O que são caldeiras de tubos de água?
Uma caldeira de tubos de água, também conhecida como caldeira de tubo de água ou caldeira de tubo-d'água, é um tipo de caldeira que utiliza tubos preenchidos com água tubos para gerar vapor. Isso é diferente de uma caldeira de tubos de fogo, que utiliza tubos preenchidos com gases de combustão para gerar vapor. O vapor gerado pela caldeira pode ser usado para uma variedade de propósitos, incluindo geração de energia via turbinas a vapor, aplicações de processos industriais e aquecimento de edifícios (aquecimento distrital).
Nota - para ajudar na compreensão e familiarização, este artigo usa as várias formas de tubo-d'água, tubo de água e tubos de água ao longo do texto.
Transferência de Calor para Tubos de Caldeira de Tubos de Água e Tubos de Fogo
As caldeiras de tubos de água são tipicamente mais eficientes do que outros tipos de caldeiras e também são capazes de gerar maiores volumes de vapor em pressões e pressões e temperaturas mais altas; isso as torna ideais para uso em usinas de energia e outros ambientes industriais onde é exigida maior capacidade.
Neste artigo, exploraremos o funcionamento das caldeiras de tubos de água empregadas em usinas de energia a carvão. Discutiremos os principais sistemas associados a essas grandes caldeiras, suas principais partes e como podemos usar o vapor para gerar energia elétrica. No entanto, você pode aprender mais sobre diferentes tipos de caldeiras e maquinário de usinas de energia em nosso Curso em Vídeo de Fundamentos de Engenharia de Energia.
Caldeira de Tubos de Água
Bom saber – ‘tubo-d'água’ também é escrito como ‘tubo de água’, ou ‘tubos de água’, mas as diferentes variações significam a mesma coisa.
Quais são as principais partes de uma caldeira de tubo-d'água?
As principais partes de uma caldeira de tubo-d'água são:
- Tambor de vapor
- Tambor de lama
- Descendentes
- Ascendentes
- Coletor
- Superaquecedor (Primário, Secundário etc.)
- Reaquecedor (Primário, Secundário etc.)
- Economizador
- Forno (espaço de combustão)
- Válvula de segurança
- Ventilador de ar primário
- Ventilador de ar secundário
- Ventilador de exaustão
- Atemperador
Tubulação e Caminhos de Fluxo da Caldeira de Tubos de Água
Como funcionam as caldeiras de tubos de água?
O diagrama abaixo mostra a disposição típica de equipamentos e sistemas associados a uma usina de energia a carvão; use o diagrama como referência à medida que avança neste artigo. É necessário entender todos os sistemas de uma usina para compreender como uma caldeira de tubos de água funciona.
Diagrama de Sistemas e Equipamentos de Usina de Energia a Carvão
Sistema de Combustível da Caldeira de Tubos de Água
Antes que o carvão seja alimentado na caldeira, ele é armazenado em um pátio de carvão, depois transportado para silos diários. Os silos diários geralmente têm capacidade suficiente para 4-12 horas de operação máxima da caldeira, o que garante que a caldeira possa permanecer em serviço mesmo que haja um problema com o(s) transportador(es) no pátio de carvão. Os silos diários alimentam o carvão para os pulverizadores de carvão (inglês americano ‘pulverizers’).
Pulverizador de Carvão
O objetivo de um pulverizador é moer, secar e classificar o carvão, garantindo que ele contenha uma baixa quantidade de umidade e que esteja no tamanho correto quando chegar à caldeira. O carvão pulverizado é descarregado dos pulverizadores e transportado pneumaticamente através de tubulações para os queimadores da caldeira.
