O que é um tambor de vapor de caldeira?
Caldeiras aquatubulares utilizam tambores de vapor para garantir que o vapor fornecido aos consumidores seja 'limpo' (livre de impurezas e umidade). Os tambores de vapor de caldeiras aquatubulares estão localizados no topo da caldeira, acima de todas as outras partes da caldeira. O tambor de vapor é caracterizado por sua forma cilíndrica longa e geralmente é feito de placa de aço espessa para suportar as altas pressões e temperaturas nas quais opera. Um tambor de vapor pode ter até dois metros de diâmetro e 30 metros de comprimento.
Bom saber - existem várias formas de escrever 'aquatubular', 'aqua-tubular' ou 'aqua tubular', mas o significado é o mesmo. O mesmo é válido para 'fogatubular', 'foga-tubular' e 'foga tubular', por exemplo, caldeira fogatubular. Tubos de água contêm água, enquanto tubos de fogo contêm gases de exaustão (daí porque também são chamados de 'caldeiras de tubo de fumaça').
Bom saber - caldeiras fogatubulares são caldeiras de baixa pressão. Caldeiras aquatubulares são usadas em estações de energia porque podem fornecer uma grande quantidade de vapor, a alta temperatura e alta pressão. Caldeiras fogatubulares são limitadas em tamanho devido ao seu design de casco de caldeira (veja nosso artigo sobre caldeira fogatubular para mais detalhes).
Posição do Tambor de Vapor da Caldeira Aquatubular
Quais são as principais funções de um tambor de vapor?
Um tambor de vapor tem três funções principais:
- Seu principal propósito é fornecer vapor limpo e seco para consumidores a jusante, como superaquecedores e turbinas a vapor. O tambor de vapor garante que nenhuma umidade (gotículas de água) ou vapor úmido chegue a esses componentes a jusante, garantindo assim que não sejam danificados por problemas como arraste, golpe de aríete e corrosão excessiva.
- Os tambores de vapor também atuam como um reservatório, mantendo uma pequena quantidade de água saturada para lidar com flutuações na demanda de vapor dentro do sistema de caldeira.
- Tratamento de água ocorre dentro do tambor de vapor. Por exemplo, a mistura de produtos químicos para tratamento interno da caldeira ocorre dentro do tambor de vapor, assim como o blowdown (um processo usado para controlar propriedades da água como sólidos suspensos totais (TSS) e sólidos dissolvidos totais (TDS)).
Esquema da Caldeira Aquatubular
Quais são as principais partes de um tambor de vapor de caldeira aquatubular?
Uma descrição detalhada das principais partes de um tambor de vapor é dada abaixo. É importante observar as seguintes definições:
- Água de alimentação - água que foi tratada, mas ainda não entrou na caldeira.
- Água da caldeira - água que está dentro da caldeira (incluindo o tambor de vapor).
- Condensado - vapor que condensou de volta em água. O condensado torna-se água de alimentação novamente após ser tratado.
Para aprender sobre os caminhos de fluxo de água e vapor em torno de uma caldeira aquatubular, veja nosso artigo sobre caldeira aquatubular. Você também pode aprender mais sobre diferentes tipos de caldeiras e todas as suas partes (coletor de vapor, parede da fornalha, etc.) em nosso Curso de Vídeo sobre Fundamentos de Engenharia de Energia.
Partes do Tambor de Vapor da Caldeira
- Entrada de Água de Alimentação: O tubo de água de alimentação, que se estende por todo o comprimento do tambor de vapor, distribui uniformemente a água de alimentação dentro do tambor. A água de alimentação é introduzida no tambor através de furos espaçados uniformemente dentro do tubo, garantindo uma distribuição uniforme ao longo do comprimento do tambor.
Bom saber - 'água de alimentação' também é escrito como 'água de alimentação' ou 'água-de-alimentação', mas o significado é o mesmo.
- Descendentes e Ascendentes: Descendentes distribuem água da caldeira do tambor de vapor para os tambores de lama na base das paredes da fornalha. À medida que a água é aquecida, ela sobe dentro das paredes da fornalha devido à sua mudança de densidade (fluidos mais quentes são menos densos), transformando-se em uma mistura de água-vapor à medida que o faz. A mistura de água-vapor retorna ao tambor de vapor através dos coletores de vapor.
