MARINHA DO BRASIL DIRETORIA DE PORTOS E COSTAS ENSINO PROFISSIONAL MARÍTIMO CALDEIRAS (CAD-1 PDF

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MARINHA DO BRASIL DIRETORIA DE PORTOS E COSTAS ENSINO PROFISSIONAL MARÍTIMO CALDEIRAS (CAD-1) 1ª edição Belém-PA 2011 © 2011 direitos reservados à Diretoria de Portos e Costas Autor: Msc. Paulo Vitor de Matos Zigmantas Revisão Pedagógica: Erika Ferreira Pinheiro Guimarães Suzana Revisão Gramatical: ...

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MARINHA DO BRASIL DIRETORIA DE PORTOS E COSTAS ENSINO PROFISSIONAL MARÍTIMO

CALDEIRAS (CAD-1)

1ª edição Belém-PA 2011

© 2011 direitos reservados à Diretoria de Portos e Costas

Autor:

Msc. Paulo Vitor de Matos Zigmantas

Revisão Pedagógica:

Erika Ferreira Pinheiro Guimarães Suzana

Revisão Gramatical:

Esmaelino Neves de Farias

Designer Gráfico:

Fernando David de Oliveira

Coordenação Geral:

CF Maurício Cezar Josino de Castro e Souza

____________ exemplares

Diretoria de Portos e Costas Rua Teófilo Otoni, no 4 – Centro Rio de Janeiro, RJ 20090-070 http://www.dpc.mar.mil.br [email protected]

Depósito legal na Biblioteca Nacional conforme Decreto n o 1825, de 20 de dezembro de 1907 IMPRESSO NO BRASIL / PRINTED IN BRAZIL

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SUMÁRIO

INTRODUÇÃO..............................................................................................................5

1 GENERALIDADES....................................................................................................7 1.1 Conceito de gerador de vapor e caldeira................................................................7 1.2 Emprego de caldeiras ou aquecedores de óleo térmico a bordo de navios..........7 1.3 Análise da pressão interna de um vaso..................................................................8 1.4 Processos de transmissão de calor que ocorrem durante o funcionamento de uma caldeira................................................................................................................16 1.5 Tipos de caldeiras e suas utilizações...................................................................20 1.6 Partes principais de uma caldeira.........................................................................25 1.7 Funcionamento da caldeira aquatubular, flamatubular, caldeira elétrica e da caldeira de recuperação..............................................................................................33 1.8 Caldeiras a combustíveis sólidos, líquidos e a gás; suas diferenças...................37 2 SISTEMAS E COMPONENTES DAS CALDEIRAS...............................................49 2.1 Sistema de água de alimentação de caldeiras.....................................................49 2.2 Funcionamento do sistema de água de alimentação de uma caldeira marítima. 49 2.3 Instrumentos empregados para medição de nível................................................54 2.4 Funcionamento do sistema de controle de nível..................................................57 2.5 Funcionamento do aquecedor de água de alimentação.......................................60 2.6 Tiragem natural e tiragem forçada em uma caldeira............................................62 2.7 Registro de ar e damper utilizados em caldeiras..................................................66 2.8 Sistema de óleo combustível para caldeiras marítimas de alta pressão.............68 2.10 Funcionamento do aquecedor de óleo combustível...........................................77 2.11 Sistema de óleo combustível de caldeira............................................................79 2.12 Funcionamento dos sopradores de fuligem utilizados em caldeiras marítimas. 81 2.13 Funcionamento dos sistemas de controle de emissão de gases de combustão empregados em caldeiras...........................................................................................83 2.14 Tubulão de vapor.................................................................................................88 2.15 Sistema de distribuição de vapor empregado em um navio petroleiro e seu esquema......................................................................................................................90 2.16 Instrumentos indicadores e sensores de pressão..............................................95 2.17 Funcionamento dos dispositivos de segurança e dos dispositivos auxiliares das caldeiras....................................................................................................................101 2.18 Características das válvulas e acessórios das tubulações de vapor...............104 2.19 Funcionamento do superaquecedor, dessuperaquecedor e economizador das caldeiras de alta pressão...........................................................................................110 3 CALDEIRA DE RECUPERAÇÃO..........................................................................115 3.1 Ciclo de produção de vapor aproveitando os gases de descarga do motor propulsor (MCP)........................................................................................................119 3.2 Esquema de distribuição de vapor a bordo de um navio a motor......................119 3.3 Comunicação da caldeira de recuperação com a caldeira auxiliar....................120 3