O carvão pulverizado é pulverizado na fornalha através de bicos de queimadores, onde é inflamado e passa por combustão. O ar é soprado na fornalha para garantir uma combustão eficiente. Atrás dos tubos laterais da fornalha (paredes de água laterais) estão as caixas de vento; o ar se acumula em cada caixa de vento antes de entrar na caldeira. Uma caixa de vento fornece uma pequena reserva de ar e reduz a probabilidade de pulsação de ar ou fornecimento de ar inconsistente para a caldeira. Existem dois principais sistemas de ar associados às caldeiras de tubos de água, que são os sistemas de ar primário e ar secundário.
Caixa de Vento da Caldeira de Tubos de Água
Sistemas de Ar Primário e Secundário da Caldeira de Tubos de Água
Os sistemas de ar primário e secundário têm duas funções separadas.
- Ar primário – controla a quantidade de combustível sendo queimado.
- Ar secundário – controla a eficiência do processo de combustão.
Os ventiladores de ar primário e secundário usados em ambos os sistemas são tipicamente do tipo ventilador centrífugo, embora o número e o tipo de ventiladores dependam do design da caldeira. O sistema de ar primário alimenta ar primário para os pulverizadores de carvão, enquanto o sistema de ar secundário fornece ar para as caixas de vento.
Sistema de Ar Primário
O sistema de ar primário controla a quantidade de combustível sendo queimado. Ajustando a quantidade de ar primário fornecido, a quantidade de carvão alimentado para a fornalha pode ser regulada. O ar primário frio entra no pulverizador de carvão e se mistura com o ar primário quente para criar uma mistura ar-combustível e temperatura ideais. A mistura ar-combustível é então transportada pneumaticamente através de tubos para os queimadores e para a fornalha.
Sistema de Ar Secundário
O sistema de ar secundário controla a eficiência do processo de combustão; ele fornece ar para as caixas de vento, que distribuem o ar secundário uniformemente dentro da fornalha. O sistema de ar secundário ajuda a manter condições de combustão ideais ajustando a quantidade de ar fornecido com base nos níveis de dióxido de carbono e oxigênio nos gases de exaustão. Monitorando a composição dos gases de exaustão, o sistema de ar secundário pode garantir que a combustão seja o mais eficiente possível; esse processo é conhecido como controle de eficiência de combustão.
Aquecedor de Ar
Aquecedores de ar usam os gases de exaustão da combustão para aquecer o ar primário e secundário antes de entrar na caldeira; esse processo melhora a eficiência da caldeira ao evitar o resfriamento contínuo da caldeira devido à introdução de ar frio.
Aquecedor de Ar da Caldeira de Tubos de Água
Caldeira de Tubos de Água: Princípio de Funcionamento
Esta seção discute os vários componentes e sistemas usados para converter água em vapor dentro de uma caldeira de tubos de água. Componentes comuns de caldeiras de tubos de água, como o tambor de vapor, descendentes, ascendentes, tambores de lama, paredes da fornalha, coletor e superaquecedores, serão discutidos.
Fluxo Através de uma Caldeira de Tubos de Água
Economizador
A água de alimentação da caldeira entra primeiro na caldeira através do economizador (inglês americano ‘economizer’), que é um trocador de calor tipo serpentina. A água da caldeira flui para frente e para trás através dos tubos do economizador até chegar ao topo do trocador de calor, onde é descarregada para o tambor de vapor.
Bom saber – ‘água de alimentação’ também é escrito como ‘água-de-alimentação’ ou ‘água de alimentação’, mas as diferentes variações significam a mesma coisa.
Bom saber – a água que foi tratada, mas ainda não entrou na caldeira, é classificada como ‘água de alimentação’. A água que está dentro da caldeira é classificada como ‘água da caldeira’. O vapor que se condensou de volta em água é classificado como ‘condensado’. O condensado se torna água de alimentação após ser tratado.
