto térmico  – nas operações de caldeiras é muito freqüente e de

fácil constatação, porém a sobrecarga térmica para ser identificada, exige a analise de cada caso em particular, sendo necessário para tanto, não só avaliações com termômetros de globo e de bulbo úmido, como também exames médicos e acompanhamentos individuais. exposição dos olhos à radiação infravermelha  – há também o risco dos

operadores terem os olhos expostos à radiação infravermelha em operações de regulagem de chama e em observações prolongadas de superfícies incandescentes. fumaças, gases e vapores  – expelidos pela chaminé, representam, em

certas con ç es, r scos n o s comunidade.

aos opera ores, como tam m

riscos inerentes ao manuseio de combustíveis  - caldeiras movidas a

carvão, lenha, bagaço de cana, leito fluidizado, biomassa e outras, oferecem ainda, riscos inerentes ao manuseio, armazenagem e processamento do combustível.

Prevenção contra explosões e outros riscos Riscos de explosão. A utilização de caldeiras implica a existência de riscos de natureza variada; deve-se, entretanto, destacar a importância do ris0co de explosões pelos motivos que se seguem: por se encontrar presente durante todo tempo de operação em un a es e gran e por e re nar as, p an a pe roqu m cas, siderúrgicas, industrias de celulose...); em razão da violência com que ocorrem as explosões; por envolver pessoas (operadores, manutenção, comunidade, etc.) porque sua prevenção deve ser consideradas em todas as fases de vida da unidade: projeto, fabricação, instalação, operação, inspeção manutenção).

A utilização de caldeiras implica a existência de riscos de natureza variada; deve-se, entretanto, destacar a importância do ris0co de explosões pelos motivos que se seguem: por se encontrar presente durante todo tempo de operação em unidades de grande porte (refinarias, planta petroquímicas, siderúrgicas, industrias de celulose...); em razão da violência com que ocorrem as explosões; por envolver pessoas (operadores, manutenção, comunidade, etc.) porque sua prevenção deve ser consideradas em todas as fases de vida da unidade: projeto, fabricação, instalação, operação, inspeção manutenção). , uma vez que a pressão nesse lado é sempre superior à atmosférica. Qualquer quantidade de um fluido compressível, não importa qual, quando comprimida a uma pressão de 10 atm (p/ ex.), estará ocupando um espaço 10 vezes menor do que ocuparia se estivesse submetida à pressão atmosférica; outro fator importante a ser considerado para avaliarem-se as conseqüências de uma explosão é a quantidade de calor encerrada no processo de vaporização da água, daí a necessidade do emprego de espessuras calculadas em função de resistência do material e das características de operação.

O risco de explosão pode, portanto, ser originado pela combinação de três causas: diminuição de resistência do material, que pode ser decorrente do superaquecimento ou da modificação da estrutura do material ; diminuição da espessura, que pode advir da corrosão ou da erosão; aumento da pressão, que pode ser decorrente de falhas diversas, operacionais ou não.

Causas de explosões – lado água : superaquecimento  – exposição do aço a temperaturas superiores à admissível, e pode ser causado por material inadequado/defeituoso, dimensionamento incorreto, queimadores mal posicionados, incrustações, operação em marcha forçada, falta de água nas regiões de troca térmica (circulação deficiente/CO); choques térmicos  – provocam fadiga no material e ocorrem devido a freqüentes paradas/partidas de queimadores; defeitos de mandrilagem  – causam vazamentos/trincas em tubos/espelhos; falhas em juntas soldadas  – representam áreas de menor resistência, potencializando o risco de explosões; mudança da estrutura metálica  – altas pressões e demanda de vapor provocam decomposição da H 2O, o H2 liberado, pode alterar a estrutura do aço, o tornando frágil; corrosão  – causa a redução na espessura de parede das partes sujeitas à pressão, e pode ocorrer interna (oxidação generalizada do ferro, corrosão galvânica, oxigenação diferencial, fragilidade cáustica, corrosão salina ou por gases dissolvidos) ou externamente (teor de S do combustível, temperatura dos gases de combustão) aos tubos; elevação da pressão  – a falha de qualquer um dos sistema de controle da pressão – modulação da chama, intertravamento, PSV, operação manual – pode causar a elevação da a níveis extremos com conseqüente explosão.

