Caldeira de tubo de água - Water-tube boiler

Diagrama esquemático de uma caldeira de água do tipo marinho

Uma caldeira de tubo de água de alta pressão (também denominado tubo de água e tubo de água) é um tipo de caldeira em que a água circula em tubos aquecidos externamente pelo fogo. O combustível é queimado dentro do forno , criando gás quente que ferve a água nos tubos de geração de vapor. Em caldeiras menores, os tubos geradores adicionais são separados no forno, enquanto as caldeiras utilitárias maiores dependem dos tubos cheios de água que formam as paredes do forno para gerar vapor .

A mistura de água / vapor aquecida sobe então para o tambor de vapor . Aqui, o vapor saturado é retirado da parte superior do tambor. Em alguns serviços, o vapor passa por tubos no caminho do gás quente (um superaquecedor ) para ficar superaquecido. O vapor superaquecido é definido como o vapor que é aquecido acima do ponto de ebulição a uma determinada pressão. O vapor superaquecido é um gás seco e, portanto, é normalmente usado para acionar turbinas, uma vez que as gotas de água podem danificar gravemente as lâminas da turbina.

A água saturada na parte inferior do tambor de vapor retorna ao tambor inferior por meio de 'tubos descendentes' de grande calibre, onde pré-aquece o suprimento de água de alimentação. (Em grandes caldeiras utilitárias, a água de alimentação é fornecida ao tambor de vapor e os coletores de descida fornecem água ao fundo das paredes de água). Para aumentar a economia da caldeira, os gases de exaustão também são usados ​​para pré-aquecer o ar de combustão soprado nos queimadores e para aquecer o suprimento de água de alimentação em um economizador . Essas caldeiras de tubos de água em usinas térmicas também são chamadas de unidades geradoras de vapor .

O projeto de caldeira de tubo de incêndio mais antigo , no qual a água envolve a fonte de calor e os gases da combustão passam pelos tubos dentro do espaço aquático, é normalmente uma estrutura muito mais fraca e raramente é usada para pressões acima de 2,4 MPa (350 psi). Uma vantagem significativa da caldeira do tubo de água é que há menos chance de uma falha catastrófica: não há um grande volume de água na caldeira nem há grandes elementos mecânicos sujeitos a falhas.

Uma caldeira de tubo de água foi patenteada por Blakey da Inglaterra em 1766 e foi feita por Dallery da França em 1780.

Formulários

"A capacidade das caldeiras de tubo de água de serem projetadas sem o uso de vasos de pressão de paredes excessivamente grandes e espessas torna essas caldeiras particularmente atraentes em aplicações que requerem vapor seco, alta pressão e alta energia, incluindo geração de energia por turbinas a vapor".

Devido às suas excelentes propriedades de trabalho, o uso de caldeiras de tubo de água é altamente preferido nas seguintes áreas principais:

  • Variedade de aplicações de processo em indústrias
  • Divisões de processamento químico
  • Fábricas de celulose e papel
  • Unidades de refino

Além disso, eles são freqüentemente empregados em usinas de geração de energia onde grandes quantidades de vapor (variando até 500 kg / s) com altas pressões, ou seja, aproximadamente 16 megapascais (160 bar) e altas temperaturas chegando até 550 ° C são geralmente necessárias. Por exemplo, a estação de energia solar Ivanpah usa duas caldeiras de tubo de água Rentech Type-D para o aquecimento da usina e quando opera como uma estação de energia de combustível fóssil.

Estacionário

As caldeiras modernas para geração de energia são quase inteiramente compostas por tubos de água, devido à sua capacidade de operar em pressões mais altas. Onde o vapor de processo é necessário para aquecimento ou como um componente químico, ainda há um pequeno nicho para caldeiras de tubo de fogo. Uma exceção notável é em centrais nucleares típicas (reatores de água pressurizada), onde os geradores de vapor são geralmente configurados de forma semelhante aos projetos de caldeiras firetube. Nessas aplicações, o caminho do gás quente através dos "tubos de fogo" realmente transporta o refrigerante primário de alta pressão / muito quente do reator e o vapor é gerado na superfície externa dos tubos.