Economizador e Tambor de Vapor da Caldeira de Tubos de Água
Tambor de Vapor, Descendentes e Tambores de Lama
O tambor de vapor recebe água da caldeira do economizador. O tambor de vapor é longo, cilíndrico em forma, e fabricado a partir de placas de metal planas. Devido à alta pressão do sistema de vapor (geralmente aprox. 190 bar/2.755 psi), a temperatura de ebulição da água é correspondentemente alta (a temperatura de ebulição da água é dependente da pressão). O tambor de vapor é responsável por separar a água e o vapor. O vapor é descarregado do tambor de vapor para as turbinas a vapor, enquanto a água é recirculada na caldeira até se tornar vapor.
Modelo 3D do Tambor de Vapor da Caldeira de Tubos de Água
A água relativamente fria do tambor de vapor - com uma densidade mais alta devido à sua temperatura mais baixa - flui através de grandes tubos chamados descendentes até alcançar os tambores de lama. Os tambores de lama são coletores de distribuição de água na base da caldeira. Se a caldeira for uma caldeira de circulação natural, os descendentes conectam o tambor de vapor no topo da caldeira aos tambores de lama na parte inferior, sem o uso de uma bomba. Se a caldeira for uma caldeira de circulação forçada, uma bomba centrífuga de múltiplos estágios será instalada entre o tambor de vapor e o tambor de lama. Os descendentes recebem esse nome porque a água ‘desce’ do tambor de vapor.
Caldeiras de Tubos de Água de Circulação Natural e Forçada
Bom saber – ‘coletores’ e ‘manifolds’ são duas palavras que são frequentemente usadas de forma intercambiável. Ambas as palavras significam ‘um ponto de distribuição central que fornece sistemas menores’.
Geralmente, há seis descendentes em uma caldeira de tubos de água, o que garante um fluxo adequado de água para os tambores de lama. Os tambores de lama são instalados na base das paredes da fornalha e servem como um ponto de coleta para sedimentos e outras impurezas circulando dentro do sistema. Os tambores de lama precisam ser abertos e limpos em intervalos programados para remover depósitos acumulados.
Bom saber – o nome ‘tambor de lama’ deriva do material ‘sujo’ que se acumula dentro dos tambores.
Tambores de Lama da Caldeira de Tubos de Água
Paredes da Fornalha e Ascendentes
Dos tambores de lama, a água flui para cima através de tubos vizinhos à fornalha; esses tubos são chamados de ‘ascendentes’ porque a água está ‘subindo’ para o tambor de vapor. A fornalha é cercada por ascendentes em todos os quatro lados (frente, traseira e ambas as paredes laterais), formando uma caixa de formato retangular. Devido ao formato retangular da fornalha e porque os ascendentes estão cheios de água, cada lado da caldeira é frequentemente referido como uma ‘parede de água’.
Construção da Parede da Fornalha da Caldeira de Tubos de Água
Os ascendentes têm um diâmetro muito menor do que os descendentes porque seu principal objetivo é absorver calor, portanto, eles requerem uma grande área de contato com a fornalha. Os tubos ascendentes formam a parte evaporadora da caldeira porque a evaporação ocorre dentro dos tubos.
Água Evaporando Dentro de um Tubo de Caldeira de Tubos de Água
Quando a combustão ocorre dentro da fornalha, o calor é transferido para os ascendentes via radiação e convecção. A transferência de calor radiante requer linha de visão entre a fonte de calor e o receptor, portanto, itens como o economizador não são aquecidos por calor radiante (porque não há linha de visão direta entre o combustível em combustão e o economizador).
Condução, Convecção e Radiação
Coletor e Formação de Vapor
À medida que a água viaja para cima através das paredes da fornalha, ela absorve calor e começa a evaporar em vapor. No topo da fornalha, vapor úmido (vapor contendo moléculas de água suspensas) é descarregado para coletores, depois para o tambor de vapor. Geralmente, há quatro coletores, um por lado da parede da fornalha. Nem toda a água evapora em vapor, portanto, a água também é retornada ao tambor de vapor.
Vapor úmido e água entram no tambor de vapor, onde defletores, purificadores e ciclones separam as moléculas de água suspensas do vapor. Vapor saturado seco é descarregado do tambor de vapor, ou seja, o vapor não contém moléculas de água suspensas.