4 OPERAÇÃO E MANUTENÇÃO DE CALDEIRAS................................................127 4.1 Operações de preparação, acendimento e comunicação de uma caldeira de alta pressão......................................................................................................................127 4.2 Importância do monitoramento das temperaturas e das pressões de uma.......136 caldeira......................................................................................................................136 4.3 Causas e consequências de projeção e arrastamento.......................................136 4.4 Resistências térmicas como fator de queda de rendimento nas caldeiras........139 4.5 Procedimentos em situações de emergência.....................................................140 4.6 Riscos de acidentes e riscos à saúde durante uma operação...........................145 4.7 Operação de um sistema com o mínimo de duas caldeiras...............................147 4.8 Principais falhas de operação, suas causas e providências a serem tomadas. 156 4.9 Principais tipos de manutenção aplicados nas caldeiras de alta pressão.........161 4.10 Possíveis defeitos, suas causas e respectivas soluções.................................176 4.11 Principais testes realizados durante uma inspeção na caldeira de alta pressão ...................................................................................................................................179 4.12 Operação de bujonamento de tubos furados...................................................183 4.13 Procedimentos para a substituição e o mandrilamento de tubos nas caldeiras ...................................................................................................................................186 4.14 Propósitos das extrações de superfície e de fundo..........................................189 4.15 Cuidados utilizados na observação antes e durante as extrações de superfície e de fundo em uma caldeira.........................................................................................189 4.16 Retirada de serviço de uma caldeira de alta pressão com queimador a óleo combustível...............................................................................................................190 4.17 Cuidados com a caldeira fora de serviço..........................................................191 5 LEGISLAÇÃO E NORMALIZAÇÃO......................................................................193 5.1 Importância das normas regulamentadoras.......................................................193 5.2 Elementos poluentes decorrentes da operação da caldeira..............................193 5.3 Norma regulamentadora 13 (NR-13)..................................................................194 5.4 Aplicação da NR-13.............................................................................................206 6 PRÁTICA DE OPERAÇÃO E MANUTENÇÃO DE CALDEIRAS.........................213 6.1 Procedimentos necessários para acender a caldeira, observando as normas de segurança..................................................................................................................213 6.2 Controle do nível de água da caldeira................................................................238 6.3 Extrações de superfície e de fundo em caldeira.................................................240 6.4 Manutenção de queimadores..............................................................................241 6.5 Inspeções nas caldeiras......................................................................................243 6.6 Operações inerentes ao bom funcionamento da caldeira..................................253 REFERÊNCIAS.........................................................................................................255

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INTRODUÇÃO

Os geradores de vapor são equipamentos marítimos auxiliares e de propulsão necessários em muitos navios da Marinha Mercante Brasileira e mundial,que têm, como objetivo principal, a produção do vapor d’água para diversas utilidades a bordo dos navios. Atualmente, nos navios mercantes nacionais, as caldeiras de propulsão caíram em desuso, em face de economia de combustível proporcionada pelos modernos MCPS equipados com reguladores de velocidade bastante precisos para a finalidade a que se destinam. Apesar disso, o assunto referente às caldeiras de alta pressão na unidade 4, será abordado da forma usual, sem perder o enfoque necessário à formação naval do Segundo Oficial de Máquinas,levando em conta a existência de inúmeras caldeiras de alta pressão na indústria. Este volume está constituído de seis unidades de ensino, todas direcionadas para a formação básica e fundamental do segundo oficial de máquinas da Marinha Mercante Brasileira, mostrando os princípios básicos fundamentais para a aplicação nas caldeiras navais atualmente em uso. Na unidade 1, iremos estudar as definições fundamentais empregadas em caldeiras, os tipos e suas utilizações e o processo de transmissão de calor que nelas ocorrem. Na 2, serão estudados os sistemas e componentes das caldeiras. Na 3, as caldeiras de recuperação de gases. Na 4,serão lecionadas a operação e manutenção de caldeiras, enfocando os cuidados e os procedimentos necessários para a sua indispensável e

devida

condução. Na 5, serão vistos os assuntos referentes à legislação e à normalização vigentes no Brasil, segundo a NR-13, que trata da documentação necessária para a devida utilização dessa Norma. Na 6, serão enfocadas a prática de operação e manutenção de caldeiras para mostrar, ao futuro Oficial de Máquinas, os procedimentos necessários para a sua execução. Os assuntos desta publicação serão vistos de forma clara e concisa sem que, em nenhum momento, seja tirada do professor da disciplina a sua experiência sobre eles, deixando-lhe a flexibilidade necessária para desenvolvê-los,em sala de

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aula ou laboratórios, da melhor maneira possível, todavia obediente às diretrizes específicas do sumário em estudo. Foi feito um esforço considerável para que este volume seja facilmente entendido tanto pelos alunos quanto pelos professores, ambos em busca de um desempenho científico cada vez melhor para operar profissionalmente em um mundo cada vez mais complexo e aberto a discussões. “A discussão exige espírito aberto e pronto para ousar no imaginar do amanhã” (Revista Marítima Brasileira, V.130 n.04/06-abr./jun.2010,p.61).

