Introdução
Caldeiras de tubo de fogo, também conhecidas como caldeiras de tubo de fumaça, são o tipo mais comum de caldeira industrial utilizada atualmente. Comparadas às caldeiras de tubo de água, são muito mais adequadas para aplicações em plantas menores, pois conseguem lidar melhor com flutuações repentinas de alta demanda de vapor.
A combustão ocorre dentro de uma fornalha com os gases de exaustão (gases de combustão) passando por uma série de tubos da caldeira antes de sair por uma chaminé. Como os gases de exaustão passam por tubos submersos em água, a caldeira é chamada de 'caldeira de tubo de fogo/fumaça'. As caldeiras de tubo de água têm tubos cheios de água que são cercados por gases de exaustão, ou seja, o oposto de uma configuração de caldeira de tubo de fogo.
Caldeiras de Tubo de Fogo
Partes e Funções da Caldeira
Casco
Muitas das partes de uma caldeira de tubo de fogo estão alojadas dentro de um longo casco cilíndrico que serve como um vaso de pressão. O casco está cheio de água com espaço no topo para a liberação de vapor.
Casco
Tubos
Tubos passam de uma extremidade do casco à outra; isso pode ocorrer uma ou várias vezes. O casco e os tubos podem ser instalados em uma orientação vertical ou horizontal, embora a orientação vertical seja menos comum.
Vários dos tubos podem ter um diâmetro mais espesso do que os tubos padrão, esses tubos são chamados de 'tubos de sustentação'. Tubos de sustentação reduzem as tensões mecânicas colocadas sobre as chapas dos tubos quando a caldeira é pressurizada; barras de sustentação também podem ser usadas para esse propósito.
Tubos
Fornalha
A fornalha é onde ocorre a combustão; é o local onde as mais altas temperaturas dentro da caldeira são atingidas. As fornalhas são geralmente corrugadas para aumentar sua resistência mecânica, embora fornalhas não corrugadas não sejam incomuns.
Fornalha, Tubos e Casco
Chapas de Tubo
Chapas de tubo são usadas para selar ambas as extremidades do casco e para fornecer um local para montagem dos tubos. As chapas de tubo geralmente serão conectadas ao casco por meio de barras de sustentação.
Chapas de Tubo da Caldeira de Tubo de Fogo
Queimador
Combustível, ar e calor devem ser fornecidos à fornalha para que a combustão ocorra. O combustível e o ar são alimentados na fornalha pelo queimador. Uma fonte de ignição é fornecida por um ignitor (um eletrodo que cria um arco elétrico, semelhante a uma vela de ignição mas maior). Combustíveis típicos incluem óleo combustível leve (LFO) e gás metano, embora outros estejam disponíveis. A 'frente' da caldeira está localizada onde o queimador é montado.
Queimadores Montados em Caldeiras
Câmara de Reversão
Pode haver uma ou várias câmaras de reversão. As câmaras de reversão mudam a direção dos gases de exaustão à medida que saem de uma passagem e são direcionados para outra. As câmaras de reversão localizadas longe do queimador são 'câmaras de reversão traseiras' enquanto as mais próximas do queimador são 'câmaras de reversão frontais'.
Câmara de Reversão
Caixa de Fumaça
A caixa de fumaça é a parte final da caldeira que os gases de exaustão passam antes de sair para a chaminé.
Caixa de Fumaça e Chaminé
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Designs de Caldeira de Tubo de Fogo
É possível variar o design da caldeira de várias maneiras:
- Costas molhadas - a parte traseira da fornalha é cercada por um revestimento de água.
- Costas secas - a parte traseira da fornalha é cercada apenas por chapa metálica.
- Cúpula de vapor - uma cúpula montada no topo do casco da caldeira para auxiliar na liberação de vapor.
- Número de fornalhas - uma caldeira pode ter entre uma a três fornalhas (regra geral).
- Design da fornalha - corrugada ou não corrugada. A imagem abaixo mostra uma fornalha corrugada, ou seja, a fornalha não é um cilindro reto.
Fornalha Corrugada Indicada
- Número de passagens - cada vez que o gás de exaustão passa pela caldeira, é referido como uma passagem. Caldeiras de tubo de fogo geralmente têm três ou quatro passagens, embora caldeiras de uma e duas passagens também sejam usadas.
Caldeira 1ª Passagem
Como funcionam as caldeiras de tubo de fogo?
O vídeo abaixo é um extrato do nosso Curso Online de Introdução a Vapor, Caldeiras e Termodinâmica.
Ar e combustível (geralmente óleo combustível leve (LFO) ou gás metano) são alimentados na fornalha por um queimador. A mistura de ar/combustível é ignitada por um ignitor e a combustão começa.
O calor da combustão é transferido imediatamente para a parede da fornalha e a água circundante. Entre 40-60% de todo o calor gerado na caldeira será transferido para a água a partir da fornalha, com o restante sendo transferido para a água através dos tubos. A fornalha representa a 1ª passagem através da caldeira.
Os gases de exaustão da combustão então viajam para a primeira câmara de reversão. Os gases saem da câmara de reversão e entram na 2ª passagem de tubos, segunda câmara de reversão, 3ª passagem de tubos, caixa de fumaça e finalmente a chaminé.
A água é aquecida pelo calor da combustão e pelos gases de exaustão resultantes. À medida que a água no casco é aquecida, o vapor é liberado no topo do casco da caldeira. O vapor continua a se acumular até que a pressão e temperatura desejadas sejam alcançadas.
Componentes do Modelo 3D
Este modelo 3D mostra todos os principais componentes associados a uma típica caldeira de tubo de fogo de três passagens, incluindo:
- Casco – vaso de pressão aquecido.
- Queimador – usado para combustão.
- Fornalha corrugada – onde ocorre a combustão.
- Tubos – usados para direcionar os gases de exaustão através do casco.
- Chapas de tubo – usadas para manter os tubos na posição.
- Câmara de reversão – os gases são revertidos neste espaço e enviados de volta na direção oposta.
- Tampa – retém o isolamento que aumenta a eficiência térmica da caldeira.
- Caixa de fumaça – localizada onde os gases de exaustão saem da última passagem de tubos, mas antes da chaminé.
- Válvulas de segurança - usadas para aliviar a pressão do sistema em caso de sobrepressão.
- Manômetros - manômetros locais e remotos usados para monitorar temperatura, pressão e fluxo.
Recursos Adicionais
https://en.wikipedia.org/wiki/Fire-tube_boiler
https://www.elprocus.com/fire-tube-boiler-working-principle-types-of-fire-tube-boilers
https://en.zozen.com/products/wns-series-gas-oil-fired-steam-hot-water-boiler.html