Componentes do Tambor de Vapor da Caldeira de Tubos de Água
Bom saber – o vapor é um gás invisível e inodoro. O vapor que a maioria das pessoas visualiza ao pensar em vapor é na verdade ‘vapor úmido’. Se o vapor contém moléculas de água suspensas, é referido como ‘vapor úmido’; são essas moléculas de água suspensas que são visíveis. Se o vapor não contém moléculas de água suspensas, é referido como ‘vapor seco’. A secura do vapor é medida por sua fração de secura (também conhecida como ‘qualidade do vapor’), com um valor de 0 sendo completamente líquido e 1 sendo completamente seco.
Superaquecedores
A quantidade de energia que uma turbina a vapor pode extrair do vapor é determinada pela temperatura e pressão do vapor. Para aumentar ainda mais a temperatura do vapor - aumentando assim a quantidade de energia disponível para a turbina a vapor -, ele é enviado através de uma série de superaquecedores. O vapor que é aquecido acima de sua temperatura de saturação é referido como ‘vapor superaquecido’, isso é o que ocorre nos superaquecedores, e é assim que eles obtiveram seu nome.
Os superaquecedores são trocadores de calor fabricados a partir de tubulações semelhantes em design aos ascendentes; eles são classificados como primários ou secundários, dependendo de sua posição dentro da caldeira. Os superaquecedores aumentam a temperatura do vapor, ou seja, eles adicionam calor sensível. Os superaquecedores não adicionam calor latente porque o vapor já está em fase gasosa, ou seja, não há mudança de fase à medida que o vapor é aquecido.
O superaquecedor primário adiciona calor ao vapor à medida que ele flui através de uma área relativamente fria da caldeira, isso evita que o vapor esfrie e condense antes de chegar aos superaquecedores secundários. Vapor saturado seco flui para o superaquecedor primário e vapor superaquecido seco flui para fora!
Superaquecedores Primário e Secundário da Caldeira de Tubos de Água
Após o superaquecedor primário, o vapor superaquecido seco passa para dois superaquecedores secundários: o superaquecedor de platina e o superaquecedor secundário final. Os superaquecedores secundários estão localizados em regiões mais quentes da caldeira, garantindo assim que o vapor atinja sua temperatura mais alta antes de ser descarregado da caldeira para as turbinas de vapor de alta pressão.
Neste estágio, não há mais fluxo através da caldeira, a menos que a caldeira seja uma caldeira de reaquecimento.
Bom saber – as turbinas a vapor são classificadas com base nas pressões em que operam:
- Turbina de vapor de alta pressão – a primeira turbina que o vapor encontra após sair do superaquecedor secundário final; essa turbina é referida como ‘Turbina HP’.
- Turbina de vapor de pressão intermediária – a turbina que o vapor encontra após sair do superaquecedor de reaquecimento secundário (se uma caldeira de reaquecimento), ou, após sair da turbina HP. Essa turbina é referida como ‘Turbina IP’.
- Turbina de vapor de baixa pressão – o vapor é entregue da turbina IP para a turbina de baixa pressão através de uma conexão de cruzamento. Essa turbina é referida como ‘Turbina LP’.
Caldeiras de Reaquecimento
Após o vapor superaquecido de alta pressão seco ter passado pela turbina de vapor de alta pressão, ele é descarregado e enviado de volta para a caldeira para reaquecimento. O reaquecimento do vapor ocorre em trocadores de calor referidos como ‘reaquecedores’, que são semelhantes em design aos superaquecedores. Assim como os superaquecedores, os reaquecedores também são classificados como primários ou secundários, dependendo de sua posição dentro da caldeira. Após o reaquecimento, o vapor é descarregado para a turbina de pressão intermediária e, finalmente, para a turbina de baixa pressão (que é conectada via um tubo de cruzamento).
