CALDEIRAS

CEFETES – Unidade de São Mateus

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Geradores de Vapor

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1 - Generalidades Generalidades a)O gerador de vapor tem como finalidade produzir vapor de água sob pressão, aproveitando o potencial calorífico liberado pelos combustíveis. b)Equipamento que, utilizando a energia química liberada durante a combustão de um combustível, promove a mudança de fase da água do estado líquido para vapor a uma pressão maior que a atmosférica. atmosférica. O vapor resultante resultante é utilizado utilizado para o acionamento de máquinas térmicas, para a geração de potência mecânica e elétrica, assim como para fins de aquecimento em processos industriais. c)Caldeiras a vapor são equipamentos destinados a produzir e acumular vapor sob pressão superior à atmosférica, utilizando qualquer fonte de energia, excetuandose os refervedores refervedores e equipamentos equipamentos similares similares utilizados em unidades unidades de processo (NR13). 2.1 - Conceitos fundamentais: Vapor saturado: é composto por uma mistura de água e vapor, cuja temperatura se mant mantém ém cons consta tant nte e em rela relaçã ção o à sua sua pres pressã são, o, e é just ustamen amentte est esta característica que lhe confere maior facilidade no controle de temperatura de processos, portanto, é o tipo de vapor mais utilizado na maioria das aplicações industriais, que não requerem isenção de umidade ou altas temperaturas. 2.2 - Vapor superaquecido: superaquecido: é aquele que possui temperatura mais elevada que a do vapo vaporr satu satura rado do.. Para Para obtê obtê-l -lo, o, é nece necess ssár ário io aque aquece cerr o vapo vaporr satu satura rado do,, mantendo inalterada a sua pressão. O vapor passa a condição de super superaq aquec uecim imen ento to quan quando do ultr ultrapa apass ssa a temp tempera eratu tura rass de satu satura ração ção de uma uma determinada pressão. O vapor superaquecido é isento de umidade e comporta-se nas nas tubu tubula laçõ ções es como como gás. gás. Graç Graças as a esta estass qual qualid idad ades es,, é o perf perfei eito to para para alimentação alimentação de turbinas geradoras de energia elétrica elétrica ou motora, motora, e este é de fato sua principal aplicação. Isso por que as turbinas não podem receber umidade, sob o risco de sofrerem danos em seus componentes. Mesmo sendo isentas de água, as linhas de vapor superaquecido devem ser drenadas sempre, uma vez que em inícios ou paradas de processo pode ocorrer uma formação de condensado, colocando em risco o funcionamento da turbina. O ponto de drenagem deve ser instalado instalado imediatamente imediatamente antes da entrada entrada da turbina, junto com um separador de umidade. umidade. Nas linhas linhas de vapor superaquecido, superaquecido, os pontos de drenagem drenagem devem ser instalados a cada 50 metros, um pouco mais distantes do que se verifica nas linhas de vapor saturado. Os purgadores para vapor superaquecido, todos do tipo termodinâmico, são desenvolvidos especialmente para esta função. Para atender as necessidades típicas desta aplicação, eles têm as superfícies do disco e da cabeça da sede tratadas especialmente para proporcionar vedação impecável. Após movimentar uma turbina, o vapor superaquecido é expelido como vapor de menor pressão e temperatura, com características próximas do vapor saturado. Por isso ele deve ser reaproveitado com tal. Para reaproveitar a exaustão do vapor superaquecido, superaquecido, é conveniente conveniente e recomendável recomendável saturá-lo para aproveitar aproveitar as propr proprie iedad dades es do vapor vapor satu saturad rado, o, que que é mais mais adequ adequado ado para para apli aplica caçõe çõess de aquecimento.

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3 - Componentes clássicos Atualmente os geradores de vapor de grande gra nde porte por te são constituídos de uma associação associação de componentes componentes de maneira maneira a constituíre constituírem m um aparelho complexo. É o exemplo mais completo que se pode indicar principalmente quando destinado à queima de combustíveis sólidos. a) Cinzeiro – Local onde se depositam cinzas e ou, eventualmente, restos, de combustíveis que atravessam o suporte de queima sem completarem sua combustão.

b)

Fornalha – Local onde se inicia o processo de queima seja de combustível, sólido liquido ou gasoso.

c)

Câmara de combustão – Volume onde se deve consumir todo o comb combus ustí tíve vell ante antess de os prod produt utos os de comb combus ustã tão o atin atingi gire rem m e penetrarem penetrarem no feixe de tubos. tubos. Por vezes, confunde-se confunde-se com a própria fornalha, dela fazendo parte, outras vezes, separa-se completamente.

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d)

e)

f) g)

h)

i)

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Tubos Tubos Evapo Evaporad radore oress - Correspondem ao vaso fechado e pressurizado com tubos contendo água no seu interior, a qual, ao receber calor, transforma-se em vapor. Economizador – componente onde temperatura da água de alimentação sofre elevação, aproveitando o calor sensível residual dos gases da combustão direcionados à chaminé. Super aquecedor – responsável pela elevação da temperatura do vapor saturado gerado na caldeira produzindo vapor superaquecido. Pré-aquecedor de ar – Componente cuja função é aquecer o ar de combustão para introduzi-lo na fornalha, aproveitando o calor sensível dos gases da combustão. Canais de gases - São trechos ou finais de circulação dos gases de combustão até a chaminé. Podem ser de alvenaria ou de chapas de aço, conforme a temperatura dos gases que neles circulam. arte que gar garante nte a expulsão dos gas gases de Chaminé - É a part combustão com velocidade e altura determinadas para o ambiente e, indi indire reta tame ment nte e promov promove e a boa boa circu circula laçã ção o dos dos gase gasess quent quentes es da comb combust ustão, ão, atrav através és de todo o sist sistem ema a pelo pelo cham chamado ado efeit efeito o de tiragem.

Componentes de uma caldeira aquotubular

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Componentes de uma caldeira aquotubular

4 - Caldeiras flamotubulares flamotubulares Este foi o primeiro tipo de caldeira construída. É também chamada de tubo-defogo, tubo de fumaça ou pirotubular, por causa dos gases quentes provenientes da combustão que circulam no interior dos tubos em um ou mais passe, ficando a água por fora dos mesmos.

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V a p or

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G a s e s

Nota-se que a caldeira tipo flamotubular não passa de um cilindro externo que contém água e um cilindro interno destinado à fornalha. Sua tiragem ou saída de gases é normal. A carcaça é construída de chapas que variam de espessura de acordo com o porte da caldeira, e a sua pressão pode variar entre 5 a 20 kgf/cm 2.

4.1 - Caldeira flamotubular compacta É de pequ pequen eno o port porte, e, na qual qual o comb combus ustí tíve vell é quei queima mado do em uma uma câma câmara ra apropri apropriada, ada, hermet hermetica icamen mente te vedada, vedada, geralm geralment ente e de forma forma cilínd cilíndric rica, a, reta reta ou ondulada, denominada fornalha. Os gases provenientes do processo de queima (combustão) são conduzidos por meio de tiragem natural ou forçados para o ambiente, passando antes por uma chaminé. Os gases quentes circulam dentro do feixe tubular, transmitindo para suas paredes parte da energia térmica, pelos

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processos simultâneos de condução e convecção de calor, tanto a câmara de queima quanto o feixe tubular deverão estar totalmente cobertos externamente por água, a qual absorverá o calor, iniciando o aquecimento e a mudança de estado. A parte que recebem o calor da combustão ou dos gases precisa ser resfriada pela própria água a ser vaporizada ou isolada termicamente, por meio de refratários aprop apropri riado ados. s. São São muito muito util utiliz izad adas as em locai locaiss que que reque requere rem m o uso uso de vapor vapor saturado em vazões reduzidas de 1 a 15t/h e baixas pressões de 7 a 20kgf/cm 2, como hospit hospitais ais,, lavand lavanderia erias, s, cervejar cervejarias, ias, fabric fabricas as de refrig refrigeran erantes tes,, hotéis hotéis e indústria de pequeno e médio porte.

4.2 -Caldeiras verticais Os tubo tuboss são colo coloca cados dos vert vertic ical almen mente te num num corpo corpo cilí cilínd ndric rico, o, fech fechad ado o nas nas extremidades por placas chamadas espelhos . A fornalha interna fica no corpo cilíndrico, logo abaixo do espelho inferior. Os gases de combustão sobem através de tubos, aquecendo e vaporizando a água que se encontra externamente aos mesmos. As fornalhas externas são utilizadas principalmente para combustíveis de baixo teor calorífico.

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4.3 - Caldeiras horizontais horizonta is Esse tipo de caldeira abrange várias modalidades, desde as caldeiras cornuália e lancashire, de grande volume de água, até as modernas unidades compactas. As principais caldeiras horizontais apresentam tubulações internas, por onde passam os gases quentes. Podem ter de 1 a 4 tubos de fornalha. As de 3 e 4 são usadas na marinha.

Vantagens das caldeiras de tubo de fogo •

• • • •

Pelo grande volume de água que encerram, atendem também as cargas flutuantes, ou seja, aos aumentos instantâneos na demanda de vapor. Construção fácil, de custo relativamente baixo. São bastante robustas. Exige tratamento de água menos apurado. Exigem pouca alvenaria.

Desvantagens Desvantagens das caldeiras de tubo de fogo •

limitada em até 2,2 MPa (aproximadamente 22 atmosferas atmosferas), ), o que se deve ao fato de que a espessura necessária necessária às chapas dos vasos de pressão do cilíndricos aumenta com a segunda potência do diâmetro diâmetro interno, interno, tornando tornando

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• •

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mais vantajoso distribuir a água em diversos vasos menores, como os tubos das caldeiras de tubos de água. Em ciclo a vapor para vapor para geração de energia elétrica,, esta limitação de pressão faz com que a eficiência do ciclo seja elétrica fisicamente mais limitada, não sendo vantajoso o emprego deste tipo de equipamento em instalações de médio (em torno de 10 MW MW)) ou maior porte. Pequena capacidade de vaporização (kg de vapor /hora) São tro trocado cadores res de cal calor or de pouc pouca a área área de troc troca a por por volu volume me (men (menos os compactos). Oferecem dificuldades para a instalação de superaquecedor superaquecedor e e preaquecedor de ar.

As caldeiras flamotubulares apresentam as seguintes partes principais: corpo, espelhos, feixe tubular ou tubos de fogo e caixa de fumaça. O corpo da caldeira, também chamado chamado de casco casco ou carcaça, são são construídas construídas a partir partir de chapas de aço aço carbo carbono no cala caland ndrad radas as e solda soldada das. s. Seu diâm diâmet etro ro e comp compri rime ment nto o estã estão o relacionados à capacidade de produção de vapor. As pressões de trabalho são limitadas (normalmente máximo de 20 kgf/cm²) pelo diâmetro do corpo destas caldeiras. Os espelhos são chapas planas cortadas em forma circular, de modo que encaixem nas duas extremidades do corpo da caldeira e são fixadas através de soldagem. Sofrem um processo de furação, por onde os tubos de fumaça deverão passar. Os tubos são fixados por meio de mandrilamento ou soldagem. O feixe tubular, ou tubos de fogo, é composto de tubos que são responsáveis pela absorção do calor contido nos gases de exaustão usados para o aquecimento aquecimento da água. Ligam o espelho frontal com o posterior, podendo ser de um, dois ou três passes.

A caixa de fumaça é o local por onde os o s gases da combustão fazem a reversão do seu trajeto, passando novamente pelo interior da caldeira (pelos tubos de fogo). O desenho a seguir mostra os o s componentes de uma caldeira flamo tubular típica. 9


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Caldeiras aquotubulares As caldeiras flamotubulares têm o inconveniente de d e apresentar apr esentar uma u ma superfície super fície de aquecimento muito pequena, mesmo se o número de tubos for aumentado. A necessidade de caldeiras de maior rendimento, rapidez de geração de grandes quantidades quantidades de vapor com níveis de pressão mais elevados, levou ao surgimento surgimento da caldeira aquatubular Nesse tipo de caldeira, os tubos que, nas caldeiras flamotubulares, conduziam gases aquecidos, passaram a conduzir a água, o que aumentou muito à superfície de aquecimento, aumentando bastante à capacidade de produção de vapor.

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Tipos de caldeiras caldeiras aquatubulares Para fins didáticos, dividimos as caldeiras aquatubulares em quatro grandes grupos: -caldeiras aquatubulares de tubos tubos retos, com tubulão transversal ou longitudinal; -caldeiras aquatubulares de tubos curvos, com diversos tubulões transversais ou longitudinais. -caldeiras aquatubulares de circulação positiva;

.Caldeiras aquatubulares aquatubulares de tubos retos: As caldeiras aquatubulares de tubos retos consistem de um feixe tubular de transmissão de calor, com uma série de tubos retos e paralelos, interligados a uma uma câma câmara ra colet coletor ora. a. Essa Essa câma câmara ra comu comuni nicaca-se se com com os túbu túbulos los de vapor vapor (superiores), formando um circuito fechado por onde circula a água. As ilustrações a seguir mostram o sentido de circulação da água e a circulação dos gases quentes mediante três passes.

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Esse tipo de caldeira, incluindo as de tubulão transversal, conforme figuras abaixo são as primeiras concepções industriais, que supriram uma gama de capacidade de produção de 3 até 30 toneladas-vapor/hora, com pressões de até 45 kgf/cm². Os projetos foram apresentados pelas empresas Babcok & Wilcox e a Steam Muller Corp.

Caldeiras aquatubulares de tubos curvos As caldeiras aquatubulares de tubos curvos não apresentam limites de capacidade de produção de vapor. A forma construtiva foi idealizada por Stirling, interligando os tubos curvos aos tubulões por meio de solda ou mandrilagem. A figura a seguir apresenta um esquema de caldeira com quatro tubulões, embora possa ter de três a cinco, o que confere a este tipo de gerador de vapor maior capacidade de produção.

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Partindo deste modelo, foram projetadas novas caldeiras. Com o objetivo de aproveitar aproveitar melhor o calor irradiado irradiado na fornalha, fornalha, reduziu-se o número e o diâmetro diâmetro dos tubos, e acrescentou-se uma parede de água em volta da fornalha. Isso serviu como meio de proteção do material refratário com o qual a parede da fornalha é construída, além de aumentar a capacidade de produção de vapor.

Vantagens das caldeiras aquatubulares de tubos curvos: - redução do tamanho da caldeira; -queda da temperatura de combustão; -vaporização específica maior, variando na faixa de 30 kg de vapor/m² a 50 kg de vapor/m2 para as caldeiras com tiragem forçada; - fácil manutenção e limpeza; - rápida entrada em regime; - fácil inspeção nos componentes.

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Caldeira de circulação positiva A circulação da água nas caldeiras ocorre por diferenças de densidade, provocada pelo aquecimento da água e vaporização, ou seja, circulação natural. Se a circulação for deficiente, poderá ocorrer um superaquecimento localizado, com conseqüente ruptura dos tubos. As figuras a seguir apresentam alguns tipos de circulação de água.

Algumas caldeiras com circulação positiva podem apresentar bombas externas, dependendo da vazão exigida, ou seja, da demanda de vapor para forçar a circulação de água ou vapor, independentemente da circulação natural, isto é, por diferença de densidade.

Vantagens e desvantagens As vantagens das caldeiras de circulação positiva são: · tamanho reduzido; 14


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· não necessitam de grandes tubulões; · rápida geração de vapor; · quase não há formação de incrustações, devido à circulação forçada.

As desvantagens são: · paradas constantes, com alto custo de manutenção; · problemas constantes com a bomba de circulação, quando operando em altas pressões.

Partes das caldeiras aquatubulares: As partes principais de uma caldeira aquatubular são: tubulão superior (ou tambor de vapor), tubulão inferior (ou tambor de lama), feixe tubular, parede de água, fornalha e superaquecedor.

Tubulão superior: O 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 interior dele 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 6. 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. 15


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6. Tubo distribuidor da água de alimentação; observa-se a posição dos 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. Existem em alguns casos uma segunda chapa defletoras, cuja finalidade é separar partículas de água ainda contidas no vapor.

Existe ainda no tubulão superior um conjunto constituído de chapas corrugadas, denominado chevron ou filtro, cuja finalidade é reter a maior quantidade possível de partículas sólidas ou líquidas arrastadas pelo vapor, antes de o vapor sair para o superaquecedor. O tubo de alimentação de água é por onde a água entra no tubulão; a furação deste tubo deve ser posicionada de modo a que o jato d’água não se dirija contra a chapa do tubulão. É essencial que o tubo de alimentação esteja sempre bem fixado para não causar vibração e nem se soltar dentro do tubulão. O tubo de descarga contínua ou coletor é o responsável pela captação constante de água de drenagem que elimina sólidos em suspensão prejudiciais à caldeira, normalmente 1% do volume da água de alimentação. Em algumas caldeiras podemos ter, também, um tubo de injeção de produtos químicos instalado no tubulão superior. Tubulão inferior. O tubulão inferior, ou tambor de lama, também é construído em chapas de aço 16


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carbono. Nele, estão mandrilados tanto os tubos tubos de água que descem do tubulão tubulão superior quanto os tubos de vaporização que sobem para o tubulão superior. No tubulão inferior está instalado tomado 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.