Bom saber - descendentes têm um diâmetro maior do que ascendentes e são menos numerosos. Um tubo ascendente tem um diâmetro menor porque isso aumenta sua taxa de transferência de calor, enquanto isso não é um requisito para um tubo descendente. Tanto ascendentes quanto descendentes são geralmente fabricados a partir de tubulação de aço carbono sem costura.
Bom saber - ascendentes são às vezes referidos como 'tubos ascendentes' ou 'tubos de subida'. Da mesma forma, descendentes são às vezes referidos como 'tubos descendentes' ou 'tubos de descida'.
- Saída de Vapor Saturado: Uma vez que o vapor é adequadamente limpo e seco, ele é descarregado através de tubos de descarga de vapor localizados no topo do tambor de vapor. O vapor descarregado é aquecido por superaquecedores para aumentar sua temperatura antes de ser direcionado ao seu consumidor final, como uma turbina a vapor. É importante notar que o vapor saturado é descarregado do tambor de vapor, mas é convertido em vapor superaquecido uma vez que passa pelos superaquecedores; isso reduz a probabilidade de formação de gotículas de água no vapor. A saída de vapor de uma caldeira aquatubular pode ser considerável, às vezes acima de 350 kg/s (771 lb/s), com o sistema de caldeira potencialmente operando a mais de 190 bar (2.755 psi) e mais de 500°C (932°F).
Bom saber - superaquecedores adicionam calor sensível ao vapor. Calor sensível aumenta a temperatura do vapor, mas não altera seu estado/fase, ou seja, não há mudança de estado de água para vapor ou vice-versa. Calor latente é a energia adicionada ou removida durante uma mudança de estado, ou seja, durante o processo de condensação ou evaporação, mas essa mudança de energia não causa mudança de temperatura.
Internos do Tambor de Vapor
- Linha de Dosagem Química: A linha de dosagem química introduz produtos químicos na caldeira. Esses produtos químicos, distribuídos uniformemente ao longo do comprimento do tambor de vapor, reduzem a probabilidade de corrosão, formação de incrustações e outros problemas potenciais dentro do sistema de caldeira. O ambiente turbulento dentro do tambor de vapor ajuda na mistura desses produtos químicos.
- Linha de Blowdown Contínuo (CBL): Para regular a concentração de produtos químicos dentro da caldeira, a linha de blowdown contínuo remove constantemente uma porção da água da caldeira. Este processo é vital, pois a evaporação da água pode levar a um acúmulo de produtos químicos não evaporativos, aumentando assim o número de sólidos dissolvidos totais (TDS).
- Monitoramento do Nível de Água: A linha azul indicada dentro do tambor de vapor representa a linha de água de operação normal (NOWL ou NWL), às vezes também chamada de 'linha de água normal'. Orifícios de instrumentação no tambor de vapor acomodam indicadores de nível de água como sensores de nível e vidros de nível, bem como sensors de pressão e sensors de temperatura. Esses instrumentos ajudam a garantir que o nível de água do tambor permaneça dentro dos limites definidos. Veja nosso artigo sobre controle de nível de tambor para mais informações sobre como o nível de água dentro de uma caldeira aquatubular é mantido.
Separadores de vapor - água e vapor são separados dentro do tambor de vapor usando os seguintes métodos:
- Separação Centrífuga: A mistura de água-vapor, ao entrar no tambor, passa por um separador centrífugo. Este dispositivo usa o princípio da força centrífuga para separar parte da água do vapor.
- Separação por Gravidade e Densidade: As moléculas de água mais densas naturalmente se depositam na base do tambor de vapor devido às forças gravitacionais.
Bom saber - uma diferença de densidade dentro de um fluido é sempre criada sempre que há uma diferença de temperatura, esta é a base para a convecção natural.
