Caldeira (gerador de vapor)

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Um gerador de vapor industrial, originalmente usado para fornecer vapor a um motor a vapor estacionário.

Um gerador de vapor, conhecido também como caldeira, é um dispositivo usado para produzir vapor aplicando energia térmica a água.

Trata-se de uma máquina ou dispositivo de engenharia onde a energia química transforma-se em energia térmica. Geralmente é utilizado nas turbinas de vapor para gerar vapor, habitualmente vapor de água, com energia suficiente como para fazer funcionar uma turbina em um ciclo Rankine modificado.

Um gerador de vapor é na verdade uma caldeira somada a um superaquecedor. Diferenciam-se das caldeiras por serem muito maiores e complexos.

Embora as definições sejam um pouco flexíveis, pode-se dizer que os geradores de vapor eram mais comumente denominado caldeiras e trabalham em pressão baixa a média (100-300psi/ 0,069-20,684bar; 6.895-2,068.427kPa), mas a pressões superiores a este, é mais usual falar-se de um gerador de vapor.

Um gerador ou caldeira de vapor é utilizada sempre que é necessária uma fonte de vapor. A forma e o tamanho depende de sua aplicação: motores a vapor móveis, tais como locomotivas a vapor, motores portáteis e veículos rodoviários movidos a vapor normalmente usam uma caldeira menor que faz parte do veículo; motores a vapor estacionários, instalações industriais e estações de força geralmente tem uma facilidade de produção de vapor maior. Uma exceção notável é o vapor locomotiva sem fogo, onde o vapor separadamente gerado é transferido para um receptor (tanque) na locomotiva.

Gerador de vapor (componente do motor principal)[editar | editar código-fonte]

Tipo de unidade de gerador de vapor usado em uma usina elétrica de combustível fóssil

O gerador de vapor ou caldeira é um componente integral de um motor de vapor onde é considerado com o motor primário. A caldeira inclui uma fornalha ou forno, de modo a queimar o combustível e produzir calor; o calor gerado é transferido para a água transformando-a em vapor, processo de ebulição. Isto produz vapor saturado a uma taxa que pode variar de acordo com a pressão da água fervente. Quanto mais elevada for a temperatura do forno, mais rápida será a produção de vapor. O vapor saturado produzido pode então ser utilizado para produzir energia através de uma turbina e alternador , ou então pode ser ainda sobreaquecido a uma temperatura mais elevada; este notadamente reduz o teor de água em suspensão fazendo um dado volume de vapor produzir mais trabalho e cria um gradiente de temperatura maior, o que ajuda a reduzir o potencial de formar condensação. Todo o calor remanescente nos gases de combustão, pode então ser evacuado ou feito passar através de um economizador, cujo papel é para aquecer a água de alimentação, antes que ele atinja a caldeira.


Tipos de caldeiras[editar | editar código-fonte]

Cilindro caldeira fogo-tubo[editar | editar código-fonte]

Um dos primeiros defensores da forma cilíndrica, foi o engenheiro americano, Oliver Evans , que, com razão, reconheceu que a forma cilíndrica é a melhor do ponto de vista da resistência mecânica e, no final do século 18 começou a incorporá-la em seus projetos. A vantagem da forte vapor, como Evans viu, era que mais trabalho poderia ser feito por menores volumes de vapor; isto permitiu que todos os componentes fossem reduzidos em tamanho e os motores poderiam ser adaptados para o transporte e pequenas instalações. Para este fim, desenvolveu um cilindro de ferro forjado com a caldeira horizontal no qual foi incorporado um único tubo de fogo, numa extremidade da qual foi colocada a grelha de fogo. O fluxo de gás foi revertido em uma passagem de combustão sob o barril caldeira, então dividido ele volta pela condutas laterais para se juntar novamente a chaminé (caldeira motor colombiana). Evans incorporou sua caldeira cilíndrica em vários motores, fixos e móveis. Outro defensor do "vapor forte" naquele tempo era o homem de Cornwall, Richard Trevithick. Suas caldeiras trabalhou em 40-50 psi (276-345 kPa) e foram inicialmente de forma cilíndrica, em seguida, hemisférica. De 1804 em diante Trevithick produziam um pequeno dois-pass ou retorno a caldeira de combustão de motores semi-portáteis e locomotivas. A caldeira Cornish desenvolvida por volta de 1812 por Richard Trevithick foi tanto mais forte e mais eficiente do que as caldeiras simples que a precederam. Ela consistia de um tanque cilíndrico de água cerca de 27 pés (8,2 m) de comprimento e 7 pés (2,1 m) de diâmetro, e tinha uma grelha de fogo de carvão colocado em uma extremidade de um único tubo cilíndrico de cerca de três metros de largura, que passou longitudinalmente dentro do tanque.