Feixe tubular O 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. Os feixes tubulares podem ser: · Feixe tubular reto: muito usado em caldeiras mais antigas, nas quais os tubos eram ligados através de caixas ligadas ao tubulão de vapor. Veja ilustração abaixo:

•

Feixe tu tubular co com flfluxo cr cruzado:

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• Feix Feixe e tubu tubula larr com com flux fluxo o axia axiall (uti (utililiza zado do em em cald caldei eira rass a carv carvão ão com com alt alto o teor teor de cinzas).

Fornalha:

A fornalha, também chamada de câmara de combustão, é o local onde se processa a queima de combustível. De acordo com o tipo de combustível a ser queimado, a fornalha pode ser dividida em:

Fornalhas para queima de combustível combustível sólido: são as que possuem suportes e grelhas; podem ser planas, inclinadas ou dispostas em formas de degraus que ainda podem ser fixos ou móveis. Estas fornalhas destinam-se principalmente à queima de: lenha, carvão, sobras de produtos, casca de cacau, bagaço de cana, casca de castanha, etc. A alimentação do combustível pode ser feita de maneira manual ou 18


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automatizada. Apresentam como desvantagem o abaixamento de temperatura que podem ocorrer próximo à entrada de combustível, grande geração de resíduos e ter seu uso limitado em caldeiras de pequena capacidade. Normalmente, elas trabalham com grande excesso de ar, para melhorar as condições de fumaça da chaminé. ·

Fornalha com grelhas basculantes: é um tipo de fornalha muito usada para a queima de bagaço como combustível sólido e é dividida em vários setores. Cada setor possui elementos de grelha denominado barrotes. Estes barrotes se inclinam sob a ação de um acionamento acionamen to externo, que pode ser de ar a r comprimido ou de vapor. Com a inclinação dos barrotes, a cinza escoa-se para baixo da grelha, limpando-a. A redução de ar da combustão e a melhor distribuição do bagaço sobre a grelha aumentam consideravelmente o rendimento da caldeira. Fornalha com grelha rotativa: é um outro tipo de fornalha para a queima de combustível sólido na qual a queima e a alimentação se processam da mesma maneira que na grelha basculante, mas a limpeza é feita continuamente; não há basculamento dos barrotes. A grelha é acionada por um conjunto motor-redutor, o que lhe dá pequena velocidade, suficiente para retirar da fornalha as cinzas formadas num determinado período. O ar de combustão entra por baixo da grelha e serve para refrigeração, da mesma forma que na grelha basculante. Fornalhas para queima de combustível combustível em suspensão: são aquelas usadas quando se queimam óleo, gás ou combustíveis sólidos pulverizados. Para caldeiras que queimam óleo ou gás, a introdução do combustível na fornalha é feita através do queimador.

Queimadores:

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Os quei queima mador dores es são são peça peçass dest destin inad adas as a prom promov over, er, de form forma a adequ adequada ada e eficiente, a queima dos combustíveis em suspensão. Em volta do queimador, existe um refratário de formato cônico que tem grande importância para uma queima adequada do combustível lançado pelo queimador. Esse refratário tem as seguintes finalidades: •

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• •

• •

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• • •

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; Dar forma ao corpo da chama. Ao contrário dos combustíveis gasosos, gas osos, que já se encontram em condições co ndições de reagir com o oxigênio, os óleos combustíveis devem ser aquecidos e atomizados antes da queima. A preparação consiste em: Dosar as quantidades adequadas de ar e combustíveis; Atomizar o combustível líquido, ou seja, transformá-lo em pequenas gotículas (semelhante a uma névoa); 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. Para combustíveis sólidos pulverizados, a introdução de combustível na fornalha pode ser feita através de dispositivos de atomização que garantem a granulometria e a dispersão para queima dentro da fornalha.

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Superaquecedor: O superaquecedor é constituído de tubos lisos ou aletados de aço resistente a altas temperaturas, distribuídos em forma de serpentina, que aproveitam os gases de combustão para dar o devido aquecimento ao vapor saturado, transformando-o em vapor superaquecido.

Quando instalados dentro das caldeiras, podem estar localizadas, dependendo da concepção de projeto da caldeira: • •

Atrás do último feixe de tubos; Entre dois feixes;Sobre os feixes; Na fornalha. Existem alguns tipos de caldeiras nas quais o superaquecedor é instalado separadamente da caldeira. Em virtude disso, ele depende de outra fonte de calor para o aquecimento. A transmissão de calor para os superaquecedores pode ocorrer por convecção, radiação ou de forma mista, em função de sua configuração na construção da caldeira. Os superaquecedores correm o risco de ter seus tubos danificados, se não forem tomados alguns cuidados relativos à garantia de circulação de água/vapor na superfície interna, nas partidas e parada da caldeira. A regulagem da temperatura do vapor superaquecido normalmente é feita atuando-se nos queimadores, no sentido da chama ou no controle dos •

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gases de combustão, por meio da abertura ou fechamento de uma válvula “by-pass”, ou seja, de derivação, instalada no circuito dos gases.

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Economizador: O economizador tem a finalidade de aquecer a água de alimentação da caldeira. Normalmente Normalmente está localizado localizado na parte alta da caldeira caldeira entre o tambor 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 Pré-aquecedor de ar:

O pré-a pré-aqu quece ecedor dor de ar é um equip equipam amen ento to (troc (trocado adorr de calor) calor) que que elev eleva a a temperatura do ar antes que este entre na fornalha. O calor é cedido pelos gases residuais quentes ou pelo vapor da própria caldeira. 23


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A instalação desses equipamentos oferece a vantagem de melhorar a eficiência da caldeira pelo aumento da temperatura de equilíbrio na câmara de combustão. Pelo aumento de temperatura dos gases, a montagem da fornalha exige tijolos refratários fabricados com materiais de melhor qualidade. A existência de préaque aquece cedo dore ress caus causa a um aume aument nto o na perd perda a de carg carga a no circ circui uito to ar/g ar/gás ás de combustão, exigindo maior consumo de energia no acionamento dos ventiladores. De acordo com o princípio de funcionamento, os pré-aquecedores de ar podem se classificar em: pré-aquecedor regenerativo e pré-aquecedor tipo colmeia. Nos Nos prépré-aq aque uece cedo dore ress rege regene nera ratitivo vos, s, o calo calorr dos dos gase gasess de comb combus ustã tão o é transferido indiretamente para o ar, através de um elemento de armazenagem, por onde passa o ar e o gás de combustão, alternadamente.

O pré-aquecedor regenerativo tipo Ljungstron é constituído de placas de aço finas e corrugadas que são aquecidas quando da passagem dos gases de combustão e resfriadas quando da passagem do ar. Seu formato assemelha-se a uma roda gigante, girando lenta e uniformemente.

Combustão e Combustíveis Combustíveis Combustão A combustão pode ser definida como uma reação química exotérmica rápida entr entre e duas duas subs substa tanc ncia ia,, um comb combus ustí tíve vell e um comb combur uren ente te.. As reaç reaçõe õess exotérmicas são aquelas que liberam energia térmica. O combustível é a subs substa tanc ncia ia que que quei queima ma que que se oxid oxida. a. Cont Conten endo do em sua sua comp compos osiç ição ão,, principalmen principalmente te carbono e hidrogênio, hidrogênio, e, eventualment eventualmente e e em menores teores, outr outros os elem elemen ento toss reage reagent ntes es,, como como oxig oxigêni ênio o e enxo enxofr fre e ou ainda ainda outros outros elementos ou compostos que não participa da reação de combustão como a água. Comburente é o componente da reação de combustão que fornece oxig oxigên ênio io.. Em gera geral,l, é usad usado o o ar atmo atmosf sfér éric ico o que que apre aprese sent nta a a gran grande de 24


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vant vantag agem em de não não ter ter cust custo o de forn fornec ecim imen ento to.. Entr Entret etan anto to,, o ar cont contém ém relativament relativamente e pouco oxigênio, existindo existindo 3,76 volumes de nitrogênio nitrogênio para cada volume de oxigênio, ou seja, a composição do atmosférico é aproximadamente composta com 21% de oxigênio e 79% de nitrogênio, além de trazer alguma umidade. 3,76 = 79 / 21 Os produtos da combustão são tipicamente gasosos. Contudo os elementos do combustível que não se oxidam ou já estão oxidados vão constituir as cinzas.

Reação de combustão: O conh conhec ecim imen ento to bási básico co das das reaç reaçõe õess de comb combus ustã tão o perm permitite e esti estima marr o reque requeri rime ment nto o de ar teóri teórico co e as cond condiç ições ões reai reaiss de sist sistem emas as util utiliz izan ando do combustíveis

C + O2 → CO2 + 8100 kcal/ kg H + O → H2O + 34100 kcal/kg S + O2 → SO2 + 2200 kcal/kg Deve ser observado que para cada caso existe uma quantidade determinada de oxigênio, portanto de ar a ser fornecido para que ocorra a reação completa. A combustão completa ocorre quando todos os elementos combustíveis contidos no combustível (C, H, S etc.) combinam com o oxigênio do ar, fornecendo os produtos finais correspondentes estáveis quimicamente. A proporção exata de ar e combustíveis para uma combustão completa são conhecidas como relação ar/combustível estequiométrica, uma propriedade característica de cada combustível. Por exemplo, à maioria dos combustíveis derivados do petróleo requer da ordem de 14 kg de ar por kg de combustível, enquanto a lenha seca requer cerca de 6 kg de ar por kg. Dependendo da temp temper erat atur ura a e da pres pressã são o esta esta quan quantitida dade de de ar corr corres espo pond nder erá á a um determinado volume. Estequiometria da combustão

Exemplo 1: Determinar a proporção estequiométrica de ar/combustível ar/combustível para o propano. Propano: C3H8

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Ar atmosférico: O 2 + 3,76N2 (para cada volume de oxigênio o ar atmosférico contém 3,76 volumes de nitrogênio). O balanceamento das equações é feito levando-se em conta a conservação da massa dos elementos químicos, ou seja, para um determinado elemento, carbono, por exemplo, o numero de átomos que existirá nos produtos de combustão é o mesmo numero de átomos dos reagentes. C3H8 + x. (O2+3,76N 2)→ 3CO2 + 4H2O+yN2 A quan quanti tida dade de “x” “x” é o nume numero ro de molé molécu cula lass de O 2 neces necessá sário rio para para a realização da combustão completa do propano. Como a combustão no caso é feita com o ar atmosférico, para cada molécula de oxigênio do ar, é considerado obrigatoriamente 3,76 moléculas de nitrogênio. A necessidade de oxigênio “x” é calculada fazendo-se o balanceamento dos átomos de oxigênio: 2x= (3.2) + 4 X=5 y=3,76. x y=3,76. 5 y=18,8 Isto significa que para cada mol de propano, ou cada volume de propano são necessários 5 volumes de oxigênio e conseqüentemente: 5. (1+3,76) =23,8 volumes de ar atmosférico Log Logo, par para a queim ueimaa tot total do prop propaano é nec eceessária ria uma uma relaç lação ar/combustível ar/combustível de 23,8volumes 23,8volumes de ar/1 volume de combustível. combustível. 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 = 3.12 + 8.1=44

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1 mol de propano pesa 44 kg e necessita de 23,8 mols de ar, que pesa 686,4 kg (5.32+5.3,76. 28), ou seja, a relação ar/combustível. =15,6kg de ar/1 kg de combustível. Exemplo 2: Uma amostra de querosene tem análise básica de 86% de carbono e 14% de hidr hidro ogêni gênio o por peso peso.. Det Determi rmine a propo roporç rção ão este stequi quiomé ométric tricaa de ar/combustível. Vamos tomar uma base arbitrária de 100 kg de querosene e vamos converter a quantidade em massa de cada elemento em quantidade de kmol; Cada 100 kg de combustível possuem: 86 kg de carbono, que corresponde a 86/12 =7,17 kg/mol de carbono. 14 kg de hidrogênio correspondem a 14/1=14 kg/mol de hidrogênio A reaçã ção o estequ tequiiomét ométri rica ca pode ode ser escrit rita, faze zend ndoo-se se o dev devido balanceamento: 7,17C + 14H + x. (O 2 + 3,76N2)→7,17CO 2 + 7H2O + YN2 2. x=7,17. 2+7 x=10,67 Massa de ar necessária: 10,67. 32+10,67.3,76.28= =1464,8 kg Relação ar/combustível= =1464,8/100 = =14,64 kg de ar atmosférico/1 kg de combustível Exemplo 3: Um combustível fóssil tem uma composição em peso de: Carbono 72%

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Hidrogênio 14% Oxigênio 8% Nitrogênio 2,8% Enxofre 3,2% Determine a proporção estequiométrica de ar/combustível: C 72%

H 14%

O

N

8%

2,8%

S 3,2%

Massa do constituinte Para 100 kg de comb.

72

14

8

2,8

3,2

Mol em kg

12

1

32

14

32

kg/mol

6

14

0,5

o, 2

0,1

A equação estequiométrica estequiométrica fica: 6C+4H+0,5O+0,2N+0,1S+ 6C+4H+0,5O+0,2N+0,1S+ x. (O 2 +3,76N 2)→6CO2+7H2O+0,1S0 2+ yN2 2.x + 0, 5 = 6.2 + 0,1. 2 x=9,35 A massa de ar requerido: 9,35. 32+9,35.28= =1283,6 kg Relação ar/combustível ar/combustível = =1283,6/100 =12,8 kg de ar/1 kg de comb. Excesso de ar: Como a reação de combustão deve ocorrer de forma rápida e em volumes limitado (volume da câmara de combustão), para assegurar que todo o

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combustível se oxide, é necessário colocar sempre algum ar em excesso, senão senão aparecer apareceráá combustív combustível el sem queimar, queimar, com evi evidente dentess implicaçõ implicações es econômicas ambientais. De outro lado, o excesso de ar para combustão deve ser sempre o menor possível, pois o ar, além de oxigênio, sempre traz consigo uma massa elevada 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 combustível. Ou seja, se a correta proporção entre o ar e o combustível não for mantida, haverá insuficiência ou excesso de ar, além do mínimo recomendável e, conseqüentemente, perda de eficiência eficiência no processo. Como podemos observar observar um combustível combustível especifico requer uma quantidade especifica de ar para atingir a combustão completa teórica. Como vimos é necessários necessários uma quantidade adicional para atingir a combustão completa do combustível, uma quantidade de ar abaixo desta desta quanti quantidad dadee prátic práticaa pode pode se serr recon reconhec hecida ida pelo pelo aparec aparecime imento nto de quantidade excessivas excessivas de monóxido de carbono (CO) no gás de combustão, um pouco antes da produção da fumaça preta (fuligem). O excesso de ar é reconhecido pela grande quantidade de oxigênio no gás de combustão. Teor de CO2 no gás de exaustão: A medida do teor de CO 2 no gás de exaustão seca dá 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 relação ar/combustível for estequiométrica.

Na prát prátic icaa as conc concen entr traç açõe õess de CO 2 dev devem ser mais bai baixas que que a estequiométrica pela necessidade de se usar ar em excesso a fim de se atingir a combustão completa. A quantidade de excesso de ar atmosférico 29


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necessária decresce com o aumento da capacidade e com o rendimento maior nos equipamentos de combustão, são valores típicos: Gases: 0 a 10% Líquidos: 2 a 30% Sólidos: > 50% Determinação Determinação da análise teórica do gás de combustão: A deter determin minaçã ação o das propor proporçõe çõess de ar/com ar/combus bustív tível el es esta ta encami encaminha nhada da a partir dos produtos da análise análise teórica teórica do gás de combustão. combustão. A qualificação qualificação teóric teóricaa está está as assin sinala alada da porque porque,, devido devido a pontos pontos práti práticos cos observ observado adoss anteriormente, algumas diferenças podem ser encontradas entre a análise real do gás e a proposta nas mesmas condições iniciais. Então, a análise teórica indica a situação ideal, e quanto mais perto da análise pratica estiver estiver melhor. Para, qualquer instalação que utiliza combustível, a experiência vai ditar o limite desta aproximação. Para combustíveis gasosos, a estimativa da análise do gás de combustão é um cálculo feito diretamente na base volumétrica. Vamos calcular a relação estequiométrica para o propano. Exemplo 4: Um gás propano propano com composição igual igual a: C3H8 20%

CO 25%

H2 30%

N2

CO2

10%

10%

O2 5%

em volume, é queimado com 20% de excesso de ar. Determine a análise do gás de combustão seco. Solução: Balanço estequiométrico 20 C 3H8 +25CO+10H 2 +30N2 + 10CO2 +10O2 + x. (O2 + 3,76N2)→95CO 2+110H2O +yN2 balanço de oxigênio: 25+2.10+2.5+2.x = 2.95+110 x = 122,5 (volume de oxigênio)

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2.30 + 122,5. 3,76= y y = 460,4 ( volumes de nitrogênio) 122,5+122,5. 3,76 = 583 (volumes de ar). relação ar/combustível = 583,1/100 = 5,83 volumes de ar / 1 volume de comb. Este exercício nos mostra que para cada 100 volumes deste combustível ele requer 122,5 volumes de oxigênio, ou 583 volumes de ar atmosférico. Dessa forma, 20% de excesso significam que 24,5 volumes extras de oxigênio são fornecidos, para ir através do sistema sem alterar. Associado a este total de 147 volume ( 122,5 + 24,5) de oxigênio, haverá 553= (460,4 . 1,2)volumes de nitrogênio para se acrescentar aos 100 de combustível. A composição em volumes dos produtos de combustão incluídos o excesso de ar fica: 95CO2 + 110H2O + 552,7N 2 + 24,5O2 Volume total dos gases secos - 95 + 552,7 + 24,5 = 672,2 Volume total dos gases úmidos – 95 + 110 + 552,7 + 24,5 = 782,2 Exemplo 5 Metano é queimado com uma deficiência de 5% de ar estequiométrico. Calcule a análise do gás de combustão. Calculo da combustão estequiométrica: estequiométrica: CH4 + x.(O2 + 3,76N2) → CO2 + 2H2O + 7,52N 2 2.x = 2 + 2 x=2 Calculo da combustão do metano com deficiência de 5% de ar: CH4 +1,9.(O 2 + 3,76N2) → aCO2 + b CO +c H2O + 7,14N 2 Na combustão estequiométrica estequiométr ica x = 2 5% de 2 = 1,9 Y = 7,52

5% de 7,52 = 7,14

Para o carbono: a+b=1 (1)

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Para o oxigênio: 2a + b + c = 2. 1,9 = 3,8

(2)

Para o hidrogênio: 2c = 4 → c = 2 substituindo c na equação (2) 2a + b + 2 = 3,8 2a + b = 1,8 (3) substituindo (1) em (3) teremos: teremos: 2(1-b) + b = 1,8 → b=0,2 então → a = 0,8 CH4 +1,9.(O 2 + 7,14N2 → 0,8CO2 + 0,2CO + 2 H 2O + 7,14N 2 Exemplo 6: O metano é queimado com excesso de ar e dá uma análise de gás de combustão seco de: CO2

O2

N2

9,15%

4,58%

86,27% por volume.