- Caminho de Fluxo Tortuoso: O vapor semi-limpo então passa por um scrubber localizado no topo do tambor de vapor; isso fornece um caminho de fluxo tortuoso. Este caminho faz com que as moléculas de água colidam com as superfícies do scrubber, onde elas coalescem em gotas maiores e caem de volta no tambor. O scrubber, geralmente feito de telas de malha de metal pressionadas juntas, é às vezes referido como um secador de chevron ou demister, e garante que mais de 99,5% da água seja separada do vapor.
Inchaço e Encolhimento em Tambores de Vapor
Flutuações repentinas de pressão desempenham um papel no comportamento da água e do vapor dentro de um tambor de vapor. Existem dois principais problemas que as flutuações de pressão causam: inchaço e encolhimento.
- Inchaço - há uma demanda repentina de vapor alta, causando uma diminuição de pressão dentro do tambor de vapor, e isso faz com que o nível de água suba. O aumento no nível de água ocorre porque bolhas de vapor suspensas na água se expandem (aumentam de volume) à medida que a pressão do tambor diminui, o que faz com que o nível de água suba. Em uma caldeira de controle de elemento único simples, a válvula automática de entrada de água de alimentação fecha em resposta ao aumento do nível de água, o que efetivamente significa que a água alimentada na caldeira diminuiu, mesmo que o consumo de vapor tenha aumentado (uma situação perigosa se não corrigida).
- Encolhimento - inversamente, quando há uma redução repentina na demanda de vapor, a pressão do tambor de vapor aumenta, fazendo com que as bolhas de vapor suspensas diminuam de volume e o nível de água diminua. A válvula automática de entrada de água de alimentação abre em resposta à diminuição do nível de água, causando uma redução ainda maior no nível de água. Isso ocorre porque a água relativamente fria entrando no tambor de vapor esfria a água e as bolhas de vapor, fazendo com que as bolhas de vapor colapsem.
Flutuações de pressão, e a subsequente expansão ou contração que causam, podem afetar consideravelmente o nível de água de um tambor de vapor. Se não forem gerenciadas adequadamente, essas mudanças podem levar ao arraste de água para os superaquecedores e turbinas a vapor, arriscando danos e ineficiências. Se o nível de água diminuir devido à contração térmica, as superfícies de transferência de calor da caldeira (tubos da caldeira etc.) podem não receber água suficiente e podem superaquecer, representando um risco à integridade da caldeira.
Controle de Três Elementos do Tambor de Vapor
Existem muitos fatores que podem afetar o nível de água dentro de um tambor de vapor. O nível de água deve ser mantido dentro de limites definidos em todos os momentos para garantir a operação segura da caldeira, operação eficiente e a proteção dos componentes a jusante. Para garantir leituras precisas do nível do tambor, o sistema de caldeira emprega um método conhecido como controle de três elementos. Controle de três elementos mede:
- Saída de fluxo de vapor.
- Entrada de fluxo de água de alimentação.
- Pressão do tambor de vapor.
- Nível real de água dentro do tambor de vapor.
Controle de Três Elementos
Esses fatores ajudam a determinar o balanço de massa da caldeira (o que foi colocado na caldeira em comparação com o que saiu). Considerando todos esses fatores, o sistema pode determinar com precisão o nível de água, levando em conta possíveis discrepâncias causadas por mudanças de pressão. Você pode aprender mais sobre controle de elemento único, controle de dois elementos e controle de três elementos em nosso Curso de Vídeo sobre Fundamentos de Engenharia de Energia.
Qual é a diferença entre um tambor de vapor e um tambor de lama?
Tambores de vapor estão localizados no topo da caldeira, enquanto tambores de lama (ou tambor de lama) estão localizados no ponto mais baixo da caldeira. O nome 'tambor de lama' deriva do material sujo ('lama') que se acumula dentro dos tambores.
Recursos Adicionais
https://boilersinfo.com/boiler-steam-drum-internals-function/
https://www.rasmech.com/blog/steam-drum-101-boiler-basics/
https://www.processindustryinformer.com/optimising-boiler-and-steam-drum-level-control/
https://www.vega.com/en/company/blog/2020/steam-boiler-drum-level-measurement-technology-comparison