Paulo Vitor de Matos Zigmantas Mestre em Ciências Térmicas e Fluidos Encarregado da Divisão de Ensino de Máquinas do CIABA.

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1 GENERALIDADES As caldeiras são construídas para executarem uma determinada tarefa a bordo dos navios, porém, satisfazendo determinados critérios técnicos e operacionais considerados satisfatórios para a sua operação: peso e dimensões adequadas, rendimento térmico aceitável para a finalidade a que se destina, distribuição correta do calor no interior da fornalha e a capacidade de manter a produção do vapor na temperatura e pressão prevista em todos os regimes de operação, além de proporcionar um funcionamento seguro com os respectivos controles dos sistemas de água de alimentação, combustão, temperatura, pressão, e vazão do vapor durante a operação e o funcionamento da caldeira.

1.1 Conceito de gerador de vapor e caldeira Segundo PERA (Geradores de vapor d’água. USP, 1966), o gerador de vapor pode ser definido como um trocador de calor que produz vapor a partir da energia térmica do combustível, ar e fluido vaporizante, constituído de diversos equipamentos associados, perfeitamente integrados, com a finalidade de obter-se o maior rendimento térmico possível. Esta definição é bastante abrangente, pois compreende todos os tipos de geradores de vapor. Para navios de óleo térmico, no lugar de gerador de vapor usa-se o termo aquecedor de óleo térmico, pois o mesmo não vaporiza, sendo aproveitado na fase líquida com temperatura elevada. Nos navios, quando o fluido vaporizado é a água, o gerador de vapor é comumente definido como CALDEIRA.

1.2 Emprego de caldeiras ou aquecedores de óleo térmico a bordo de navios As caldeiras e os aquecedores de óleo térmico são empregados a bordo dos navios para atender a finalidades específicas, dentre as quais podemos citar: a) fornecimento de vapor auxiliar ou óleo térmico para a cozinha; b) fornecimento de vapor auxiliar ou óleo térmico para diversos aquecedores do navio; c) fornecimento de vapor auxiliar para o apito; d) fornecimento de vapor auxiliar para o convés; 7

e) fornecimento de vapor auxiliar ou óleo térmico para o sistema de calefação do ar condicionado; f) fornecimento de vapor principal para os turbos geradores; g) fornecimento de vapor principal para as turbinas de propulsão (caldeiras de alta pressão); h) fornecimento de vapor auxiliar para a atomização dos queimadores da caldeira de alta pressão; e i) redução do consumo elétrico do navio, a qual permite aos geradores de bordo operarem dentro das condições operacionais estabelecidas para os mesmos sem a ocorrência excessiva de falhas e avarias por sobrecarga. Justifica-se ainda o emprego das caldeiras ou aquecedores de óleo térmico a bordo dos navios, principalmente devido aos fatores: a) nos navios petroleiros, a caldeira auxiliar produz o vapor necessário para o aquecimento do óleo pesado no interior dos tanques de armazenamento de combustível através de serpentinas de aquecimento no seu interior; e b) caso o navio use óleo térmico, o aquecedor mantém a temperatura necessária no óleo térmico para o aquecimento do óleo pesado no interior dos tanques de armazenamento de combustível através de serpentinas de aquecimento no seu interior.

1.3 Análise da pressão interna de um vaso Sobre este item, tratado com profundidade na disciplina Termodinâmica, faremos uma breve descrição sem perder o objetivo prático do conteúdo disciplinar. Existem inúmeras situações práticas a bordo dos navios em que duas fases de uma substância pura existem em equilíbrio. Nas caldeiras auxiliares ou de propulsão, a água existe como uma mistura de líquido e vapor (vapor úmido). Na prática do cotidiano, todas as substâncias puras exibem o mesmo comportamento; assim, podemos evidenciar as seguintes fases de uma substância pura de bastante aplicação no dia a dia. Define-se “pressão e temperatura de saturação” de uma substância pura a pressão e a temperatura em que a substância começa a “mudar de fase”. Assim, a água líquida começa a se transformar em vapor a 100 ºC na pressão ambiente de 1 bar, sofrendo variação neste valor se a pressão a qual a 8

substância está submetida variar. “Estes valores são determinados por equações matemáticas bastante complexas e tabeladas para melhor utilização”. No apêndice I, são colocadas as tabelas de propriedades do vapor d’água. As fases de uma substância pura comumente utilizada são as seguintes: a) líquido comprimido ou sub resfriado e líquido saturado; b) vapor úmido ou saturado úmido; c) vapor seco ou saturado; e d) vapor superaquecido. Estas fases não dependem da forma e do volume do recipiente que as contém e nem da respectiva massa da substância.