Calcule a quantidade de ar excedente utilizada. Vamos incluir na equação de combustão um coeficiente de excesso de ar, lembrando que como o excesso de ar é medido pelo teor de O 2 nos gases de combustão teremos: CH4 + φ. 2 . (O 2 + 3,76 N 2 ) → CO2 + 2 H2O + (φ – 1 ) . 2. O 2 + φ.7,52N 2 Φ = Coeficiente de excesso de ar Do exemplo 5: x = 2 ( oxigênio oxigênio estequiométrico) estequiométrico) O excesso de ar é medido pelo teor de O 2 nos gases de combustão por isso a parcela: (φ – 1 ) . 2. O 2.

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O coeficiente de ecesso de ar φ é definido como a relação entre o numero de mols realmente utilizado na combustão e o numero de mols estequiométrico. Φ = nreal / nestequiométrico Produtos de combustão secos: 1 + (φ – 1 ) . 2. + 7,52φ = 9,52φ – 1 Como a concentração de CO 2 é de 9,1 9,15% 5% nos gase gasess secos secos é possív possível el determinar o coeficiente de excesso de ar aplicando a formula: 0,0915 = 1/9,52φ – 1 φ = 1,25 Combustíveis: Comb Combus ustí tívveis eis para para util utiliz izaç ação ão em ener energi giaa e aque aqueci cime ment nto o indu indust stri rial al apresentam características importantes tais como: • • •

Baixo custo por conteúdo energético Possibilidade Possibilidade de utilização dentro de tecnologia disponível Baixo custo operacional e de investimento investimento

Os combus combustív tíveis eis podem podem se serr cla class ssifi ificad cados os quanto quanto a sua forma forma física: Sólidos, líquidos e gasosos. Sólidos : Lenha; Carvão Mineral; Bagaço de Cana;

Casca de Arroz

Líquido: Óleo Diesel; Óleo combustível; Álcool Gasoso :Gás Natural; GLP

Poder Calorífico é quantidade de energia liberada na combustão de 1 kg de combustível, expressa em Kcal. Exemplos:

Combustível Lenha de Eucalipto umidade 30%

Poder Calorífico (Kcal/kg) 3.160

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Lenha de Eucalipto umidade 50%

2.260

Óleo combustível

10.200

Bagaço da Cana umidade 50%

2.200

Comp Compos osiç ição ão dos dos comb combus ustí tíve veis is:Os :Os comb combus ustí tívveis eis indu indust stri riai aiss apresentam em sua composição alguns dos seguintes elementos ou compostos. • • • • • • •

Carbono Hidrogênio Oxigênio Enxofre Nitrogênio Água Cinzas

C H O S N H2O Z

Carbono e hidrogênio são os elementos que mais contribuem para o poder calo ca lorí rífi fico co dos dos comb combus ustí tívveis eis e oxig oxigên ênio io é gera geralm lmen ente te pres presen ente te em combustíveis vegetais, sendo que sua presença diminui o poder calorífico do combustível, bem como as exigências teóricas de ar de combustão. Embora o enxofre seja também um combustível, este traz conseqüências prejudiciais ao meio ambiente ambiente e aos aos equipamentos, equipamentos, conforme veremos veremos a seguir. •

•

•

•

Seu Seu pode poderr calorí orífic fico é menor enor que que o carbo rbono e hidrogênio Os produtos de combustão, SO 2, SO3, em presença de umidade formam ácidos sulfúricos, que irá atacar as partes mais frias da instalação. O ácido sulfúrico (H 2SO4), é o principal causador de “chuva ácida”, com conseqüências desastrosas para o meio ambiente. Se a atmosfera da combustão for redutora, pode haver formação formação de H 2SO4 , ou outros compostos, que são perigosos e podem produzir mal cheiro.

Nitrogênio: é responsável pela formação de diversos óxidos, N 2O, NO e NO2 que são compostos de alta irritabilidade para as mucosas além de reagirem com o ozona da atmosfera (O3). Out Outros ros eleme ment nto os oco ocorrem rem ev eveentua ntuallme men nte nos nos combus mbusttívei íveiss em concentração muito pequena, porém de efeito não menos importantes. Os metais são mais freqüentes:

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CEFETES – Unidade de São Mateus •

Níquel

•

Sódio

•

Potássio

•

Manganês

•

Vanádio

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Vanádio: forma um oxido: V 2O3 , que é catalizador da reação de formação do acido sulfúrico, agravando as conseqüências conseqüências de corrosão com combustíveis que contenham enxofre. Sódio e potássio contribuem para a corrosão a baixa temperatura formando compostos de baixo ponto de fusão, podendo inclusive atacar os materiais refratários. Os sais minerais, compostos de Al 2O3, Fe2O3, Cao, MgO e SiO 2, aparecem praticamente praticamente só nos combustíveis sólidos, formando as cinzas. O teor eor das cinz cinzaas e o pon ponto de fusã fusão o dos sa saiis cons onstit tituem uem fatore ores import important antes es na se seleç leção ão e esc escolh olhaa do combu combust stív ível el e mes mesmo mo do tipo tipo de forn fornal alha ha.. As cinz cinzas as de baix baixo o pont ponto o de fusã fusão o pode podem m ca caus usar ar sé séri rios os transtornos na condução de um gerador de vapor, entupindo passagens da grelha, obstruindo a entrada de ar de combustão, ou depositando-se sobre as paredes refratarias e tubulações danificando-as. As cinzas de alto ponto de fusão são, pois preferíveis. A água gua é norm ormalm lmen entte encon nconttrada rada em todo odos os comb combus usttíve íveis, is, principalmente nos combustíveis sólidos, na forma de umidade, e traz duas conseqüências: • •

Diminui o poder calorífico do combustível Aument umentaa a temp temper erat atur uraa do pont ponto o de orva orvalh lho o do ác ácid ido o sulf sulfúr úric ico, o, aumentando os problemas de corrosão.

Combustíveis Combustíveis líquidos Os combus combustív tíveis eis líquid líquidos os são amplam amplament entee utili utilizad zados os na indust industria ria pela pela facil facilida idade de de armaze armazenam nament ento, o, operaç operação ão e transp transport orte, e, e os deriv derivado adoss de petróleo praticamente estão presentes na maioria das aplicações. aplicações. A ca cara racte cteriz rizaç ação ão dos combus combustí tíve veis is líquid líquidos os compr compreen eende de a mediç medição ão de algumas propriedades aplicáveis a estes, as quais serão definidas a seguir.. •

Ponto de fulgor – é a temperatura do combustível na qual, sob a ação de uma chama escorvadora sobre a superfície liquida do mesmo, provoca uma ignição na temperatura do ponto de fulgor a combustão não é

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•

•

•

•

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mantida. Esta propriedade é muito importante para o armazenamento do combustível. Ponto de ignição – é a temperatura do combustível na qual a chama escorvatória provoca uma combustão continuada sobre a superfície do mesmo. Temperatura de auto-ignição – é a temperatura mínima de uma mistura ar/c ar/com ombu bust stív ível el na qual qual a comb combus ustã tão o é inic inicia iada da e se ma mant ntém ém,, se sem m presença de uma chama escorvadora. Pont Ponto o de flui fluide dezz – é a temp temper erat atur uraa mí míni nima ma nece necess ssár ária ia para para que que o combustível combustível se torne um fluido. Visc Viscos osid idad adee – é uma uma im impo port rtan ante te prop propri ried edad adee pois pois dete determ rmin inam am as tempe mperatu raturras de arma rmaze zena name ment nto, o, bomb bombea eam mento ento econôm onômiico e pulverização pulverização (atomização) para combustão.

Óleo combustível combustível O óleo óleo comb combus ustí tívvel: el: é a fraç fração ão ma mais is im impo port rtan ante te para para os sist sistem emas as de aquecimento industrial, devido a seu baixo preço. Apesar de no inicio da utilização do petróleo, frações mais leves tais como diesel e o querosene terem sido utilizados, atualmente, atualmente, tais derivados derivados são reservados reservados a utilização com maior exigência de qualidade de combustível, tais ,como motores de combustão interna e turbinas de aviação. A tendência atual é adequar o perfil de refino a maior produção de diesel e conseqüentemente, o óleo combus combustív tível el utiliz utilizado ado pela pela indust industria ria tem sua densid densidade ade e visco viscosid sidade ade aumentada, além de maior teor de enxofre. A especificação básica para óleos combustíveis é a viscosidade, o ponto de fluidez e o teor de enxofre. A viscosidade é determinada em aparelhos que se baseiam no tempo de escoamento de um dado volume de óleo a uma temperatura constante. Os tipos de viscosímetros mais utilizados são: •

Saybolt, com dois tipos; SSU, Segundos Saybolt Universal e SSF, Segundos Saybolt Furol.

•

Engler.

•

Redwood

Combustíveis Combustíveis gasosos Os combustíveis gasosos têm aumentado sua aplicabilidade na industria nacion nacional al,, respon responden dendo do a demand demandaa por fontes fontes de energi energiaa mai maiss lim limpas pas e efic eficie ient ntes es.. A limi limita taçã ção o de se seu u cres cresci cime ment nto o es está tá na disp dispon onib ibil ilid idad adee e dist distân ânci ciaa dos dos ce cent ntro ross cons consum umid idor ores es pela pela sua sua ma maio iorr difi dificu culd ldad adee de transporte, apesar de hoje este problema começa a ser solucionado. 36


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Propriedades dos combustíveis combustíveis gasosos: A composição química pode ser facilmente determinada através da analise em labo labora rató tóri rio, o, em crom cromat atog ogra rafo foss quím químic icos os.. O pode poderr calor aloríf ífic ico o é normalmen normalmente te dado em termos termos de energia/ energia/volu volume, me, relativ relativaa a determin determinada ada condição de temperatura e pressão. Em alguns casos pode ser fornecido em termos de massa/energia. •

•

Densidade relativa – é a densidade do gás em relação ao ar nas mesmas condições de pressão e temperatura. Numero de Wobb – é uma relação entre o poder calorífico calorífico e densidade relativa e é calculado pela seguinte equação: W=PCI / √dr

A importância do numero de Wobb está ligada a intercambiabilidade de gases para uma mesma aplicação ou queimador. Observe que a relação de poder calorífico e a raiz quadrada da densidade relativa têm a ver com a quantidade de energia (por volume) que é possível passar por determinado orifício com a queda de pressão correspondente. Em outras palavras, no que se refere a potencia de um dado queimador, gases com o mesmo numero de Wobb vão apresentar apresentar o mesmo desempenho energético. Combustíveis Combustíveis sólidos: Os principais combustíveis sólidos são a lenha e o carvão mineral. Este tem import importânc ância ia muito muito grande grande na produç produção ão de energi energiaa térmic térmicaa e elétr elétric icaa na Europa, mas no Brasil está restrita a região Sul, próximos aos grandes centros produtores. A lenha tem grande importância dada o seu potencial de utilização no Brasil. Analise imediata da composição de um combustível combustível sólido: São deter determin minado adoss alguns alguns parâme parâmetro tross relac relacion ionado adoss com a utiliz utilizaçã ação o do combustível: •

Carbono Fixo

•

Material Volátil

•

Cinzas

•

Umidade

•

Enxofre Total

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A matéria volátil é à parte do combustível que se separa em forma gasosa dura durant ntee o aque aqueci cime ment nto o do me messmo. mo. É comp compos osto to de hidr hidroc ocar arbo bone neto toss even ev entu tual alme ment ntee pres presen ente tess na es estr trut utur uraa sóli sólida da e outr outros os gase gases, s, que que sã são o formados num processo de pirolise, tais como hidrogênio, monóxido de carbono e metano. O teor de voláteis tem influencia no comprimento da chama, no acendimento e no volume necessário da fornalha. O carbono fixo é o resíduo combustível combustível deixado após a liberação do material volátil. Compões-se principalmente principalmente de carbono, óxido de magnésio, etc. A umidade presente no combustível sólido é importante para determinação do seu poder calorífico.

Secagem: É o processo através do qual o combustível perde toda a umidade macroscópica que o acompanha. Quando a partícula começa a receber calor a umidade abandona o material através de seus poros e sai ao exterior em forma de vapor. Supõe-se que a uma temperatura de 105-110°C, toda a partícula esteja seca completamente. Emissão de voláteis : É o processo por meio do qual o combustível perde uma parte da matéria combustível que forma parte de sua composição química. Esta etapa começa sobre uma temperatura de 140-150°C e se mantém até os 230°C aproximadament aproximadamente, e, sendo emitidos neste período, as frações frações voláteis voláteis mais ágeis, de menor peso molecular..

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Ignição de voláteis : É o processo por meio do qual as frações de voláteis gerados e liberados na primeira etapa de desvolatilização alcançam a temperatura de ignição. Queima dos voláteis na chama: É o processo por meio do qual as frações de voláteis gerados e liberados na primeira etapa de desvolatilização começam a queimar em forma de chama. Combustão do resíduo de coque : É o processo pelo qual as frações de voláteis voláteis gerados na primeira etapa de desvolatilização alcançam a temperatura de ignição. Dispositivos Dispositivos e controles de segurança: Todos os trabalhos relacionados com o projeto e fabricação de caldeiras devem obedecer às recomendações pelas normas técnicas. Entretanto, deve-se levar em conta também, que ao longo da vida útil da caldeira, podem ocorrer alterações acentuadas na estrutura desse material aos problemas de superaquecimento. Partindo-se desta constatação, o risco de acidente tende a aumentar na medida que diminui a tensão admissível do material e a espessura efetiva da parede do recipiente. Portanto, Portanto, para que a segurança segurança da caldeira caldeira seja preservada, preservada, o equipamento equipamento deve rece recebe berr aten atençõ ções es perm perman anen ente tes, s, adot adotan ando do-s -se e medi medida dass de corr correç eção ão ou, ou, simplesmente, modificando-se a pressão de trabalho da instalação. Em termos mais gerais, entretanto, deve-se levar em conta a possibilidade de acidentes relaci relacionad onados os não apenas apenas com uma eventu eventual al explos explosão ão do equipa equipamen mento, to, mas também com incêndios, choques elétricos e intoxicação. Dentre Dentre os casos casos mais mais freqüen freqüentes tes,, envolve envolvendo ndo explosã explosão o de caldei caldeira, ra, pode-se pode-se relacionar; •

• • •

A elevação da pressão de trabalho acima da pressão máxima de trabalho admissível ( PMTP). Superaquecimento excessivo e/ou modificação da estrutura do material. Ocorrência de corrosão do material. Ignição espontânea, a partir da névoa ou de gases inflameis remanescente no interior da câmara de combustão.

O alto grau de superaquecimento, combinado com a ação prolongada de vapor sob pressão, interfere na estrutura estrutura molecular do material material e provoca deformações deformações como empena empenament mento o ou abaula abaulamen mento to de tubos, tubos, especia especialme lmente nte nas caldei caldeiras ras aquotubular. O problema é mais comum nas regiões próximas aos queimadores e tende a se agravar pela presença de incrustações generalizadas pela presença de sulfatos, carbonatos,silicatos e sólidos em suspensão. A incrustação se comporta como isolante térmico, prejudicando o trabalho de refrigeração dos tubos. Além de promover o superaquecimento excessivo do aço, as incrustações favorecem a

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migr migraçã ação o de agent agentes es corro corrosiv sivos os para para sua inte interf rfac ace e com com a pared parede e do tubo, tubo, aumentando o risco de explosão.

