Construção e funcionamento de caldeiras Benson

A caldeira Benson é uma caldeira a vapor de tubo de água supercrítica, de alta pressão, sem tambor e com circulação forçada. Esta caldeira foi inventada no ano de 1922 por Mark Benson. Esta caldeira é uma caldeira supercrítica na qual a água de alimentação é comprimida a uma pressão supercrítica e isso evita a formação de bolhas na superfície do tubo de água. As bolhas não se formam porque na pressão supercrítica a densidade da água e do vapor torna-se a mesma. Foi Mark Benson quem primeiro propôs a ideia de comprimir a água a pressão supercrítica antes de aquecê-la na caldeira e, devido a isso, o calor latente da água é reduzido a zero. À medida que o calor latente da água se reduz a zero, a água transforma-se diretamente em vapor sem a formação de bolhas.

Características das caldeiras Benson:

A principal dificuldade vivenciada na caldeira La Mont é a formação e fixação de bolhas nas superfícies internas dos tubos de aquecimento. As bolhas anexadas reduzem o fluxo de calor e a geração de vapor, pois oferecem maior resistência térmica em comparação com o filme de água:

(a) Se a pressão da caldeira fosse elevada até uma pressão crítica (225 atm), o vapor e a água teriam a mesma densidade e, portanto, o perigo de formação de bolhas poderia ser completamente evitado.

(b) As caldeiras de circulação natural requerem juntas de dilatação, mas estas não são necessárias para Benson porque os tubos são soldados. A montagem da caldeira Benson é mais fácil e rápida, pois todas as peças são soldadas no local e o trabalho de expansão do tubo na oficina é totalmente evitado.

(c) O transporte das peças da caldeira Benson é fácil, pois não são necessários tambores e a maioria das peças é transportada para o local sem pré-montagem.

(d) A caldeira Benson pode ser montada em uma área comparativamente menor. O problema de espaço não controla o tamanho da caldeira Benson utilizada.

(e) As paredes do forno da caldeira podem ser protegidas de forma mais eficiente usando tubos de pequeno diâmetro e inclinação estreita.

(f) O superaquecedor na caldeira Benson é parte integrante do sistema de circulação forçada, portanto, nenhum arranjo especial de partida para o superaquecedor é necessário.

(g) A caldeira Benson pode ser ligada muito rapidamente devido às juntas soldadas.

(h) A caldeira Benson pode ser operada de forma mais econômica variando a temperatura e a pressão em cargas parciais e sobrecargas. A temperatura desejada também pode ser mantida constante a qualquer pressão.

(i) A queda repentina da procura cria problemas de circulação devido à formação de bolhas na caldeira de circulação natural, o que nunca ocorre na caldeira Benson. Esta característica de insensibilidade às flutuações de carga o torna mais adequado para usinas de energia da rede, pois possui melhor capacidade adaptativa para atender a flutuações repentinas de carga.

(j) As perdas por purga da caldeira Benson dificilmente chegam a 4% das caldeiras de circulação natural de mesma capacidade.

(k) Os riscos de explosão não são nada graves, pois consiste apenas em tubos de pequeno diâmetro e tem muito pouca capacidade de armazenamento em comparação com a caldeira tipo tambor. Durante a partida, a água passa pelo economizador, evaporador, superaquecedor e volta para a linha de alimentação através da válvula de partida. Durante a partida, primeiro as bombas de circulação são acionadas e depois os queimadores são acionados para evitar o superaquecimento dos tubos do evaporador e do superaquecedor.

Construção ou Peças Principais

Caldeiras Benson

1. Pré-aquecedor de ar- Pré-aquece o ar antes de entrar no forno. O ar pré-aquecido aumenta a eficiência de queima do combustível.

2. Economizador- Aquece a água a uma determinada temperatura.

3. Superaquecedor Radiante-É um superaquecedor que aquece a água com a radiação produzida pelo combustível queimado. Eleva a temperatura até a temperatura supercrítica.

4. Evaporador de Convecção-Evapora a água superaquecida e a converte em vapor. Isso é feito pelo modo de convecção de transferência de calor para a água a partir dos gases de combustão quentes.

5. Superaquecedor de convecção-Superaquece o vapor até a temperatura desejada (quase 650 graus Celsius).

6. Forno-É o local onde o combustível é queimado.

7. Bomba de alimentação-É utilizado para fornecer água ao interior da caldeira a uma pressão supercrítica de 225 bar.

Princípio de trabalho

Funciona com base no princípio de que a pressão da água é aumentada até à pressão supercrítica (ou seja, acima da pressão crítica de 225 bar). Quando a pressão da água é aumentada até o nível supercrítico, o calor latente da água torna-se Zero e por isso se transforma diretamente em vapor sem ferver. E isto evita a formação de bolhas na superfície do tubo.

Na caldeira Benson, a bomba de alimentação aumenta a pressão da água até a pressão supercrítica e então entra no economizador. Do economizador, a água passa para o aquecedor radiante. Aqui a água recebe o calor através da radiação e é parcialmente convertida em vapor. A temperatura sobe quase até a temperatura supercrítica. Após essa mistura de vapor e água entrar no evaporador convectivo onde é completamente convertida em vapor e pode superaquecer até certo ponto. Finalmente é passado pelo superaquecedor para obter o vapor superaquecido desejado. Este vapor superaquecido é então usado por turbinas ou motores para produzir eletricidade.

Vantagens

• É leve.
• Ocupar menor área útil para sua montagem.
• O risco de explosão é quase insignificante devido ao uso de tubos de menor diâmetro.
• Pode ser iniciado facilmente em 15 minutos.
• Evita a formação de bolhas devido à pressão supercrítica da água.
• Transporte é fácil.
• Esta caldeira pode atingir uma eficiência térmica de até 90%.

Aplicativo

Esta caldeira supercrítica é utilizada em diversas indústrias para gerar vapor para a produção de eletricidade ou energia mecânica. A pressão média de operação, temperatura e capacidade da caldeira Benson é de 650 graus Celsius, 250 bar e 135 toneladas/h.