Causas de explosões – lado gases: As explosões no lado dos gases de combustão acontecem na condição em que a fornalha está inundada com a mistura combustível/ comburente; falta de limpeza dos queimadores/carbonização do óleo no queimador, presença de água no combustível ou falha no sistema de ar de combustão, pode causar a perda de chama, o que tornará a atmosfera na fornalha rica e a explosão será deflagrada pelo sistema de ignição, partes incandescentes da fornalha ou ainda a chama de um queimador que tenha permanecido aceso.

Conclusões e medidas de segurança para o controle dos riscos O risco de acidentes na operação de caldeiras é caracterizado por grande quantidade de variáveis, não só de operação, como também de fabricação e de conservação do equipamento. De fato, a segurança da operação, independentemente do tamanho ou do modelo da caldeira, começa no projeto de sua construção. O controle dos riscos é intrinsecamente considerado em normas técnicas especificas sobre materiais, procedimentos de fabricação, métodos de controle da qualidade, etc.. Essas normas, usualmente denominadas “códigos”, são internacionalmente recon ec as, ta s como o c go mer can oc ety o ec an ca Engineers), as “British Standards”, as normas AFNOR (Association Française de Normalization), o CODAP (Code d´Appareils à Pression), alemãs (DIN), japonesas e outras; no Brasil, a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas), elaborou e edita, entre outras, a NB 227 – Código para projeto e construção de caldeiras estacionarias. A construção das partes de uma caldeira e a sua montagem devem ser realizadas com atenção especial, visando a garantia da qualidade do equipamento. Dessa forma, cada série de operações de fabricação deve ser sucedida de inspeções de controle de qualidade, que variam desde o exame visual até a radiografia das juntas soldadas.

A instrumentação deve ter características funcionais e qualidade adequada para que sejam fornecidas informações corretas aos sistemas de controle, e estes, devem ser devidamente dimensionados para que atuem com precisão sobre as variáveis de funcionamento da caldeira. Os dispositivos de segurança requerem fabricação rigorosamente dentro das normas de controle de qualidade. È prática comum que as válvulas de segurança sejam fabricadas sob controle de qualidade não só se seu fabricante, como também dos consumidores, sendo igualmente aconselhável o envolvimento de entidades neutras como participantes desse sistema de “Garantia da Qualidade”. uan o n o ap ca os corretamente os pr nc p os e manutenç o preventiva e corretiva das caldeiras, e não seguem os mesmos rigores das normas de construção, os riscos de acidentes de operação são fortemente agravados. O tratamento da água é de fundamental importância para a operação segura das caldeiras; é certo e seguro que a água, como é encontrada na natureza ou como é fornecida em redes urbanas de abastecimento, ainda que “potável”, não é normalmente, adequada para a alimentação de caldeiras.

Para finalizar, é necessário ressaltar a importância do elemento humano na segurança de operações de caldeiras, não só como responsável pelo projeto, pelas especificações de materiais na construção de caldeira, pela escolha de instrumentos, mas também na condução do equipamento, ou seja, na operação propriamente dita. É fundamental que os operadores e supervisores sejam treinados ( por força da própria NR-13) para desenvolvimento de suas atividades rotineiras, porém a habilidade, a pratica, a harmonia Homem-Máquina tem sido considerados como os fatores mais importantes nessa questão. Os riscos de acidentes na operação de caldeiras, portanto, são controláveis pe a prat ca a t cn ca correta em to as essas ases: pro eto, construç o, controle de qualidade, operação, manutenção e inspeção.

Mas ninguém disse que iria ser ácil... (Minha Mãe)