Limite de segurança da caldeira, de acordo com a pressão máxima de trabalho permitida

A refrigeração dos tubos está condicionada a uma circulação continua e eficiente de água. Velocidade da ordem de 0,5 m/s são esperadas em paredes d’água exposta ao calor por irradiação. Nos feixes tubulares, dependendo da carga da caldeira e das condições internas de escoamento, o efeito de circulação natural pode-se se anular. Falta de água ou circulação deficientes são causas mais freqüentes em acidentes com as caldeiras de vapor. O empre mprego go de mat materi erial defe defeit ituo uoso so,, o posi posici cion onam amen ento to inade nadequ quad ado o dos dos queimadores queimadores ou o dimensioname dimensionamento nto incorreto da caldeira caldeira potencializa potencializam m os riscos de acidentes. A incidência direta da chama sobre as paredes d’água ou feixes tubulares implica em conseqüências graves, decorrentes do superaquecimento localizado e da fluência do material.

Controle manual de nível de água: Na maioria das caldeiras o nível normal de água é no centro horizontal do vidro indicador. No caso de indicadores escalonados, esse nível é no centro, entre a parte superior do mais alto e a parte inferior do mais baixo. Nas caldeiras onde são são inst instal alad ados os dois dois indi indica cado dore ress de níve nível,l, este este será será visí visíve vell em ambo amboss os indicadores, se estiver na altura correta. Enquanto o nível estiver visível em um ou em ambos os indicadores ele pode ser corrigido, mas se o nível cai ou sobe, de tal maneira maneira que desapare desapareça ça dos dois dois indicad indicadores ores,, devemos devemos tomar tomar providên providência ciass imediatas para parar a caldeira. O nível de água normal é no meio do tubo. Todavia, há muitas caldeiras que não segu seguem em essa essa regr regra a de cons constr truç ução ão.. Os oper operad ador ores es deve devem m cons consul ulttar o departamento departamento de manutenção manutenção de sua instalação, instalação, para se certificarem certificarem da posição posição correta do nível de suas caldeiras. A quantidade de água que é fornecida à caldeira c aldeira deve, a cada instante, ser igual à quantidade que saiu sob a forma de vapor. No entanto, durante mudanças bruscas de consumo de vapor o nível da falsa indicação de variação, quando aumenta o 40


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consumo, as bolhas de vapor que se formam abaixo da superfície de água se expa expand ndem em mais ais do que que est estas elev elevam am mome moment ntan anea eam ment ente o nív nível. el. Se a alimentação alimentação for reduzida nessa ocasião, ocasião, há perigo de se ter água abaixo do nível correto logo em seguida, quando as condições estáveis de funcionamento forem estabelecidas. A manutenção do nível correta nos indicadores é uma atividade que requer permanente atenção do operador.

Avarias no controle do nível de água Água alta: Se o nível nível da água água ficar ficar muito muito alto, alto, irá ocorrer ocorrer arrasta arrastament mento, o, especia especialme lmente nte quando a demanda de vapor é muito grande ou está flutuando rapidamente. O níve nívell que que deve deve ser ser mant mantid ido o para para,, ao mesm mesmo o temp tempo o em que que se impe impede de o arrastamento, arrastamento, manter uma quantidade quantidade suficiente para a demanda de vapor, deve ser determinado para cada instalação, através da experiência de seus operadores. Se o nível alto for mais do que uma situação momentânea, ou se há alguma duvida quanto à localização do nível da água, o desaparecimento da marca de nível dos indicadores deve ser encarado como uma avaria que requer que a caldeira seja apagada imediatamente.

Água baixa: A água baixa é a mais séria e mais freqüente das emergências eme rgências em uma caldeira. Se a caldeira estiver estiver em controle controle manual, manual, é geralmente geralmente o resultado resultado de falta de aten atençã ção o do oper operad ador or.. Outr Outras as caus causas as poss possív ívei eiss são são a falh falha a da bomb bomba a de alimentação, vazamentos no sistema de alimentação, uma válvula de retenção defeituosa, defeitos nos sistemas automáticos e nos alarmes da água baixa e muitos outros defeitos que, se não forem descobertos e corrigidos logo podem provocar um baixo nível de água na caldeira. Quando à água baixa de nível o suficiente para descobrir partes dos tubos geradores, a superfície imersa fica reduzida e se não houver nenhuma alteração nas demais condições, a pressão irá cair. Normalmente uma queda de pressão do vapor é devido ao maior consumo e a tendência natural é tentar equilibrar a pressão acendendo mais queimadores ou aumentando o fogo dos que já estão acesos. Essa providência está correta se a queda de pressão foi devida a um acréscimo de consumo de vapor. Se, todavia, a queda de pressão foi devida a baixo nível de água, acelerar a combustão resultará em danos sérios para o mate materi rial al.. Quan Quando do ocor ocorre rerr uma uma qued queda a de pres pressã são o , cuj cuja raz razão não não seja seja rigorosamente conhecida. Verifique o nível de água antes de ascender mais maçaricos ou de aumentar a pressão de óleo. Se a caldeira caldeira tiver água em nível baixo, o calor da fornalha agindo sobre os tubos secos provocara o seguinte: distorção do invólucro, destruição dos refratários, vazamentos sérios de água e vapor, destruição de tubos.

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Em caso de água baixa siga os procedimentos abaixo: 1) Corte de óleo para todos os queimadores 2) Corte a alimentação fechando a válvula de alimentação. 3) Corte o vapor 4) Se há alguma dúvida quanto ao fato do nível de água estar alto ou baixo, drene os indicadores para ter certeza. 5) Se o caso for de água alta, dê uma extração de superfície, para trazer o nível para a situação normal. 6) Reacenda os queimadores e coloque a caldeira na linha normalmente. 7) No caso de nível baixo, abra a válvula de segurança a mão, com todo o cuidado, e deixe que a pressão da caldeira diminua gradativamente. 8) Feche o ar para a caldeira. Pare os ventiladores de tiragem forçada. No caso de água baixa é essencial que não se tente restabelecer o nível normal com o aume aument nto o de supr suprim imen ento to de água água.. A cald caldei eira ra deve deve ser ser deix deixad ada a esfr esfria iand ndo o lentamente e qualquer parte que tenha sofrido um aquecimento excessivo sofrerá um process processo o de recoz recozim imen ento to que mini minimi miza zara ra a possi possibi bililida dade de de avari avarias as posteriores.

Controle do nível de água As unidades geradoras de vapor devem estar preparadas para operarem sob condições de máxima segurança e de modo a garantir pleno funcionamento do proce processo sso de comb combust ustão ão e geraç geração ão de vapor vapor.. A inst instal alaç ação ão de disp dispos osititiv ivos os auxiliares de operação e de segurança tem o propósito de controlar a alimentação de água, alimentação de combustível, de prevenir a ocorrência de incrustações, depósitos de fuligem e, sobretudo, de evitar que o nível de pressão se eleve acima dos níveis normais da caldeira. O sist sistem ema a de cont contro role le de água água func funcio iona na em conj conjun untto com a bomba omba de alimentação, alimentação, de modo a manter o nível de água no tambor principal ou inferior da caldeira. Diversos tipos de reguladores são disponíveis no mercado. Caldeiras de médi médio o e de gran grande de port porte e são são norm normal alme ment nte e equi equipa pada dass com com regu regula lado dore ress pneumáticos ou elétricos. Nas caldeiras de menor porte, numa faixa inferior a 50t/h de vapor, são mais comuns os reguladores de eletrodos e reguladores termohidraulicos. Este sistema consiste em aproveitar a condutividade elétrica da água, com o auxilio de dois ou mais eletrodos de aço inoxidável. O suprimento de água água pode pode depe depende nderr de cont control role e manu manual al.. Ness Nesse e caso, caso, é impor importa tant nte e que que o operador tenha a noção exata de quando a água deverá ser introduzida no interior da caldeira. A presença de visor é indispensável ao operador de caldeira. Nas caldeiras de médio e de grande porte são instalados um visor e um indicador remoto de nível. Os indicadores remotos são projetados para uso em tambores montados em locais mais altos, de difícil aceso, ou que dificultem a leitura direta por por part parte e do oper operad ador or.. Seu Seu func funcio iona name ment nto o pode pode se base basear ar no prin princi cipi pio o hidrostático, onde qualquer variação do nível do tambor, pode ser transmitida sem o uso de dispositivos mecânicos ou elétricos, os indicadores de nível devem ser instalados com bujões de limpezas, registro ou válvula de dreno. A drenagem é 42


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importante par que se elimine o lodo e as impurezas que, eventualmente se acumulam no indicador de nível.

Sistema de controle por eletrodos para alimentação de água de caledeira As bombas de alimentação e os injetores desempenham o importante papel de reposição de água, para que a caldeira possa atender a demanda de vapor. As bombas centrifugas têm mostrado os melhores resultados, pela simplicidade de seus componentes e pela facilidade de manutenção. Embora menos eficiente, bombas alternativas alternativas ou de pistão também também tem sido utilizadas, utilizadas, principalment principalmente e por permitirem a aplicação de diferentes fontes de energia para seu acionamento.

Sistema de alimentação de água em caldeiras

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Nas caldeiras de alta pressão são utilizadas bombas centrifugas de multiestagio. Nas caldeiras de pequeno porte, é comum a instalação de injetores de vapor. São dispositivos, destinados á alimentação de água, como alternativa em caso de falha na bomba convencional. O funcionamento é baseado no escoamento de vapor, proveniente da própria caldeira, através de uma série de tubos, a depressão é sufic suficie ient nte e para para succ succio iona narr água água do tanqu tanque e de alim alimen enta tação ção e, em segui seguida da,, pressurizá-lo até o nível de operação da caldeira.

Controle de segurança. São dispositivos dispositivos projetados projetados para apagar o queimador, queimador, na eventualidade eventualidade de falha de ignição ou falha de chama subseqüente à ignição, de modo a não permitir que a fornalha inunde de óleo. Podem ser termostaticas, fotoelétricos, fotocondutores.

Sensores termostáticos: Consistem de uma espiral bimetálica e de uma chave elétrica. A espiral é instalada de modo a ficar no caminho dos gases e está ligada ao circuito de tal modo que não é possível acender o queimador com a chave aberta. Quando a caldeira está apagada a espiral estará em posição tal que manterá os contatos abertos. Um circuito paralelo permite que se faça a ignição inicial. Quando a caldeira é acesa, o calor da fornalha dilata a espiral, a qual vai manobrar com a chave. Se a caldeira apagar-se, a espiral é resfriada, se contrai e abre o circuito elétrico do queimador. feito o com com uma uma cél célula ula foto otoelét elétri rica ca,, uma unid unidad ade e Sensor Sensor fotoelét fotoelétrico rico:: é feit amplificadora e um relê. O funcionamento se baseia na luminosidade da chama, e se não não há cham chama, a, o relê relê abre abre seus seus cont contat atos os,, inte interr rrom ompe pend ndo o o circ circui uito to do queimador.

Sensor fotocondutivo : faz o mesmo serviço do fotoelétrico, só que agora a resistência de uma célula varia quando é exposta à radiação infravermelha da chama. Circuitos especiais de amplificação conseguem distinguir entre o calor da chama e das paredes dos refratários. A ligação funcional entre os dispositivos de controle é feita por m eio de uma chave eletromagnética formada por um pequeno amplificador de sinal, três relês e uma chave térmica de segurança. Essa chave permite que o sistema desempenhe as seguintes funções: • • •

•

Amarração entre queimador e seu controle; Proporciona um circuito temporário para dar partida no queimador; Efetua a parada e a religação automática do queimador, em resposta aos controles de água de alimentação e ao limitador de pressão; Parada de emergência do queimador em resposta ao circuito de segurança.

Controle da pressão de trabalho

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O sistema de combustível é controlado por dispositivos associados à leitura da press pressão ão da cald caldeir eira. a. Press Pressos osta tato to,, senso sensore ress de pressã pressão o e manô manôme metr tros os são são dispositivo dispositivoss utilizados utilizados para controle controle ou para simples indicação da pressão efetiva do vapor.

Utilização Utilização de pressostato pressostato e de manômetro manômetro para controle da pressão pressão em caldeira caldeira de vapor Os pres presso sost stat atos os atua atuam m com com os quei ueimado madore ress ou com com alime liment ntad ador ores es de combustíveis para manter a pressão em níveis usuais de operação. A instalação de manômetros ou de sensores de pressão é necessária para permitir a leitura direta pelo pessoal de operação da caldeira. A figura anterior mostra um sistema de controle e alimentação de óleo combustível, normalmente utilizado em caldeira de pequen pequeno o porte. porte. Dois Dois pressos pressostat tato o são utiliz utilizados ados o pressos pressostat tato o de pressão pressão máxima tem a finalidade de controlar a pressão interna da caldeira, dando a partida partida ou interro interrompe mpendo ndo o funcio funcionam nament ento o dos queimad queimadores ores.. O pressost pressostato ato modulador, modulador, de acordo com a variação da pressão de vapor, atua sobre um servomecanismo programado para regular o fluxo de óleo e o fluxo de ar para os queimadores. Dive Divers rsos os outr outros os comp compon onen ente tess comp comple leme ment ntam am o siste sistema ma de alim alimen enta tação ção de comb combust ustív ível el,, como como manô manôme metr tros, os, term termôm ômet etros ros,, válv válvul ulas as de aliv alivio io,, válv válvul ulas as solenóides e chave seqüencial. A chave seqüencial tem a finalidade de promover, automaticamente, o ciclo completo de operação da caldeira. As falhas podem ocorrer por conta de problemas diversos. Os pressostato podem apresentar falhas no diafragma ou falha elétrica pelo colamento dos platinados. As válvulas válvulas solenóides solenóides oferecem oferecem risco, quando deixam de funcionar, funcionar, permanecendo na posição aberta,por falha mecânica, simplesmente pela instalação incorreta.

Válvula de segurança: As válvulas de segurança são dispositivos auxiliares para atuarem em caso de falha no sistema de combustão, de modo a evitar eventual aumento na pressão de

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trabalho da caldeira. O local de instalação das válvulas dependerá do tipo de caldeira.

Dispositivos de controle e segurança, instalados em uma caldeira do tipo flamotubular A pressão de abertura de cada válvula de segurança deve ser periodicamente testada e, se necessário, ajustada. Elas devem ser dimensionadas de modo a garantir descarga total do vapor gerado, caso haja aumento superior a 10% da pressão de trabalho ou um valor pré-estabelecido para a instalação. As válvulas de segurança montadas em superaquecedores poderão ser consideradas como part parte e do conj conjun unto to de válv válvul ulas as de segu segura ranç nça a da cald caldei eira ra.. Ness Nesse e caso caso,, é conveniente que ao menos 75% da capacidade total seja instaladas no corpo da caldeira. No caso de caldeira de circulação forçada, essa distribuição pode ser decidida de comum acordo entre fabricante e autoridade inspetora. A área total mínima dos orifícios das sedes de todas as válvulas deve atender exigências impostas por normas especificas para o caso. As tubulações de descarga devem ter uma área de passagem útil, no mínimo, igual à soma a soma da área dos orifícios de todas as válvulas de segurança montadas na caldeira e suficiente de modo modo a evitar evitar contra contrapres pressão são,, acumul acumulo o de depósi depósitos tos ou de condens condensado, ado, que venh venham am rest restri ring ngir ir a pass passag agem em de vapo vapor. r. Os boca bocais is deve devem m ter ter o míni mínimo mo comprimento possível. A presença eventual de umidade e partículas sólidas no vapor torna a sede da válvula de segurança susceptível a danos. Por esta razão, os testes habituais das válvulas válvulas de segurança segurança devem ser precedidos na caldeira, caldeira, superaquecedores ou linha de vapor.

Separadores de vapor: A reposição continua de água de alimentação, embora tratada quimicamente, promove a acumulação de sais e partículas sólidas, no interior da caldeira. Sais solú solúve veis is e sóli sólido doss em suspen suspensã são o são são respo respons nsáv ávei eiss pelo pelo apare apareci cimen mento to de incru incrust staçõ ações, es, que que reduz reduzem em subst substanc ancia ialm lment ente e a taxa taxa de troc troca a de calo calorr nas nas superfícies de aquecimento e a segurança da caldeira. Os problemas tendem a serem maiores, na medida em que aumenta o arraste de umidade a partir do 46


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tambor principal da caldeira, incorporada à parte úmida do vapor saturado, as impurezas tendem a também se acumular nos superaquecedores , tubulações e turbinas a vapor. Para fins industriais o vapor saturado não requer alto grau de purificação. Vapor saturado com titulo superior a 97%, inclusive, é possível de ser obtido com separadores simples. Nas caldeiras de baixa pressão de trabalho, inferior a 20 bar, a separação pode ser feita por gravidade. Pressões maiores exigem meios de separação mecânicos. Nas Nas usin usinas as term termoe oelé létr tric icas as de alta alta press pressão, ão, é impo import rtant ante e que que o vapo vaporr super super aquecido seja livre de contaminação ( Max. 0,03 ppm ), para evitar incrustações nos super aquecedores aquecedores e problemas problemas nos últimos últimos estágios das turbinas. turbinas. Pressões superiores superiores a 40 bar, favorecem o arraste de sílica e outros compostos, compostos, que viriam deteriorar alguns passos da turbina.