Marinho

Sua capacidade de trabalhar em pressões mais altas fez com que as caldeiras marinhas fossem quase inteiramente tubulares. Esta mudança começou por volta de 1900, e traçou a adoção de turbinas para propulsão em vez de motores alternativos (ou seja, pistão) - embora caldeiras de tubo de água também fossem usadas com motores alternativos e caldeiras de tubos firetube também fossem usadas em muitas aplicações de turbinas marítimas.

Estrada de ferro

Não houve adoção significativa de caldeiras de tubo de água para locomotivas ferroviárias. Um punhado de projetos experimentais foi produzido, mas nenhum deles teve sucesso ou levou ao seu uso generalizado. A maioria das locomotivas ferroviárias com tubo de água, especialmente na Europa, usava o sistema Schmidt . A maioria eram compostos e alguns uniflows . A Norfolk and Western Railway 's Jawn Henry foi uma exceção, pois usava uma turbina a vapor combinada com uma transmissão elétrica.

Reconstruída completamente após um acidente fatal
Usando uma caldeira Yarrow , em vez de Schmidt. Sem sucesso e re-boiler com uma caldeira convencional.

Híbridos

Uma adoção um pouco mais bem-sucedida foi o uso de sistemas híbridos de tubo de água / tubo de incêndio. Como a parte mais quente de uma caldeira de locomotiva é a fornalha , foi um projeto eficaz usar um projeto de tubo de água aqui e uma caldeira de tubo de fogo convencional como um economizador (isto é, pré-aquecedor) na posição usual.

Um exemplo famoso disso foi o USA Baldwin 4-10-2 No. 60000 , construído em 1926. Operando como um composto a uma pressão de caldeira de 2.400 quilopascais (350 psi), cobriu mais de 160.000 quilômetros (100.000 mi) com sucesso. Depois de um ano, porém, ficou claro que todas as economias foram sobrecarregadas pelos custos extras e foi retirado para uma exibição de museu no Instituto Franklin em Filadélfia PA. Uma série de doze locomotivas experimentais foi construída nas lojas Mt. Clare da ferrovia de Baltimore e Ohio, sob a supervisão de George H. Emerson , mas nenhuma delas foi reproduzida em qualquer número.

Caldeira Brotan

O único uso ferroviário de caldeiras de tubo de água em qualquer número foi a caldeira Brotan, inventada na Áustria em 1902 por Johann Brotan e encontrada em raros exemplos em toda a Europa. A Hungria, porém, era um usuário experiente e tinha cerca de 1.000 deles. Como o Baldwin, este combinava uma fornalha de tubo de água com um barril de tubo de fogo. A característica original do Brotan era um longo tambor a vapor correndo acima do barril principal, fazendo com que parecesse uma caldeira Flaman na aparência.

Estrada

Enquanto o motor de tração era normalmente construído usando a caldeira da locomotiva como estrutura, outros tipos de veículos rodoviários a vapor, como caminhões e carros , usaram uma ampla gama de diferentes tipos de caldeiras. Os pioneiros do transporte rodoviário Goldsworthy Gurney e Walter Hancock usaram caldeiras de tubo de água em seus vagões a vapor por volta de 1830.

A maioria dos vagões de tipo inferior usava caldeiras de tubo de água. Muitos fabricantes usaram variantes da caldeira de tubo cruzado vertical, incluindo Atkinson , Clayton , Garrett e Sentinel . Outros tipos incluem o ' tubo dedal ' Clarkson e a caldeira em forma de pistola do vagão tipo O Foden .

Os fabricantes de motores de incêndio a vapor , como a Merryweather, geralmente usavam caldeiras de tubo de água por sua rápida capacidade de geração de vapor.

Muitos carros a vapor usavam caldeiras de tubo de água, e a empresa Bolsover Express até fez uma substituição de tubo de água para a caldeira de tubo de incêndio Stanley Steamer .

Variações de design

Caldeira tipo D

O ' tipo D ' é o tipo mais comum de caldeiras de pequeno a médio porte, semelhante ao mostrado no diagrama esquemático. É usado em aplicações estacionárias e marítimas. Consiste em um grande tambor de vapor conectado verticalmente a um tambor de água menor (também conhecido como "tambor de lama") por meio de vários tubos de geração de vapor. Esses tambores e tubos, bem como o queimador a óleo, são cercados por paredes de água - tubos adicionais cheios de água espaçados próximos uns dos outros para evitar o fluxo de gás entre eles. Esses tubos de parede de água são conectados aos tambores de vapor e água, de modo que atuam como uma combinação de pré-aquecedores e descidas, bem como diminuem a perda de calor para o corpo da caldeira.