1.3.1 Líquido comprimido e líquido saturado Define-se líquido comprimido ou sub resfriado como a substância na fase líquida que se encontra em uma temperatura abaixo da de saturação, para uma determinada pressão. Já o líquido saturado é a substância na fase líquida que se encontra na pressão e temperatura de saturação. Para ilustrar o que foi dito, considere as figuras 1-a e 1-b, onde temos água líquida a 40 ºC e a 100 ºC, sob pressão de uma atmosfera(atm).

Figura 1 - Substância pura.

A 100 ºC, a pressão de saturação da água é de 1atm; assim, enquanto a temperatura da água for inferior a 100 ºC para a pressão de 1 atm, a água não muda para vapor, permanecendo na fase de líquido comprimido ou sub resfriado.

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Quando a temperatura da água atinge 100 ºC e mantida a pressão de 1atm, a água está pronta para iniciar a evaporação sendo denominada neste instante de líquido saturado.

1.3.2 Vapor úmido ou saturado úmido Quando o líquido inicia a evaporação, e mantida a pressão e a temperatura de saturação, a substância fica como uma mistura bifásica líquido-vapor, até que todo o líquido se evapore. Define-se o vapor úmido como a mistura bifásica líquido-vapor na pressão e temperatura de saturação. A figura 2 ilustra o conceito de mistura bifásica.

Figura 2 - Substância pura na fase líquido vapor (vapor úmido).

Na fase de vapor úmido, as propriedades da substância são determinadas pelas equações (1.1) a (1.7). Define-se título do vapor x relação entre a massa de vapor mv e a massa total m presente no recipiente. x=

mv mv = m mL + m v

(1.1)

O termo 1-x é denominado taxa de umidade. Da definição de volume específico, os volumes de líquido VL e vapor Vv podem ser determinados. VL = mL .v L Vv = m v , v v

(1.2)

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O volume V do recipiente é a soma dos volumes de líquido e vapor. V = VL + Vv

(1.3)

O volume específico vu do vapor úmido é agora determinado em função dos volumes específicos das fases líquida vL e vapor vv. vu =

V VL + Vv = m mL + m v

m v +m v mv mL v u = L. L v v = vL + vv mL + m v mL + mv mL + m v v u = (1 − x)v L + xv v

v u = v L + x(v v − v L )

(1.4) A análise para o volume específico

pode ser estendida para a entalpia, a energia interna e a entropia específica da substância na fase de vapor úmido. hu = hL + x(h v − hL ) su = sL + x(s v − sL ) uu = uL + x(u v − uL )

(1.5) (1.6) (1.7)

É bom lembrar que a entalpia e a energia interna podem ser relacionadas pela equação geral h = u + pv . Nos navios, as caldeiras serão tanto mais eficientes quanto maior for o título do vapor na sua saída; assim, as caldeiras navais geralmente são dotadas de separadores de vapor no tubulão superior. As caldeiras auxiliares e de propulsão de navios deverão sempre conter mistura bifásica no tubulão superior. Em nenhuma condição de funcionamento as caldeiras poderão trabalhar com água baixa ou alta no seu interior. A água baixa provoca a queima dos tubos geradores da caldeira e a água alta produz arraste de água pelas tubulações de vapor provocando avarias nos equipamentos que utilizam o vapor. Qualquer que seja o tipo de caldeira utilizada no navio, o Chefe de Máquinas deverá obedecer rigorosamente aos procedimentos operacionais estabelecidos para a caldeira. O título tem significado apenas para as misturas saturadas, não se aplicando para líquidos (x=0) nem para vapor superaquecido.

1.3.3 Vapor seco ou saturado e superaquecido Define-se vapor seco ou saturado como a substância na fase vapor que se encontra na pressão e temperatura de saturação. Quando o estado de vapor seco 11

é atingido, o título X da substância é igual a um (1). As figuras 3-a e 3-b ilustram a passagem da mistura bifásica para vapor seco ou saturado.

Figura 3 - Vapor seco ou saturado de uma substância.

Após a conclusão da mudança de fase, a substância se encontra agora na fa...