Dispositivos de separação de condensados Os purificadores de vapor são dispositivos auxiliares com a finalidade de minimizar o arraste de umidade, sais e sólidos em suspensão. A figura anterior mostra a instalação de purificadores de vapor no tambor principal da caldeira. O tambor é o local mais apropriado à separação de espuma e partículas sólidas proveniente do feixe tubular, por representar a região de maior estabilidade e de menor taxa de troca de calor. Em geral, nas unidades de maior pressão de vapor, o trabalho de purificação é feito em três etapas: •

•

Separ Separaçã ação o prim primari aria: a: remo remoçã ção o da espum espuma, a, sóli sólida da e maio maiorr parc parcel ela a de umidade do vapor; Lava Lavaçã ção: o: remo remoçã ção o dos dos sais sais dilu diluíd ídos os,, pela pela pulv pulver eriz izaç ação ão da água água de alimentação; 47

CEFETES – Unidade de São Mateus •

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Seca Secage gem: m: remoç remoção ão de pequen pequenas as gotas, gotas, even eventu tual alme ment nte e prese present ntes es na massa de vapor.

Separadores de fuligem:

Os sopradores de fuligem são instalados em pontos estratégicos da unidade geradora de vapor, com a finalidade remover fuligem ou depósitos de cinzas das das supe superf rfíc ície iess de aque aqueci cime ment nto. o. As unid unidad ades es atua atuais is são são proj projet etad adas as e construídas de forma a garantir a limpeza automática durante a operação normal da caldeira. Em geral os sopradores nos anteparos ou divisórias da caldeira, junto aos super aquecedores, economizadores e outros locais que venham favorecer os depósitos de cinzas. Dependendo de sua localização os sopradores podem ser fixos ou retrateis

Tratamento de Água Impurezas da Água e Suas Conseqüências O avanço tecnológico da indústria permite ao homem a obtenção de equipamentos de alta sofisticação para serem utilizados nos sistemas de produção com rendimentos mais compensadores. A cada modernização de um equipamento estão vinculadas condições de trabalho mais cuidadosas. Hoje, os processos industriais já não podem fazer uso direto da água sob sua forma natural, pois nela estão contidas inúmeras impurezas decorrentes da espécie de solo de onde se originam, das condições ambientais, dos locais por onde passou, etc. A água sob a forma em que é obtida na natureza é chamada de água bruta. Em sua composição se encontra uma série de constituintes em suspensão ou dissolvidos os quais poderão ser sólidos ionizados, gases dissolvidos, matérias em suspensão, microorganismos e matéria coloidal. 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

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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 satisfazem a produção de vapor com custos baixos. 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. A utilização de água de má qualidade em uma caldeira, acarretará em pouco tempo uma falha, e a paralisação do processo p rocesso trará prejuízos incalculáveis tanto pela quebra da produção como pela sua indisponibilidade. O uso de um ou mais métodos de remoção de impurezas constitui um sistema de tratamento de água para geradores de vapor. A tabela a seguir, apresenta os diversos sistemas usualmente aplicados em função da pressão de operação da caldeira: PRESSÃO DE OPERAÇÃO DA CALDEIRA (PSIG)

MEIOS USADOS PARA PREPARAR A ÁGUA DE ALIMENTAÇÃO DA CALDEIRA 1. Clarificação - filtração - troca catiônica, ciclo de sódio.

Até 600

2. Combinação de troca catiônica, ciclos do sódio e hidrogênio com degaseificador 3. Troca catiônica, ciclo de sódio - troca aniônica, ciclo do hidrogênio. 4. Processo a quente para eliminar dureza filtração - troca catiônica, Ciclo do sódio. 1. Processo a quente para eliminar dureza filtração - troca catiônica, ciclo do sódio. 2. Clarificação - filtração - desmineralização.

601 a 900 1-Clarificação - filtração -desmineralização. Acima de 900

2. Evaporação, possivelmente precedida por

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um pré-tratamento.

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. 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. Muitas são as impurezas contidas na água natural captada para ser tratada e posteriormente utilizada como água de alimentação. Estas impurezas estão presentes sob a forma de sais, gases ou seus compostos, tanto dissolvidos ou em suspensão. A tabela a seguir apresenta os contaminantes mais comuns que podem estar na água da caldeira e seus efeitos. CONTAMINANTES DA ÁGUA DE ALIMENTAÇÃO

EFEITOS NO SISTEMA

CÁLCIO E MAGNÉSIO

FORMAÇÃO DE DEPÓSITOS NOS TUBOS GERANDO AQUECIMENTO

SÍLICA

VOLATILIZAÇÃO, PASSANDO PARA O VAPOR E DEPOSITANDO NAS PALHETAS DA TURBINA

FERRO

LAMA. SUA PRESENÇA INDICA AÇÃO CORROSIVA

COBRE

INDÍCIOS DE CORROSÃO EM LIGAS DE COBRE DE TROCADORES DO CICLO

OXIGÊNIO

CORROSÃO POR "PITTING"

SÓLIDOS TOTAIS

LAMA, DEPÓSITOS, ESPUMA, ARRASTE

GÁS CARBÔNICO

CORROSÃO NO SISTEMA ANTES DA CALDEIRA, REDUÇÃO DO pH

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ÓLEOS & GRAXAS

DEPÓSITOS INTERNOS AOS TUBOS , SUJEITOS À CARBONIZAÇÃO E SUPERAQUECIMENTO.

pH / ALCALINIDADE

CAUSA CORROSÃO SE ESTIVER MUITO BAIXO, OU MUITO ALTO

Tratamento de Água das Caldeiras Vamos analisar os tipos de controle para caldeiras de alta pressão. Em elevadas pressões e elevadas taxas de transferência de calor, os tubos estão mais propícios à ocorrência de fatores que prejudique sua resistência. Face as conseqüências mais graves que podem advir da falha de um tubo em pressão elevada, os limites de controle químico são mais rígidos. Em caldeiras de altas pressões, o tratamento da água deve estar direcionado para reduzir ou eliminar a presença de sólidos. Os controles usuais aplicados as caldeiras são:

Controle por coordenação - pH-PO 4 Este tipo de controle está voltado à manutenção da água das caldeiras na forma alcalina, para que ocorra o combate aos sais de cálcio e de magnésio sem que entretanto haja excesso de hidróxido de sódio. Neste tipo de tratamento realiza-se um controle coordenado entre o pH e o fosfato, com o objetivo de manter a água da caldeira com baixa alcalinidade cáustica, ou seja, mantendo-se apenas fosfato em solução, sem adição de soda cáustica ( hidróxido de sódio). Utiliza-se uma curva de referência que relaciona pH X concentração de fosfato trissódico ( Na3PO4 ), na relação de 3 de sódio (Na) para 1 de fosfato ( PO 4) . Para valores localizados acima desta curva, haverá uma mistura de fosfato trissódico e soda cáustica ( Na OH), enquanto, abaixo da curva a mistura consistirá de fosfatos trissódico ( Na3PO4) e dissódico ( Na2HPO4) . O ponto ideal do tratamento é manter o pH e a concentração de fosfato abaixo da curva, o que manterá a água da caldeira livre da presença de hidróxido de sódio. Geralmente o fosfato é mantido em concentração de 10 a 15 mg/l e o valor pH entre 10,0 e 10,3 para caldeiras com pressão de 800 a 1000 psi. Este tipo de tratamento não assegura que haja sempre ausência de hidróxido pois, este pode se formar em regiões de altas taxas de transferência de calor em caldeiras de alta pressão, onde o fenômeno do "hide-out" pode ocorrer.

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Relação Fosfato - pH Na/PO 4 3:1

Controle Congruente Este controle é uma derivação do controle coordenado, que estabelece uma faixa mais estreita para assegurar a total ausência de hidróxido de sódio. O controle foi desenvolvido para superar os problemas encontrados no tratamento coordenado (presença de soda cáustica devido ao "hide-out"). Recomenda-se uma relação de 2,6 a 2,85 de sódio /fosfato para caldeiras de 1200 a 3000 psi de pressão. A concentração de fosfato é mantida entre 2,0 e 5,0 mg/l (PO 4) e pH entre 9,0 e 9,5 de acordo com a curva específica para este tipo de tratamento. Para tanto utilizase a adição de fosfatos monossódico (NaH2PO4), dissódico ( Na2HPO4) e trissódico ( Na3PO4) à água da caldeira. A curva a seguir mostra os parâmetros recomendados de acordo com a pressão da caldeira para um acondicionamento na relação Na:PO 4 de 2,6:1.

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parâmetros recomendados para relação Na/PO 4 2,6:1

Remoção de Oxigênio em caldeiras de Alta Pressão A hidrazina é o produto químico utilizado como sequestrante do oxigênio nas caldeiras de alta pressão. Trata-se de um poderoso redutor miscível na água. Combatendo o oxigênio dissolvido estaremos protegendo os óxidos que constituem as películas protetoras dos metais-bases como o ferro e o cobre. Sendo a hidrazina um produto volátil ela alcança todo o ciclo de água e vapor. O uso da hidrazina deve ser muito bem controlado pois o seu excesso pode se configurar no aparecimento de amônia devido a sua decomposição em determinadas temperaturas.

Tratamento Zero Sólido É o tratamento que exige a instalação de unidades polidoras de condensado. A alcalinidade mínima necessária nas águas das caldeiras é fornecida pela injeção de amônia, morfolina ou ciclohexilamina na água de alimentação. Como o combate ao oxigênio é feito pela hidrazina injetada na água de alimentação, nenhum produto é diretamente injetado na caldeira, por isso a denominação Zero Sólidos.

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. A presença de cloretos nas caldeiras acarreta alvéolos e pites nos tubos. Este tipo de corrosão pode levar a fragilização por hidrogênio.

Controle do Ferro e Do Cobre O aparecimento de ferro na água da caldeira indica a existência de corrosão no ciclo. O ferro dissolvido em sistemas de condensado é arrastado para a caldeira onde forma óxidos de ferro ou silicatos que se incrustarão nos tubos. A presença de ferro pode ser oriunda também da própria caldeira devido a ação de corrosão cáustica. O cobre pode aparecer na água da caldeira devido a corrosão em trocadores de calor fabricados com ligas de cobre por ação do oxigênio dissolvido, da amônia ou do gás carbônico. Este metal se deposita nos tubos da caldeira na forma metálica ou pode ser arrastado com o vapor para as turbinas. 53


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Controle da Condutividade O controle da condutividade tem por objetivo limitar a quantidade de sólidos dissolvidos. Através da medição da condutividade podemos saber a concentração iônica da água, decorrente de contaminações que possuam propriedades de condução elétrica. Os instrumentos de medição da condutividade encontram-se instalados no ciclo de condensado, água de alimentação, etc.

Manutenção de Caldeiras Principais Tipos de Falhas Apresentadas Nas Caldeiras Todas as caldeiras estão sujeitas a diversos mecanismos de deterioração e avarias associados a corrosão, modificações das características metalúrgicas dos materiais e avarias mecânicas. O conhecimento dos principais tipos de falhas por parte da equipe de manutenção será de grande valia para a solução do problema e da adoção de métodos preventivos que evitem sua repetição. Os principais tipos de falhas que podem ocorrer em uma caldeira são:

Corrosão Corrosão das Partes Úmidas A corrosão neste caso se desenvolve no interior dos tubos de troca térmica e está diretamente associado a qualidade da água utilizada para a alimentação da caldeira. É devida principalmente a presença de oxigênio dissolvido, hidrogênio, gás sulfídrico, elevado teor de soda cáustica, CO 2 , teores elevados de sais, e elementos que possam catalisar processos corrosivos, como o cobre, níquel, ferro, etc. Presentes na água que entra na caldeira. Quando o aço carbono é aquecido acima de 200 ºC na presença de água ou vapor, forma-se um filme de óxido de ferro (magnetita- Fe 3O4 ) de alta aderência que tem boas propriedades de preservação do material e por isto torna-se um protetor. Se esta camada for destruída, o metal ficará exposto a um ataque corrosivo. A presença dos compostos acima citados provocam esta destruição. A principal substância destruidora desta camada é o oxigênio dissolvido na água que reage com a magnetita formando o óxido férrico ( Fe 2O3 )que é poroso e não protege o metal. O oxigênio ataca estes locais, provocando a corrosão alveolar ou pites, que aparecem em geral associados a frestas, depósitos ou incrustações. As caldeiras que possuem sistema de retorno de condensado, podem ser contaminadas pelo aparecimento de cobre e seus óxidos, devido ao arraste destes

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dos metais que constituem os equipamentos, como condensadores, rotores de bombas, partes de válvulas, e outros. O cobre penetra em fendas e produz pilhas galvânicas destruindo o aço.

Danos por "Pitting" de Corrosão Localizada.

O ferro também pode ser arrastado do sistema de retorno e gerar depósitos que impedem a transferência de calor, provocando o sobreaquecimento do metal. O CO2 dissolvido torna ácida a água da caldeira e provoca corrosão por pites. Para remover tanto o oxigênio como o CO2 utiliza-se desarejadores para o condensado antes de entrar na caldeira e a injeção de produtos químicos como o sulfito de sódio e a hidrazina. Para evitar o ataque ácido nas caldeiras é feito um controle do pH da água, entre 9 a 10, por meio de introdução de aditivos alcalinos. É necessário ter cuidado para que a concentração destes produtos não seja excessiva pois poderemos ter outros tipos de corrosão devido a sua deposição em pontos de alta transferência de calor. É o caso da corrosão cáustica localizada e a fragilidade cáustica, devido a Soda Cáustica ( hidróxido de Sódio) usada como aditivo.

Danos em Tubo por Corrosão Cáustica

Outro tipo de corrosão na parte interna dos tubos é a provocada por agentes quelantes, que são aditivos que reagem com as impurezas formando sais solúveis e estáveis termicamente. Entretanto se usados em concentrações elevadas

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provocam corrosão idêntica a da soda cáustica. Esta elevação da concentração é devida a evaporação da água dentro do tubo deixando depósitos de quelato.

Corrosão Ácida Decorrente do uso de água de pH<6. Provoca um ataque severo de aparência rugosa e pontiaguda, nas regiões de alto fluxo térmico ( paredes de água) ou em pontos de turbulência. Pode também ser causada após a limpeza química da caldeira por deficiência na neutralização.

Corrosão Das Partes Expostas Aos Gases Este tipo de corrosão tanto pode ocorrer nas partes quentes externas aos tubos na zona de radiação como nas zonas de baixa temperaturas devido a condensação de produtos de combustão de elevada acidez. Na região da chama da caldeira existem gases resultantes da queima do combustível que contém contaminantes, em temperaturas elevadas. Dentre estes contaminantes temos o oxigênio que ataca diretamente a superfície metálica. Em baixas temperaturas, esta oxidação forma um filme fino e protetor, mas com o aumento da temperatura, esta camada aumenta de espessura até escamar. Estas escamas acabam se soltando devido a dilatação térmica e o metal fica exposto a novo ataque. O controle da combustão e o uso de queimadores mais eficientes reduz a presença de oxigênio. A corrosão nas partes expostas aos gases frios ocorre devido a presença de soluções acidas formadas quando o teor de enxofre no combustível for elevado. Os compostos de enxofre formados na queima estão na forma gasosa, mas ao chegar nas regiões frias, se condensa ( ponto de orvalho) e se deposita em tubos , paredes dos dutos, refratários, e na presença de umidade se transformam em ácido sulfúrico. Os óleos usados nas caldeiras de Angra tem baixo teores de enxofre.

Penetração De Gases Ácidos Nos Revestimentos.

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Depósito ácido na parte externa do tubo

Corrosão em períodos de inatividade da caldeira, em locais onde uma preservação efetiva não é efetuada. A experiência tem mostrado que os períodos de inatividade são extremamente danosos para as caldeiras e seus equipamentos associados. Técnicas de preservação devem ser aplicadas de imediato para minimizar estes danos, e estão descritas nesta apostila.

Erosão A erosão é o desgaste do material, em função da presença nos fluidos de substâncias ou impurezas indevidas que são arrastadas. É o caso da presença de condensado no vapor, partículas sólidas no meio líquido ou gasoso, etc. A erosão está diretamente ligadas aos seguintes fatores: • • •

•

Velocidade de incidência do fluido Ângulo de incidência Temperatura ( a resistência do material diminui com a elevação da temperatura) Dureza das partículas arrastadas.

Erosão de Tubos Da Caldeira Devido a Presença de Partículas nos Gases.

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Erosão De Parede Externa De Um Tubo Devido Ao Jateamento De Vapor Saturado

Abrasão A abrasão é o dano causado pelo contato cíclico de dois materiais, onde o material mais macio devido ao atrito é danificado. Ocorre em locais onde há movimentação de componentes devido a vibração, ou falhas da suportação.

Sobreaquecimento Uma das avarias muito conhecida pelo pessoal de manutenção de caldeiras é a denominada "Laranja". Ela é provocada pelo sobreaquecimento localizado do metal do tubo de parede de água devido a falha de resfriamento . Normalmente esta falta de resfriamento deve-se a formação de depósitos internos nas paredes do tubo que impedem a transferência de calor. As origens destes depósitos podem ser diversas, destacando-se a presença de óxidos, graxas, óleo arrastado na água de alimentação ou sais. Estes defeitos ocorrem nos tubos da fornalha, no lado do tubo voltado para a chama.