Este foi posteriormente melhorado por outra caldeira 3-passe, a caldeira de Lancashire , que tinha um par de fornos em tubos separados lado a lado. Isto foi uma melhoria importante uma vez que cada forno pode ser alimentado em momentos diferentes, permitindo uma a ser limpa, enquanto o outro estava a operar.

=== Caldeiras Multi-tubo === [1]

Caldeira Multi-tubo fixa

Um avanço significativo veio na França em 1828, quando Marc Seguin concebeu uma caldeira de duas passagens em que a segunda passagem foi formada por um feixe de tubos múltiplos. Um projeto similar com a indução natural utilizado para fins marítimos foi o popular caldeira Scotch marinha. Antes dos ensaios Rainhill de 1829 Henry Booth , tesoureiro do Liverpool e Manchester Railway sugeriu a George Stephenson , um esquema para um multi-tubo da caldeira de uma passagem horizontal composto por duas unidades: uma fornalha rodeado por espaços de água e um barril de caldeira constituído por dois anéis telescópicos dentro do qual foram montados 25 tubos de cobre; o feixe de tubos ocupado de espaços de água no tambor melhorou bastante a transferência de calor. O projeto serviu de base para todas as locomotivas Stephensonian construídas subsequentes, sendo tomadas imediatamente por outros construtores; esse padrão de caldeira de tubo de fogo foi construído desde então.

Combustão[editar | editar código-fonte]

A fonte de calor para uma caldeira de combustão é de qualquer um dos vários combustíveis, tais como madeira , carvão , óleo , ou gás natural, ate a fissão nuclear é usada como uma fonte de calor para gerar vapor.

Segurança da Caldeira[editar | editar código-fonte]

Quando a água é convertida em vapor ele se expande em volume de mais de 1.000 vezes e percorre tubulações de vapor em mais de 100 km / h. Devido a isso, o vapor é uma boa maneira de mover-se a energia, mas sem o tratamento da água de alimentação da caldeira direito, uma grande parte de vapor vai sofrer a formação de incrustações e corrosão. Na melhor das hipóteses, isso aumenta os custos de energia e pode levar a vapor de má qualidade, redução da eficiência. Na pior das hipóteses, pode levar a uma falha catastrófica e perda de vidas. Embora variações nos padrões podem existir em diferentes países, testes, treinamento e certificação são necessarios para tentar minimizar ou prevenir tais ocorrências. Modos de falha incluem:

→ água insuficiente na caldeira, causando superaquecimento e falha na operação.
→ diminuição de pressão da caldeira devido à construção inadequada ou manutenção.

[2]

Acessórios para Caldeiras[editar | editar código-fonte]

   →Válvula de segurança : utilizado para aliviar a pressão e evitar a possível explosão de uma caldeira. Como originalmente concebido por Denis Papin era um peso morto na extremidade de um braço que é levantada pelo excesso de pressão de vapor. Este tipo de válvula foi usado durante todo o século 19 para motores a vapor estacionária, pois as vibrações de motores de locomotivas causada nas válvulas geravam a "chiadeira" desperdiçando vapor. Portanto foram substituídas por vários de mola dispositivos.
   →Coluna de água: para mostrar ao operador o nível de fluido no interior da caldeira, um manômetro de água ou uma coluna de água é fornecida para conferencia. 
   →Válvulas de purga de fundo.
   →Linha de descarga de superfície.
   →Bomba de alimentação(s).
   →Bomba de circulação.
   →Válvula de retenção ou válvula clack: uma válvula de paragem de não-retorno pelo qual a água entra na caldeira.


Referências

  1. Walton J.N. (1965-74) Doble Steam Cars, Buses, Lorries, and Railcars . "Light Steam Power" Isle of Man, UK
  2. Young, Robert: “Timothy Hackworth and the Locomotive”; the Book guild Ltd, Lewes, U.K. (2000) (reprint of 1923 ed.) p.326

Ver também[editar | editar código-fonte]