Caldeiras tipo M

As caldeiras do tipo M foram usadas em muitos navios de guerra dos EUA na Segunda Guerra Mundial, incluindo centenas de destróieres da classe Fletcher . Três conjuntos de tubos têm a forma de um M e criam um superaquecedor acionado separadamente que permite um melhor controle da temperatura de superaquecimento. Além do tambor de lama mostrado em uma caldeira tipo D, um tipo M tem um coletor de tela de água e um coletor de parede de água na parte inferior das duas filas adicionais de tubos verticais e descidas.

Baixo teor de água

A caldeira de baixo teor de água tem um coletor inferior e superior conectado por tubos de água que são diretamente colididos com o queimador. Esta é uma caldeira "sem forno" que pode gerar vapor e reagir rapidamente às mudanças na carga.

Caldeira Babcock & Wilcox

Caldeira Babcock & Wilcox

Projetado pela empresa americana Babcock & Wilcox , esse tipo tem um único tambor, com água de alimentação retirada do fundo do tambor para um coletor que abastece tubos de água inclinados. Os tubos de água fornecem vapor de volta ao topo do tambor. Os fornos estão localizados abaixo dos tubos e do tambor.

Este tipo de caldeira foi utilizado pela Marinha Real 's Leander de classe fragatas .

Caldeira stirling

A caldeira Stirling tem tubos de água quase verticais, quase retos, que ziguezagueiam entre vários tambores de vapor e água. Normalmente, há três bancos de tubos em um layout de "quatro tambores", mas certos aplicativos usam variações projetadas com um número diferente de tambores e bancos.

Eles são usados ​​principalmente como caldeiras estacionárias, devido ao seu grande tamanho, embora a grande área da grelha também estimule sua capacidade de queimar uma ampla variedade de combustíveis. Originalmente movidos a carvão em usinas de energia, eles também se espalharam em indústrias que produziam resíduos combustíveis e exigiam vapor de processo . As fábricas de celulose podem queimar resíduos de casca, refinarias de açúcar seus resíduos de bagaço . É um tipo de caldeira de tambor horizontal.

Yarrow

Visão final de uma caldeira Yarrow

Com o nome de seus projetistas, os então construtores de navios Yarrow baseados em Poplar , este tipo de caldeira de três tambores tem três tambores em uma formação delta conectada por tubos de água. Os tambores são interligados por tubos de água retos, permitindo uma fácil limpeza dos tubos. Isso, entretanto, significa que os tubos entram nos tambores em ângulos variados, uma junta mais difícil de calafetar . Do lado de fora da fornalha, um par de tubos cold-leg entre cada tambor age como downcomers .

Devido aos seus três tambores, a caldeira Yarrow tem uma maior capacidade de água. Portanto, esse tipo é geralmente usado em aplicações de caldeiras marítimas mais antigas . Seu tamanho compacto o tornou atraente para uso em unidades de geração de energia transportáveis durante a Segunda Guerra Mundial . Para torná-la transportável, a caldeira e seus equipamentos auxiliares (aquecimento de óleo combustível, unidades de bombeamento, ventiladores etc.), turbinas e condensadores foram montados em vagões para transporte ferroviário .

White-Forster

O tipo White-Forster é semelhante ao Yarrow, mas com tubos que são gradualmente curvados. Isso torna sua entrada nos tambores perpendicular, portanto, mais simples para fazer uma vedação confiável.

Thornycroft

Visão final de uma caldeira Thornycroft

Projetado pelo construtor naval John I. Thornycroft & Company , o tipo Thornycroft apresenta um único tambor a vapor com dois conjuntos de tubos de água de cada lado da fornalha. Esses tubos, especialmente o conjunto central, têm curvas acentuadas. Além das dificuldades óbvias de limpeza, isso também pode dar origem a forças de flexão à medida que os tubos aquecem, tendendo a soltá-los da placa tubular e criando um vazamento. Existem dois fornos, ventilando em uma exaustão comum, dando à caldeira um perfil cônico de base ampla.

Caldeira de circulação forçada

Em uma caldeira de circulação forçada , uma bomba é adicionada para acelerar o fluxo de água através dos tubos.

Outros tipos

Veja também

Referências

links externos