"Laranja " Em Tubo De Caldeira

Fadiga mecânica A fadiga mecânica é provocada pelo funcionamento de materiais com movimentos cíclicos, embora as tensões estejam inferiores ao limite de resistência, ou de escoamento. Um número muito elevado de ciclos leva o material a falhar. O pessoal de manutenção deve verificar, o aparecimento de trincas de fadiga nas conexões , com a apresentada nas figuras abaixo.

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Danos Por Fadiga

Fadiga térmica A fadiga térmica é provocada por solicitações térmicas cíclicas (variações de temperatura), tais como resfriamentos ou aquecimentos bruscos repetitivos ao longo da vida do equipamento. É muito comum em locais como bocais de entrada de água de alimentação, pontos de dessuperaquecimento, a jusante dos tubulões. Este tipo de fadiga provoca o aparecimento de muitas trincas internas que dão origem a outro dano ao material. A fadiga térmica não deve ser confundida com o choque térmico. Na fadiga o dano aparece após inúmeros ciclos de variações bruscas de temperatura, enquanto no choque térmico a falha pode ocorrer de uma só vez.

Trincas Devido a Choque Térmico

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Fratura por Fadiga Térmica

Falhas Provocadas por Distúrbios da Combustão Durante a inspeção de manutenção de uma caldeira, o pessoal de manutenção deve verificar internamente sinais de danos provocados por deficiências de combustão. Dentre estas falhas, as principais são as deformações das paredes de água ou das paredes internas do envoltório, provocadas por pressões elevadas da fornalha. Muitas vezes ocorrem explosões nesta região que não são percebidas externamente, mas depois são verificadas através do abaulamento produzido. A palavra explosão pode denotar a princípio destruição da caldeira, mas nem sempre isso ocorre, restringindo-se os danos ao estufamento da chaparia e queda de parte dos refratários. Se este abaulamento tiver uma flecha pequena, nenhuma manutenção é necessária, mas se esta flecha for excessiva deverá ser feita a recuperação ou substituição dos tubos. Deve-se lembrar que a ruptura de tubos de parede de água ao mesmo tempo provoca danos iguais aos de uma explosão de fornalha devido ao volume de vapor que se forma, aumentando a pressão na câmara de queima. 16.8. Falhas dos Tubos de Água da caldeira A pressão no interior dos tubos de água de uma caldeira é sempre elevada, e portanto estes estarão sujeitos a romperem se: •

Houver redução da resistência dos materiais, devido sobreaquecimento ou mudança da estrutura do metal;

•

Houver redução da espessura original, devido a corrosão ou erosão;

•

Ocorrer aumento da pressão acima do valor de projeto.

Um rompimento de um tubo de água da caldeira pode ser verificado pela elevação e levação da vazão de água de alimentação que se torna muito superior a de vapor, pela mudança de coloração dos gases da chaminé que se tornam esbranquiçados , pela impossibilidade de se controlar o nível do tambor (casos extremos), ou pelo ruído característico de vazamento.

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Qualquer que seja a grandeza de um vazamento de tubo de parede de água, a caldeira deverá ser parada para reparo o mais rápido possível. A continuidade da operação nesta situação fará com que a falha se estenda e os danos sejam maiores. O jato de água que foge por um tubo se transforma em vapor, provocando distúrbios na queima ( podendo até abafar a queima ) destruição de refratários, corrosão , danos nos tubos próximos por erosão, etc.

Conservação das Caldeiras Durante as Paradas De forma geral, entende-se por manutenção de um equipamento, os trabalhos que são feitos quando de sua falha. Nas caldeiras, entretanto, tem muito significado os trabalhos executados pela equipe de manutenção para sua conservação durante longos períodos que estiver fora de serviço. Sempre que a caldeira for paralisada, sem previsão a curto prazo para retorno, recomenda-se que os cuidados a seguir sejam tomados: •

•

•

•

•

•

Todas as superfícies externas dos tubos e dutos de ar e gases devem ser limpas para remoção de depósitos ácidos. Esta limpeza poderá ser feita com ar comprimido, manualmente com soluções adequadas, ou por meio de lavagem com água de pH-11 (caldeiras de maior porte). Se os resíduos forem de difícil remoção, a solução de lavagem deve ser aquecida. No caso da lavagem, deverão ser tomados cuidados para que os refratários e isolamentos térmicos não sejam atingidos pelo líquido da lavagem. Uma vez executada a lavagem, as superfícies devem ser limpas até a exposição completa do metal. Tão logo uma lavagem tenha sido concluída a caldeira deverá ser secada de imediato. Isto deterá a corrosão nas partes metálicas e restaurará os refratários para as condições operacionais. Todos os resíduos decorrente desta limpeza , cinzas, acúmulos de combustíveis, encontrados no interior da caldeira deverão ser removidos. Os dispositivos de acionamento (eixos, mancais, hastes, braços articulados, etc.) de ventiladores e abafadores, deverão ser devidamente protegidos com graxas ou óleos protetivos (inibidores temporários de corrosão) e acionados semanalmente de forma manual. Na chaminé, deve-se realizar uma inspeção visual e correção de possíveis falhas (trincas, deterioração de refratário, corrosão, etc.) seguida de uma limpeza mecânica com posterior pintura com cal para minimizar os efeitos de produtos ácidos depositados. A extremidade de saída de gases da chaminé deverá ser tamponada durante o período de inatividade da caldeira para evitar a penetração de ar úmido ou chuva. Após os procedimentos acima, a caldeira deverá ser mantida completamente seca durante todo o período de inatividade. Para tal, poderão ser instalados sistemas de aquecimentos provisórios como por exemplo, conjunto de resistores elétricos, conjuntos de lâmpadas incandescentes, circulação de ar aquecido, etc. Esta providencia evitará que a umidade ataque os metais. Periodicamente deverá ser medida a 61


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umidade relativa do ar no interior da caldeira através de instrumentos adequados. Também poderão ser instaladas dentro da caldeira, em locais previamente escolhidos, bandejas com substâncias higroscópicas . Os circuitos de água e de vapor deverão ser protegidos da seguinte maneira: •

•

•

•

Após o apagamento da caldeira, a mesma deverá ser drenada a quente, ainda sob pressão. Logo após a drenagem as portas dos tambores devem ser abertas para permitir que o vapor remanescente no interior da caldeira seja eliminado. Isto manterá as superfícies secas (evitando ataque a camada de magnetita) e facilitará a inspeção e remoção dos depósitos do interior do tambor. Concluída a inspeção e limpeza dos tambores, as portas deverão ser fechadas, bem como todos os drenos e válvulas de expurgo. Se a caldeira for mantida pelo método "Via Úmida", deve-se efetuar o enchimento com solução de hidrazina/amônia - 200 ppm N 2H4 (hidrazina), 10 ppm NH3 (amônia) e pH 10. Um procedimento específico deverá ser estabelecido para o controle desta solução e acompanhamento de sua eficácia. Se a caldeira for mantida preservada pelo método de "Via Seca", após a lavagem e inspeções, a caldeira deve ser enchida, reacesa e ter sua pressão elevada até cerca de 2 kg/cm2. Após isto a caldeira será apagada e drenada sob atmosfera de nitrogênio. Esta atmosfera de gás inerte será mantida por todo o período em que a caldeira estiver fora de operação com uma pressão sempre ligeiramente superior a atmosfera (cerca de 0,3 kg/ cm2 ).

Embora os resultados obtidos até a presente data com os métodos de conservação mencionados sejam satisfatórios, todas as precauções relatadas e recomendações específicas devem ser cumpridas com rigor. A conservação por via seca somente é possível se as válvulas dos circuitos de água e vapor tiverem estanqueidade garantida; portanto , onde necessário, deverão se instalados "flanges-cegos". A conservação por via úmida, com utilização de solução de hidrazina, é mais dispendiosa que a seca. A conservação por via seca não permite identificar um eventual processo corrosivo em evolução na caldeira devido a um procedimento de drenagem mal executado ou injeção de nitrogênio inadequada. No processo úmido isto pode ser monitorado através de amostragem periódicas. Os sopradores de fuligem poderão ser protegidos tanto no próprio local de uso como removido para guarda em local apropriado. Suas superfícies metálicas devem ser untadas com graxa ou óleo protetivo anticorrosivo, após completa

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limpeza. Se possível a parte interna da lança de sopragem deve ser também untada com óleo. O queimador e seus acessórios (ignitor , vela de acendimento) deverão ser desmontados da caldeira, limpos, inspecionados e lubrificados para serem guardados em outro local. A abertura de acesso do queimador na caldeira deverá ser tamponada para impedir a entrada de ar úmido da atmosfera externa.

Teste Hidrostático O teste hidrostático é aplicado na caldeira com duas finalidades. A primeira é a verificação da resistência e integridade estrutural das partes que compõem o lado de pressão da caldeira. A outra finalidade é a detecção de vazamentos. Os testes hidrostáticos são regidos por normas, algumas com valor legal, e portanto estas devem ser abrevadas com rigor. A norma regulamentadora de caldeiras e vasos de pressão ( NR-13), no seu item 13.4.4, define que todas as intervenções que exijam mandrilamento ou soldagem em partes que operem sob pressão devem ser seguidas de teste hidrostático, com características definidas pelo Profissional Habilitado. Estas características são: o fluido a ser utilizado para pressurização; a taxa de subida da pressão e patamares , pressão final de teste, tempo em que o equipamento ficará pressurizado. O teste hidrostático verifica se os tubos, tubulões, coletores, e demais partes pressurizadas resistem à pressão, não apresentando rupturas ou deslocamento de tubos de suas mandrilagens. O teste hidrostático deve ser efetuado após a caldeira ser completamente cheia com água fria e todos os bolsões de ar terem sidos suspirados. Todas as conexões da caldeira devem estar hermeticamente fechadas. O teste será considerado satisfatório se não ocorrerem vazamentos por mandrilagem, juntas, soldas, pites, trincas, e a pressão máxima de trabalho possa ser sustentada por um tempo pré-determinado sem adição de água. O teste hidrostático deve ser efetuado sempre sempr e que a caldeira sofra uma intervenção de manutenção nas partes pressurizadas ou quando houver suspeita de corrosão. Apesar dos benefícios da realização do teste hidrostático, esta deve ser sempre calcada nos motivos acima. A execução indiscriminada deste teste pode ser nociva pois nesses períodos de solicitação intensa poderemos estar nucleando ou acumulando danos no equipamento, em especial os de fadiga. Alguns fabricantes estabelecem critérios para a aceitação de minúsculos vazamentos que ocorrem nos locais de mandrilagem de tubos, sob a justificativa de que as dilatações térmicas e a formação de óxidos farão com que estes vazamentos desapareçam durante a operação.

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Qualquer outro tipo de vazamento não deve ser aceito devido ao caráter erosivo do fluido.

Avaliação Avaliação de Integridade em Caldeiras Segundo a Norma Regulamentadora NR-13, ao completar 25 (vinte e cinco) anos de uso, na sua inspeção subseqüente, as caldeiras devem ser submetidas à rigorosa avaliação de integridade para determinar a sua vida remanescente e novos prazos máximos para inspeção, caso ainda estejam em condições de uso. A avaliação de vida residual presume que seja analisada a integridade de cada componente fundamental da caldeira (ex.: tubulões, tubos de troca térmica, espelhos etc.). Esta avaliação pode ser executada por Profissional Habilitado, ou por empresa especializada, inscrita no CREA, e que disponha de pelo menos um Profissional Habilitado. As caldeiras que já completaram 25 anos e não foram submetidas à avaliação de integridade devem ser submetidas à mesma na próxima inspeção de segurança periódica. É importante ressaltar que caldeiras inoperantes podem sofrer significativos desgastes por corrosão. Portanto, dos 25 anos considerados na lei, não podem ser dispensados, sem profunda análise técnica, os períodos em que a caldeira permaneceu fora de operação. A avaliação de integridade constitui-se de uma série de técnicas e procedimentos que procuram identificar o estado de dano acumulado em um componente da caldeira e sua taxa de crescimento. É uma poderosa ferramenta das equipes de manutenção. Existem nas caldeiras e tubulações de vapor associadas, componentes submetidos a riscos graves ligados à temperatura de trabalho e ao tempo de uso, os quais limitam sua vida útil pelos mecanismos de fluência e fadiga térmica, resultando em fraturas frágeis cuja prevenção poderá ser obtida por meio de inspeções orientadas. Estas inspeções tornam-se uma atividade voltada à prospecção de defeitos, realizada de forma preventiva que utiliza métodos e ensaios específicos. A abrangência de uma avaliação de integridade dependerá dos fatores técnicos e econômicos disponíveis e do grau de risco que seja assumido pelo proprietário da instalação. Os principais componentes da caldeira a serem contemplados num plano de avaliação são: •

Tubulão superior de vapor

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•

Tubulão inferior Paredes de água Válvulas de segurança Tubulações de vapor Coletores Linhas de drenos

•

Suportes.

• • • • •

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Recomenda-se que as seguintes etapas sejam desenvolvidas numa avaliação de integridade: •

•

Inspeção visual e instrumentada dos componentes para verificação de seu estado de conservação. Tomada de amostras para análise de laboratório Tambor (depósitos internos) Tubulações de vapor Trechos de tubos da parede de água Desareadores

•

•

•

•

•

• •

Inspeção visual em todas as partes internas e externas dos coletores, tambor, feixes tubulares, incluindo seus suportadores e espaçadores, paredes de água e outras regiões que a manutenção julgue necessário. Inspeção por líquido penetrante em todas as conexões internas e externas do tambor, após remoção de seus internos. Inspeções por líquido penetrante dos coletores, linhas de alta energia, em pontos previamente escolhidos como regiões críticas. Inspeção de medição de espessura por ultra-som em pontos do tambor, paredes de água (região de troca térmica), coletores e trechos de linhas de alta energia. Ensaios por partículas magnéticas em pontos do tambor ou em locais onde os ensaios anteriores orientem a sua aplicação. Medição de diâmetro externo em coletores de alta temperatura. Metalografia de campo, seja por observação direta com emprego de microscópio portátil, seja através de réplicas metalográficas em pontos do tambor, coletores e tubulações de alta energia.

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Determinação da situação atual dos materiais com o objetivo de verificar suas propriedades mecânicas, físicas e químicas. Levantamento do histórico da caldeira, considerando os regimes de operação, anormalidades, acidentes notórios, alterações de combustível, etc. Quantificação dos carregamentos reais de serviços e das deformações, tensões e deslocamentos por elas causados nas seções e pontos críticos. Com relação aos pontos críticos podemos defini-los como as regiões mais prováveis de ocorrência de falhas, por estarem submetidos à concentração de esforços de tensão e temperatura. Estatisticamente os mais significativos são: • • • • • • • • • •

Curvas de tubulações Derivações Flanges Bifurcações Tomadas de amostras Pontos de suportações Bocais Pontos de atemperação Coletores Ligações soldadas

NR-13 - REFERENTE ÀS CALDEIRAS 13.1 Caldeiras a Vapor - Disposições Gerais 13.1.1 Caldeiras a vapor são equipamentos destinados a produzir e acumular vapor sob pressão superior à atmosférica, utilizando qualquer fonte de energia, excetuando-se os refervedores e equipamentos similares utilizados em unidades de processo. 13.1.2 Para efeito desta NR, considera-se “Profissional Habilitado” aquele que tem competência legal para o exercício da profissão de engenheiro nas atividades referentes a projeto de construção, acompanhamento de operação e manutenção, insp inspeç eção ão e supe superv rvis isão ão de insp inspeç eção ão de cald caldei eira rass e vaso vasoss de pres pressã são, o, em conformidade com a regulamentação profissional vigente no Pais.

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13.1.3 Pressão Máxima de Trabalho Permitida - PMTP ou 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. 13.1.4 Constitui risco grave e iminente a falta de qualquer um dos seguintes itens: a) válvula de segurança com pressão de abertura ajustada em valor igual ou inferior a PMTA; b) instrumento que indique a pressão do vapor acumulado; c) inje injeto torr ou outr outro o meio meio de alim alimen enta tação ção de água, água, indep indepen enden dente te do sist sistem ema a principal, em caldeiras a combustível sólido; d) sistema de drenagem rápida de água, em caldeiras de recuperação de álcalis; e) sistema de indicação para controle do nível de água ou outro sistema que evite o superaquecimento por alimentação deficiente. 13.1.5 Toda caldeira deve ter afixado em seu corpo, em local de fácil acesso e bem bem visí visíve vel,l, placa placa de ident identifific icaç ação ão inde indelév lével el com, com, no míni mínimo mo,, as segu seguint intes es informações: a) fabricante; b) número de ordem dado pelo fabricante da caldeira; c) ano de fabricação; d) pressão máxima de trabalho admissível; e) pressão de teste hidrostático; f) capacidade de produção de vapor; g) área da superfície de aquecimento; h) código de projeto e ano de edição.

13.1.5.1 Além da placa de identificação deve constar, em local visível, a categoria da caldeira, conforme definida no subitem 13.1.9 desta NR, e seu número ou código de identificação.