Nem todas as caldeiras de tubos de água têm um ciclo de reaquecimento. O principal objetivo de reaquecimento do vapor é aumentar sua temperatura e, consequentemente, aumentar a energia disponível para a turbina a vapor; o reaquecimento também aumenta a eficiência térmica geral da planta. O reaquecimento do vapor reduz a probabilidade de moléculas de água suspensas estarem presentes no vapor, reduzindo assim os riscos de erosão e corrosão das lâminas da turbina.
Reaquecedor Primário
Um reaquecedor primário é semelhante a um superaquecedor primário (ambos usam um design de trocador de calor tipo serpentina), mas está localizado em uma parte vizinha da caldeira. O vapor da turbina de alta pressão é descarregado para o reaquecedor primário. À medida que o vapor viaja através do reaquecedor primário, ele é reaquecido e, em seguida, descarregado para o reaquecedor secundário. O caminho do vapor é bastante intricado, o que garante uma transferência de calor ideal.
Reaquecedores da Caldeira de Tubos de Água
Reaquecedor Secundário
Após passar pelo superaquecedor de reaquecimento primário, o vapor entra no superaquecedor de reaquecimento secundário, onde passa por um aquecimento adicional antes de ser descarregado da caldeira para a turbina de pressão intermediária.
Sistema de Limpeza de Gases de Exaustão
O sistema de limpeza de gases de exaustão trata os gases de combustão gerados durante a operação da caldeira.
Bom saber – ‘gases de combustão’, também são conhecidos como ‘gases de chaminé’, ou ‘gases de combustão’.
Os gases de exaustão viajam através da caldeira, passando por trocadores de calor (superaquecedores etc.) e outros componentes (aquecedor de ar etc.) à medida que o fazem. Uma vez que os gases de exaustão transferiram a maior parte de sua energia térmica para a caldeira, eles são descarregados para o sistema de limpeza de gases de exaustão.
O sistema de limpeza de gases de exaustão geralmente inclui dessulfurizadores de gases de chaminé e precipitadores eletrostáticos ou filtros de mangas. O equipamento de limpeza de gases de chaminé é projetado para remover poluentes e material particulado dos gases de chaminé antes de serem descarregados para a atmosfera.
Resumo – Como Tudo Funciona Junto
- O carvão entra nos silos diários a partir do pátio de carvão.
- O carvão é entregue aos pulverizadores, onde é moído, seco e classificado.
- O carvão pulverizado é transportado pneumaticamente para os queimadores da caldeira.
- O carvão é pulverizado na fornalha, onde é inflamado e passa por combustão.
- O ar secundário é soprado na fornalha para garantir uma combustão eficiente.
- A água da caldeira relativamente fria viaja para baixo do tambor de vapor para os tambores de lama através dos descendentes.
- A água flui dos tambores de lama para cima através dos tubos ascendentes vizinhos à fornalha. À medida que a água flui para cima, ela absorve calor e parte da água evapora em vapor.
- O vapor úmido sai através dos coletores no topo da fornalha.
- O vapor úmido entra no tambor de vapor, onde as moléculas de água suspensas são separadas. O vapor saturado seco é descarregado do tambor de vapor.
- O vapor seco passa por superaquecedores primários e secundários para atingir sua temperatura final (ele se torna superaquecido durante esta etapa).
- O vapor superaquecido seco é descarregado da caldeira e agora pode ser usado pelas turbinas a vapor para geração de energia.
- Se um sistema de reaquecimento estiver instalado, o vapor da turbina de alta pressão é retornado à caldeira para reaquecimento. Se nenhum sistema de reaquecimento estiver instalado, o vapor é descarregado da turbina de alta pressão para os próximos estágios, ou seja, turbinas IP ou LP.
Recursos Adicionais
https://en.wikipedia.org/wiki/Water-tube_boiler
https://www.rasmech.com/blog/watertube-boiler-a-complete-overview/
https://testbook.com/mechanical-engineering/water-tube-boilers-definition-diagram-and-applications