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13.1.6 Toda caldeira deve possuir no estabelecimento onde estiver instalada, a seguinte documentação, devidamente atualizada: a) “Prontuário da Caldeira”, contendo as seguintes informações: - código de projeto e ano de edição; - especificação dos materiais; - procedimentos utilizados na fabricação, montagem, inspeção final e determinação da PMTA; - conjunto de desenhos e demais dados necessários para o monitoramento da vida útil da caldeira; - características funcionais; - dados dos dispositivos de segurança; - ano de fabricação; - categoria da caldeira. b) “Registro de Segurança”, em conformidade com o subitem 13.1.7; c) “Projeto de Instalação”, em conformidade com o item 13.2; d) “Projetos de Alteração ou Reparo”, em conformidade conformidade com os subitens subitens 13.4.2 e 13.4.3; e) “Relatórios de Inspeção”, em conformidade com os subitens 13.5.11, 13.5.12 e 13.5.13. 13.1.6.1 Quando inexistente ou extraviado, o “Prontuário da Caldeira” deve ser reconstituído pelo proprietário, com responsabilidade técnica do fabricante ou de “Prof “Profis issi sion onal al Habil Habilititad ado”, o”, cita citado do no subit subitem em 13.1 13.1.2 .2,, send sendo o impr impres esci cind ndív ível el à reconst reconstitu ituiçã ição o das caracte caracterís rístic ticas as funcio funcionai nais, s, dos dados dados dos dispos dispositi itivos vos de segurança e dos procedimentos para determinação da PMTA. 13.1.6.2 Quando a caldeira for vendida ou transferida de estabelecimento, os documentos mencionados nas alíneas “a”, “d” e “e” do subitem 13.1.6 devem acompanhá-la. 13.1 13.1.6 .6.3 .3 O propr propriet ietári ário o da calde caldeira ira deverá deverá apre apresen senta tar, r, quan quando do exig exigid ido o pela pela auto autori rida dade de comp compet eten ente te do Órgã Órgão o Regi Region onal al do Mini Minist stér ério io do Trab Trabal alho ho,, a documentação mencionada no subitem 13.1.6.

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13.1.7 O “Registro de Segurança” deve ser constituído de livro próprio, com páginas numeradas, ou outro sistema equivalente onde serão registradas: a) toda todass as ocor ocorrê rênc ncia iass impo import rtan ante tess capa capaze zess de infl influi uirr nas nas cond condiç içõe õess de segurança da caldeira; b) as ocor ocorrên rênci cias as de insp inspeç eções ões de segu seguran rança ça perió periódi dicas cas e extr extraor aordi diná nária rias, s, devendo constar o nome legível e assinatura de “Profissional Habilitado”, citado no subitem 13.1.2, e de operador de caldeira presente na ocasião da inspeção. 13.1 13.1.7 .7.1 .1 Caso Caso a cald caldei eira ra venha venha a ser ser consi conside derad rada a inade inadequ quad ada a para para uso, uso, o “Regist “Registro ro de Seguran Segurança” ça” deve deve conter conter tal inform informaçã ação o e receber receber encerra encerrament mento o formal. 13.1 13.1.8 .8 A docu docume ment ntaç ação ão refe referi rida da no subi subite tem m 13.1 13.1.6 .6 deve deve esta estarr semp sempre re à disposição para consulta dos operadores, do pessoal de manutenção, de inspeção e das representações dos trabalhadores e do empregador na Comissão Interna de Prevenção de Acidentes - CIPA, devendo o proprietário assegurar pleno acesso a essa documentação. 13.1.9 Para os propósitos desta NR, as caldeiras são classificadas em três categorias conforme segue: a) caldeiras da categoria “A” são aquelas cuja pressão de operação é igual ou superior a 1960 kPa (19,98 Kgf/cm2); b) caldeiras categoria “C” são aquelas cuja pressão de operação é igual ou inferior a 588 kPa (5,99 Kgf/cm 2) e o volume interno é igual ou inferior a 100 litros; c) caldeiras categoria “B” são todas as caldeiras que não se enquadram nas categorias anteriores. 13.2 Instalação de Caldeiras a Vapor 13.2.1 O “Projeto de Instalação” de caldeiras a vapor, no que concerne ao aten atendi dime ment nto o dest desta a NR, NR, é de respo respons nsabi abililida dade de de “Prof “Profis issi siona onall Habi Habililita tado” do”,, conforme conforme citado citado no subitem 13.1.2, e deve obedecer aos aspectos aspectos de segurança, segurança, saúde e meio ambiente previstos nas Normas Regulamentadoras, convenções e disposições legais aplicáveis. 13.2.2 13.2.2 As caldeiras de qualquer qualquer estabelecimento estabelecimento devem ser instaladas em “Casa de Caldeiras” ou em local específico para tal fim, denominado “Área de Caldeiras”. 13.2.3 Quando a caldeira for instalada em ambiente aberto, a “Área de Caldeiras” deve satisfazer os seguintes requisitos:

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a) estar afastada de, no mínimo três (três) metros de: - outras instalações do estabelecimento; - de depósitos de combustíveis, excetuando-se reservatórios para partida com até 2.000 (dois mil) litros de capacidade; - do limite de propriedade de terceiros; - do limite com as vias públicas. b) dispor de pelo menos 2 (duas) saídas amplas, permanentemente desobstruídas e dispostas em direções distintas; c) dispor de acesso fácil e seguro, necessário à operação e à manutenção da caldeira, sendo que, para guarda-corpos vazados, os vãos devem ter dimensões que impeçam a queda de pessoas; d) ter ter sist sistem ema a de capt captaç ação ão e lanç lançam amen ento to dos dos gases gases e mate materi rial al part partic icul ulad ado, o, provenientes da combustão, para fora da área de operação, atendendo às normas ambientais vigentes; e) dispor de iluminação conforme normas oficiais vigentes; f) ter sistema de iluminação de emergência caso operar a noite. 13.2.4 Quando a caldeira estiver instalada em ambiente confinado, a “Casa de Caldeiras” deve satisfazer os seguintes requisitos: a) constituir constituir prédio separado, construído construído de material material resistente resistente ao fogo, podendo ter apenas uma parede adjacente a outras instalações do estabelecimento, porém com com as outras outras pare paredes des afast afastad adas as de, no mínim mínimo o 3 (trê (três) s) metr metros os de outras outras instalações, do limite de propriedade de terceiros, do limite com as vias públicas e de depósitos de combustíveis, excetuando-se reservatórios para partida com até 2000 (dois mil) litros de capacidade; b) disp dispor or de pelo pelo meno menos, s, 2 (dua (duas) s) saíd saídas as ampl amplas as,, perm perman anen enttemen ementte desobstruídas e dispostas em direções distintas; c) dispor de ventilação permanente com entradas de ar que não possam ser bloqueadas; d) dispor de sensor para detecção de vazamento de gás quando se tratar de caldeira a combustível gasoso; e) não ser utilizada para qualquer outra finalidade;

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f) dispor de acesso fácil e seguro, necessário à operação e à manutenção da caldeira, sendo que, para guarda - corpos vazados, os vãos devem ter dimensões que impeçam a queda de pessoas; g) ter ter sist sistem ema a de capt captaç ação ão e lanç lançam amen ento to dos dos gases gases e mate materi rial al part partic icul ulad ado, o, provenientes da combustão, para fora da área de operação, atendendo às normas ambientais vigentes; h) disp dispor or de ilum ilumin inaç ação ão confo conform rme e norm normas as ofic oficia iais is vigen vigente tess e ter ter sist sistem ema a de iluminação de emergência. 13.2 13.2.5 .5 Cons Constititu tuii risc risco o grav grave e e imin iminen ente te o não não aten atendi dime ment nto o aos aos segu seguin inte tess requisitos: a) para todas as caldeiras instaladas instaladas em ambiente aberto, as alíneas “b”, “d” e “f” do subitem 13.2.3 desta NR; b) para as caldeiras da categoria “A” instaladas em ambientes confinados, as alíneas “a”, “b”, “c”, “d”, “e”, “g” e “h” do subitem 13.2.4 desta NR; c) para caldeiras das categorias “B” e “C” instaladas em ambientes confinados, as alíneas “b”, “c”, “d”, “e”, “g”, e “h” do subitem 13.2.4 desta NR. 13.2.6 Quando o estabelecimento não puder atender ao disposto nos subitens 13.2.3 ou 13.2.4 deverá ser elaborado “Projeto Alternativo de Instalação”, com medidas complementares de segurança que permitam a atenuação dos riscos. 13.2 13.2.6 .6.1 .1 O “Proje “Projeto to Alte Alterna rnatitivo vo de Inst Instal alaçã ação” o” deve deve ser apres apresent entado ado pelo pelo proprietário da caldeira para obtenção de acordo com a representação sindical da categoria profissional predominante no estabelecimento. 13.2.6.2 Quando não houver acordo, conforme previsto no subitem 13.2.6.1, a intermediação do órgão regional do MTb, poderá ser solicitada por qualquer uma das partes e, persistindo o impasse, a decisão caberá a esse órgão. 13.2.7 13.2.7 As caldei caldeiras ras classi classific ficada adass na categor categoria ia “A” deverão deverão possui possuirr painel painel de inst instru rume ment ntos os inst instal alad ados os em sala sala de cont contro role le,, cons constr truí uída da segu segund ndo o o que que estabelecem as Normas Regulamentadoras aplicáveis.

13.3 Segurança na Operação de Caldeiras 13.3.1 Toda caldeira deve possuir “Manual de Operação” atualizado, em língua portuguesa, em local de fácil acesso aos operadores, contendo no mínimo: a) procedimentos de partidas e paradas;

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b) procedimentos e parâmetros operacionais de rotina; c) procedimentos para situações de emergência; d) proc proced edim imen ento toss gera gerais is de segu segura ranç nça, a, saúd saúde e e de pres preser erva vaçã ção o do meio meio ambiente. 13.3.2 13.3.2 Os instrumentos instrumentos e controles controles de caldeiras caldeiras devem ser mantidos calibrados calibrados e em boas condições operacionais, constituindo condição de risco grave e iminente o emprego de artifícios que neutralizem sistemas de controle e segurança da caldeira. 13.3 13.3.3 .3 A qual qualid idade ade da água água deve deve ser cont control rolada ada e trat tratam amen ento toss deve devem m ser implementados, quando necessários, para compatibilizar suas propriedades físicoquímicas com os parâmetros de operação da caldeira. 13.3.4 Toda caldeira a vapor deve estar obrigatoriamente sob operação e controle de oper operad ador or de cald caldei eira ra,, send sendo o que que o não não aten atendi dime ment nto o a esta esta exig exigên ênci cia a caracteriza condição de risco grave e iminente. 13.3.5 13.3.5 Para efeito desta NR será considerado considerado operador de caldeira caldeira aquele que satisfizer pelo menos uma das seguintes condições: a) possuir certificado de “Treinamento de Segurança na Operação de Caldeiras” e comprovação de estágio prático conforme subitem 13.3.11; b) possuir certificado de “Treinamento de Segurança para Operação de Caldeiras” previsto na NR 13 aprovada pela portaria 02/84 de 08/05/84; c) possuir comprovação de pelo menos 3 (três) anos de experiência nessa atividade, até 8 de maio de 1984. 13.3.6 O pré-requisito mínimo para participação, como aluno, no “Treinamento de Seguran Segurança ça na na Operaçã Operação o de Cald Caldeir eiras” as” é o atest atestado ado de de conclu conclusão são do do 1 grau. grau. 13.3 13.3..7 O “Tre “Trein inam amen ento to de Segu Segurrança ança na Oper Operaç ação ão de Cald Caldei eira ras” s” dev deve obrigatoriamente: a) ser supervisionado tecnicamente por “Profissional Habilitado” citado no subitem 13.1.2; b) ser ministrado por profissionais capacitados para esse fim; c) obedecer, no mínimo, ao currículo proposto no Anexo I-A desta NR.

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13.3 13.3.8 .8 Os respo respons nsáv ávei eiss pela pela promoç promoção ão do “Trei “Treina name ment nto o de Segura Segurança nça na Operação Operação de Caldei Caldeiras” ras” estarão estarão sujeit sujeitos os ao impedi impedimen mento to de minist ministrar rar novos novos cursos, bem como a outras sanções legais legais cabíveis, no caso de inobservância inobservância do disposto no subitem 13.3.7. 13.3.9 Todo operador de caldeira deve cumprir um estágio prático, na operação da própria caldeira que irá operar, o qual deverá ser supervisionado, documentado e ter duração mínima de: a) caldeiras categoria “A”: 80 (oitenta) horas; b) caldeiras categoria “B”: 60 (sessenta) horas; c) caldeiras categoria “C”: 40 (quarenta) horas. 13.3.10 O estabelecimento onde for realizado o estágio prático supervisionado deve deve informa informarr previam previament ente e à represen representaç tação ão sindic sindical al da catego categoria ria profiss profissiona ionall predominante no estabelecimento: a) período de realização do estágio; b) entidade, empresa ou profissional responsável pelo “Treinamento de Segurança na Operação de Caldeiras”; c) relação dos participantes do estágio. 13.3.11 A reciclagem de operadores deve ser permanente, por meio de constantes informações das condições físicas e operacionais dos equipamentos, atualização técnica, informações de segurança, participação em cursos, palestras e eventos pertinentes. 13.3.12 Constitui condição de risco grave e iminente a operação de qualquer caldeira em condições diferentes das previstas no projeto original, sem que: a) seja reprojetada levando em consideração todas as variáveis envolvidas na nova condição de operação; b) sejam adotados todos os procedimentos de segurança decorrentes de sua nova classificação no que se refere à instalação, operação, manutenção e inspeção.

13.4 Segurança na Manutenção de Caldeiras 13.4.1 Todos os reparos ou alterações em caldeiras devem respeitar o respectivo código do projeto de construção e as prescrições do fabricante no que se refere a: a) materiais;

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b) procedimentos de execução; c) procedimentos de controle de qualidade; d) qualificação e certificação de pessoal. 13.4.1.1 13.4.1.1 Quando não for conhecido conhecido o código do projeto projeto de construção, construção, deve ser respeitada a concepção original da caldeira, com procedimento de controle do maior rigor prescrito nos códigos pertinentes. 13.4 13.4.1 .1.2 .2 Nas Nas cald caldei eira rass de cate catego gori rias as “A” “A” e “B”, “B”, a crit critér ério io do “Pro “Profifiss ssio iona nall Habilitado”, citado no subitem 13.1.2, podem ser utilizadas tecnologias de cálculo ou procedimentos mais avançados, em substituição aos previstos pelos códigos de projeto. 13.4.2 “Projetos de Alteração ou Reparo” devem ser concebidos previamente nas seguintes situações: a) sempre que as condições de projeto forem modificadas b) sempre que forem realizados reparos que possam comprometer a segurança. 13.4.3 O “Projeto de Alteração ou Reparo” deve: a) ser concebido ou aprovado por “Profissional Habilitado”, citado no subitem 13.1.2; b) determinar materiais, procedimentos de execução, controle de qualidade e qualificação de pessoal. 13.4.4 Todas as intervenções que exijam mandrilamento ou soldagem em partes que que oper operem em sob sob pres pressã são o deve devem m ser ser segu seguid idas as de test teste e hidr hidros ostá tátitico co,, com com características definidas pelo “Profissional Habilitado”, citado no subitem 13.1.2. 13.4.5 Os sistemas de controle e segurança da caldeira devem ser submetidos à manutenção preventiva ou preditiva.

13.5 Inspeção de Segurança de Caldeiras 13.5.1 As caldeiras devem ser submetidas a inspeções de segurança inicial, periódica e extraordinária sendo considerado condição de risco grave e iminente o não atendimento aos prazos estabelecidos nesta NR. 13.5.2 A inspeção de segurança inicial deve ser feita em caldeiras novas, antes da entrada em funcionamento, no local de operação, devendo compreender exame interno e externo, teste hidrostático e de acumulação.

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13.5 13.5.3 .3 A insp inspeç eção ão de segu seguran rança ça perió periódi dica ca,, const constitituí uída da por por exam exame e inte intern rno o e externo, deve ser executada nos seguintes prazos máximos: a) 12 (doze) meses para caldeiras das categorias “A”, “B” e “C”; b) 12 (doze (doze)) meses meses para para cald caldei eiras ras de recup recupera eraçã ção o de álcal álcalis is de qualq qualquer uer categoria; c) 24 (vinte e quatro) meses para caldeiras da categoria “A”, desde que aos 12 (doze) meses sejam testadas as pressões de abertura das válvulas de segurança; d) 40 (quarenta) meses para caldeiras especiais conforme definido no item 13.5.5. 13.5 13.5.4 .4 Esta Estabe bele leci cime ment ntos os que que poss possua uam m “Ser “Servi viço ço Próp Própri rio o de Insp Inspeç eção ão de Equipamentos Equipamentos”, ”, conforme conforme estabelecid estabelecido o no Anexo II, podem estender os períodos períodos entre inspeções de segurança, respeitando os seguintes prazos máximos: a) 18 (dezoito) meses para caldeiras das categorias “B” e “C”; b) 30 (trinta) meses para caldeiras da categoria “A”. 13.5.5 As caldeiras que operam de forma contínua e que utilizam gases ou resí resídu duos os das das unid unidad ades es de proc proces esso so,, como como comb combus ustí tíve veis is prin princi cipa pais is para para apro aprove veititam amen ento to de calo calorr ou para para fins fins de cont contro role le ambi ambien enta tal,l, pode podem m ser ser consideradas especiais quando todas as condições seguintes forem satisfeitas: a) estiverem instaladas em estabelecimentos que possuam “Serviço Próprio de Inspeção de Equipamentos” citados no Anexo II; b) tenham testado a cada 12 (doze) meses o sistema de intertravamento e a pressão de abertura de cada válvula de segurança; c) não apresentem variações inesperadas na temperatura de saída dos gases e do vapor, durante a operação; d) existam análise e controle periódico da qualidade da água; e) exista controle de deterioração dos materiais que compõem as principais partes da caldeira; f) seja homologada como classe especial mediante: - acordo entre a representação sindical da categoria profissional predominante no estabelecimento e o empregador;

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- intermediação do órgão regional do MTb, solicitada por qualquer uma das partes, quando não houver acordo; - decisão do órgão regional do MTb quando, persistir o impasse. 13.5.6 Ao completar 25 (vinte e cinco) anos de uso, na sua inspeção subseqüente, as caldeiras devem ser submetidas à rigorosa avaliação de integridade para determinar a sua vida remanescente e novos prazos máximos para inspeção, caso ainda estejam em condições de uso. 13.5.6.1 Nos estabelecimentos que possuam “Serviço Próprio de Inspeção de Equipamentos” citados no Anexo II, o limite de 25 (vinte e cinco) anos pode ser alterado em função do acompanhamento das condições da caldeira, efetuado pelo referido órgão. 13.5.7 As válvulas de segurança instaladas em caldeiras devem ser inspecionadas periodicamente conforme segue: a) pelo menos uma vez por mês, mediante acionamento manual da alavanca, em operação, para caldeiras das categorias “B” e “C”; b) desmontando, desmontando, inspecionando inspecionando e testando, testando, em bancada, bancada, as válvulas válvulas flangeadas flangeadas e, no campo, as válvulas soldadas, recalibrando-as numa freqüência compatível com a experiência operacional da mesma, porém respeitando-se como limite máximo o período de inspeção estabelecido no subitem 13.5.3 ou 13.5.4, se aplicável, para caldeiras de categorias “A” e “B”. 13.5.8 Adicionalmente aos testes prescritos no subitem 13.5.7 as válvulas de segu segura ranç nça a inst instal alad adas as em cald caldei eira rass deve deverã rão o ser ser subm submet etid idas as a test testes es de acumulação, nas seguintes oportunidades: a) na inspeção inicial da caldeira; b) quando forem modificadas ou tiverem sofrido reformas significativas; c) quand quando o houv houver er modi modififica cação ção nos nos parâm parâmet etros ros oper operaci acion onai aiss da cald caldei eira ra ou variação na PMTA; d) quando houver modificação na sua tubulação de admissão ou descarga. 13.5.9 13.5.9 A inspeçã inspeção o de segura segurança nça extraor extraordin dinári ária a deve deve ser feita feita nas seguint seguintes es oportunidades: a) sempre que a caldeira for danificada por acidente ou outra ocorrência capaz de comprometer sua segurança;

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b) quando a caldeira for submetida à alteração ou reparo importante capaz de alterar suas condições de segurança; c) antes de a caldeira ser recolocada em funcionamento, quando permanecer inativa por mais de 6 (seis) meses; d) quando houver mudança de local de instalação da caldeira. 13.5.10 13.5.10 A inspeção inspeção de segurança deve ser realizada realizada por “Profissional “Profissional Habilitado”, Habilitado”, citado no subitem 13.1.2, ou por “Serviço Próprio de Inspeção Inspeção de Equipamentos” Equipamentos”,, citado no Anexo II. 13.5.11 Inspecionada a caldeira, deve ser emitido “Relatório de Inspeção”, que passa a fazer parte da sua documentação. 13.5 13.5.1 .12 2 Uma Uma cópia cópia do “Rela “Relató tóri rio o de Inspe Inspeçã ção” o” deve deve ser ser enca encami minha nhada da pelo pelo “Profissional Habilitado”, citado no subitem 13.1.2, num prazo máximo de 30 (trinta) dias a contar do término da inspeção, à representação sindical da categoria profissional predominante no estabelecimento. 13.5.13 O “Relatório de Inspeção”, mencionado no subitem 13.5.11, deve conter no mínimo: a) dados constantes na placa de identificação da caldeira; b) categoria da caldeira; c) tipo da caldeira; d) tipo de inspeção executada; e) data de início e término da inspeção; f) descrição das inspeções e testes executados; g) resultado das inspeções e providências; h) relação dos itens desta NR ou de outras exigências legais que não estão sendo atendidas; i) conclusões; j) recomendações e providências necessárias; k) data prevista para a nova inspeção da caldeira;

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l) nome legível, assinatura e número do registro no conselho profissional do “Profissional Habilitado”, citado no subitem 13.1.2, e nome legível e assinatura de técnicos que participaram da inspeção. 13.5.14 Sempre que os resultados da inspeção determinar alterações dos dados da placa de identificação, a mesma deve ser atualizada. EXERCICIOS Questões para apostila 1) De acordo com a NR 13, quando a caldeira a vapor for instalada em ambiente aberto, constitui risco grave e iminente a Área de Caldeiras não dispor de: (A) afastamento mínimo de três metros de outras instalações do estabelecimento. (B) afastamento mínimo de cinco metros do limite com as vias públicas. (C) acesso fácil e seguro necessário à operação da caldeira. (D) iluminação conforme normas oficiais vigentes. (E) sistema de iluminação de emergência, caso a caldeira opere à noite. 2) A Norma Regulamentadora NR-13 - Caldeiras e Vasos de Pressão, emitida pelo Ministério do Trabalho e Emprego, em seus itens 13.5.3, 13.5.4 e 13.10.3, estabelece prazos máximos para as atividades de inspeção exigidas. No que se refere especificamente a testes hidrostáticos em caldeiras, estes: (A) devem ser realizados a cada 12 meses, independente da categoria da caldeira ou da existência de “Serviço Próprio de Inspeção de Equipamentos” no estabelecimento. (B) devem ser realizados a cada 12 meses, independente da categoria da caldeira, podendo este prazo ser ampliado, caso o estabelecimento possua “Serviço Próprio de Inspeção de Equipamentos”. (C) têm seu prazo máximo de realização condicionado à categoria da caldeira, independente da existência de “Serviço Próprio de Inspeção de Equipamentos” no estabelecimento. (D) têm seu prazo máximo de realização condicionado à categoria da caldeira e à existência de “Serviço Próprio de Inspeção de Equipamentos” no estabelecimento. (E) não têm um prazo máximo de realização formalmente estabelecido pela norma, estando sua execução a critério do “Profissional Habilitado 3)A Norma Regulamentadora NR-13 - Caldeiras e Vasos de Pressão, emitida pelo Ministério do Trabalho e Emprego, explicita diversas circunstâncias que caracterizam “condições de risco grave e iminente”. Uma circunstância que, embora indesejável, NÃO constitui uma condição de risco grave e iminente na instalação, na operação ou nas atividades de acompanhamento de caldeiras, de acordo com esta norma, é o(a): (A) não-atendimento aos prazos previstos na norma para a condução das atividades de inspeção. (B) emprego de artifícios que neutralizem sistemas de controle e segurança. (C) inexistência de instrumento que indique a pressão do vapor acumulado.

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(D) omissão, no “Registro de Segurança” da caldeira, da descrição de ocorrências capazes de interferir em suas condições de segurança. (E) ausência de, pelo menos, duas saídas amplas, permanentemente desobstruídas e dispostas em direções distintas, no local de instalação do equipamento. 4)O item 13.6.4.1 da Norma Regulamentadora NR-13 – Caldeiras e Vasos de Pressão, emitida pelo Ministério do Trabalho e Emprego, prevê que, quando inexistente ou extraviado, o “Prontuário do Vaso de Pressão” seja reconstituído pelo proprietário do equipamento. Segundo este item, é imprescindível que, além dos procedimentos para determinação da PMTA e das características funcionais do equipamento, conste(m) da reconstituição: (A) especificação dos materiais utilizados. (B) ano de fabricação. (C) código de projeto e ano de edição. (D) desenhos e demais dados necessários para o monitoramento da vida útil. (E) dados dos dispositivos de segurança 4) A inspeção realizada em uma caldeira aquatubular de uma unidade de refino identificou trincas na superfície interna de seu tubulão superior. As características do vapor superaquecido, sob condições normais de operação, são 120 kgf/cm2 de pressão, 525 °C de temperatura e 120 ton/h de descarga mássica. O tubulão é fabricado em aço carbono. As trincas têm pequena profundidade em relação à espessura de parede do componente e são longitudinais. A localização dos danos é caracterizada esquematicamente na figura abaixo.

Tendo em vista estas informações, uma hipótese provável para o mecanismo de acumulação de dano responsável pelas trincas é: (A) choque térmico, promovido pela ingestão de água de alimentação abaixo da temperatura desejável. 79


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(B) superaquecimento, conseqüência de períodos em que a temperatura da água no tubulão se manteve substancialmente acima da temperatura de equilíbrio entre água e vapor. (C) corrosão-fadiga, resultante do rompimento cíclico da camada de óxido protetora que reveste a superfície interna do tubulão. (D) fluência, promovida pela combinação entre a temperatura de parede e a tensão circunferencial resultante da pressão interna. (E) impingimento, promovido por turbulência associada à variação acentuada da seção transversal do fluido e à conseqüente modificação em seu deslocamento lamelar. 5)Assinale a alternativa incorreta: a) Caldeiras Flamotubular ou Fogotubular são aquelas nas quais o fogo e os gases de combustão passam internamente pelos tubos banhados pela água. b) Caldeiras Aquatubular ou Parede D'água são aquelas nas quais a água passa internamente pelos tubos envolvidos pelas chamas e gases de combustão. c) Caldeiras de baixa pressão geralmente são caldeiras flamotubulares e têm baixa produção de vapor. d) Caldeiras de alta pressão geralmente são caldeiras aquatubulares e têm alta produção de vapor e) Entende-se por sistema gerador de vapor (caldeira), o conjunto de equipamentos, tubulações e acessórios destinados à produção de vapor saturado ou superaquecido a diversas pressões de trabalho, utilizando-se da energia elétrica. 6)Assinale a alternativa correta: a) Temperatura de saturação é a temperatura de vaporização. b) Líquido abaixo da temperatura de saturação é chamado líquido saturado. c) Se houver somente vapor na temperatura de saturação é chamado vapor supersaturado. d) Se houver somente líquido na temperatura de saturação é chamado líquido comprimido. e) Vapor acima da temperatura de saturação é chamado vapor saturado 7)Dentre os conceitos abaixo, assinale a alternativa incorreta: a) Condensação é o processo em que uma substância passa do estado de vapor para líquido. b) Ebulição é o processo em que se fornece calor para uma substância no estado líquido a fim de passar para o estado de vapor. c) Sublimação é o processo de mudança de estado de vapor para sólido. d) Fusão é o processo de mudança de estado de sólido para líquido. e) Solidificação é o processo de mudança de estado de líquido para sólido

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8) A NR-13 – Caldeiras e vasos de pressão estabelece que (A) quando a caldeira estiver instalada em ambiente confinado, a casa de caldeiras deve dispor de pelo menos 3 saídas amplas e permanentemente desobstruídas. (B) o pré-requisito mínimo para participação, como aluno, no treinamento de segurança na operação de caldeiras é o atestado de conclusão do ensino médio. (C) ao completar 25 anos de uso, na sua inspeção subseqüente, as caldeiras devem ser submetidas a rigorosa avaliação de integridade para determinar a sua vida remanescente e novos prazos máximos para inspeção, caso ainda estejam em condição de uso. (D) as caldeiras classificadas na categoria B deverão possuir painel de instrumentos instalados em sala de controle, construída segundo o que estabelece o anexo V dessa norma. (E) a inspeção de segurança periódica, constituída por exame interno e externo, deve ser executada no prazo máximo de 24 meses, para caldeiras de recuperação de álcalis de qualquer categoria 9) O equipamento que tem com principal função do oxigênio (O 2 , do gás carbônico ( CO2 ) e de outros gases em menor proporção que se encontram dissolvidos na água de alimentação das caldeiras é: a) pré-aquecedor b) super aquecedor c) dessuperaquecedor d) purgador e) desaerador 10) No controle de nível de uma caldeira, uma das técnicas mais utilizadas é o controle a 3 elementos. Pra este tipo de controle, são utilizadas utilizadas as seguintes variáveis: a) Nível do tubulão superior e a vazão de vapor gerada pela caldeira, vazão de agua de alimentação. b) Pressão de vapor, vazão de vapor gerada pela caldeira, vazão de água de alimentação c) Pressão da fornalha, nível do desaerador, vazão de água de alimentação d) Pressão do vapor, pressão da fornalha, nível do desaerador e) Pressão do sistema de purga, pressão da fornalha e nível do desaerador 11) A caldeira do tipo Aquatubular tem como características: a) água fora dos tubos e os gases de combustão por dentro dos tubos b) balão de vapor transversal, câmara seccionadas e tubos retos inclinados. c)água por dentro dos tubos e os gases de combustão por fora dos tubos d) possui somente o tubulão inferior e) possui somente o tubulão superior

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12)Segundo a NBR 12177-2 Caldeira estacionarias a vapor vapor (inspeção de segurança parte 2 ): caldeiras aquatubulares- toda caldeira deve possuir pelo menos os seguinte dispositivos de proteção, Exceto: a) Uma ou mais válvula de segurança, dando ao vapor saída para a atmosfera do recinto onde ele é gerado b) Uma ou mais válvula de segurança no coletor do superaquecedor, quando existente c)Intertravamento de purga da câmara de combustão d)Dispositiv d)Dispositivo o contra falha ou perda de chama ( não obrigatório obrigatório para combustivei combustiveiss sólidos queimando em grelha) e) Alarme pressão alta do desaerador 13) Com relação aos dispositivos auxiliares utilizados para produzir vapor em uma caldeira, podemos considerar as seguintes alternativas: I - Válvula Válvula controladora controladora de pressão: pressão: localizada localizada na saida do balão inferior inferior,, tem como função só permitir o fluxo de vapor depois de atingido um certo valor de pressão na linha. II - Válvula Válvula de alivio de pressão pressão ( Válvula de segurança):co segurança):como mo função liberar liberar a passagem do vapor para a atmosfera, provocando um rápido alivio de pressão na caldeira. É ajustada para um valor superior à pressão nominal da caldeira, e inferior à máxima pressão suportável. III – Ventil Ventilador ador de ar de combustã combustão: o: A pressão pressão positiv positiva a que o ventil ventilador ador cria dent dentro ro da caldei caldeira ra aumen aumenta ta o coefi coefici cien ente te de troca troca de calor calor entr entre e os gase gasess queimados e o feixe tubular na razão da quarta potência do aumento de pressão na câmara, tornando a caldeira sensivelmente mais eficiente. Estão corretas as afirmações: a) apenas I b) apenas II e III c)apenas III d)apenas I e II e) apenas II

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14)Com relação aos tratamentos tratamentos de água para utilização utilização em caldeiras, caldeiras, considere as seguintes afirmativas: I – Água das caldeiras deve ser tratada para remoção total total ou parcial dos sais de calcio e magnésio, que produzem incrustações e podem levar a ruptura dos tubos II – O abrandamento por troca iônica para tratamento da agua para caldeiras é feito usando-se resinas catiônicas e abrandamento e alcalinização com redução do total de sólidos dissolvidos com resinas trocadores de cations. II- A redução dos teores de oxigênio e gás carbônicos da água, através do uso de desaeradores. Sendo a desaeração podendo ser realizada com a utilização de produto produtoss químic químicos, os, como: como: soda caustic caustica, a, fosfat fosfato, o, trissó trissódic dico, o, sulfo sulfo de sódio, sódio, quelatos, polímeros orgânicos e inibidores de incrustações. Estão corretas a) apenas I b) apenas I e II c) apenas III d) apenas I e II e) apenas II 15)1)Assinale a alternativa correta: a) Caldeiras a vapor são equipamentos eq uipamentos destinados a produzir e acumular v apor sob pressão superior à manométrica, utilizando qualquer fonte de energia renovável, excetuando-se os refervedores e equipamentos similares utilizados em unidades de processo. b) Caldeiras a vapor são equipamentos destinados a produzir e acumular vapor sob pressão superior à atmosférica, utilizando qualquer fonte de energia renovável, incluindo-se os refervedores e equipamentos similares utilizados em unidades de processo. c) Caldeiras a vapor são equipamentos eq uipamentos destinados a produzir e acumular v apor sob pressão superior superior à barométrica, barométrica, utilizando utilizando qualquer fonte de energia renovável, renovável, excetuando-se excetuando-se os refervedores e equipamentos similares utilizados em unidades de processo. d) Caldeiras a vapor são equipamentos destinados a não produzir e acumular vapor sob pressão superior à barométrica, utilizando qualquer fonte de energia renovável, excetuandose os refervedores e equipamentos similares utilizados em unidades de processamento de energia. e) Caldeiras a vapor são equipamentos eq uipamentos destinados a produzir e acumular v apor sob pressão superior à atmosférica, atmosférica, utilizando qualquer fonte de energia, excetuando-se os os refervedores e equipamentos similares utilizados em unidades de processo.

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Organizado por Gibson Dall'Orto Muniz da Silva Referência bibliográfica: Bazzo, E.,1992

"Geração de Vapor", Editora da UFSC, Florianópolis.

Pera, H., 1990, "Geradores de

Vapor", Editora Fama, São Paulo.

Eficiência Energética no uso de vapor, Procel

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