Ventiladores de tiragem forçada da caldeira suportam fornecimento de ar de combustão estável em plantas industriais

Numa caldeira industrial, a estabilidade da combustão depende de mais coisas do que do próprio queimador. O sistema de combustão deve receber a quantidade certa de ar na pressão necessária, mesmo quando a carga da caldeira muda. Os ventiladores de tiragem forçada da caldeira fornecem esse ar de combustão empurrando o ar ambiente ou pré-aquecido em direção ao queimador, caixa de vento, grelha ou forno. Em sistemas de tiragem balanceada, o ventilador de tiragem forçada funciona em conjunto com o ventilador de tiragem induzida para controlar o fluxo de ar através da caldeira.

Por que o fornecimento de ar de combustão é importante

O combustível não pode queimar de forma eficiente se o oxigênio disponível for insuficiente. Ao mesmo tempo, simplesmente fornecer mais ar não é uma solução. O excesso de ar absorve calor e transporta calor adicional através da chaminé, o que pode reduzir a eficiência da caldeira. Por esta razão, os ventiladores de tiragem forçada da caldeira precisam fornecer fluxo de ar suficiente em toda a faixa operacional, em vez de simplesmente produzir o máximo volume de ar possível.

Por exemplo, considere uma caldeira de biomassa operando entre 60% e 100% de carga. Se o ventilador funcionar quase na velocidade máxima, independentemente da carga da caldeira, o sistema poderá receber ar de combustão excessivo em baixa carga. A melhor abordagem é controlar o fluxo de ar de acordo com a demanda real de combustível, usando um amortecedor de entrada, uma palheta guia de entrada ou um VFD, dependendo do projeto do sistema. Pesquisas sobre controle de velocidade variável em caldeiras também mostraram a relação entre operação do ventilador, excesso de ar e eficiência da caldeira. 

Não selecione o ventilador apenas com a potência do motor

Um dos erros mais comuns ao substituir um ventilador de caldeira é pedir um motor de 30 kW, 45 kW ou 75 kW e esperar que o fabricante do ventilador determine tudo a partir desse número. A potência do motor é uma saída do processo de seleção do ventilador e não o parâmetro de seleção principal.

Para ventiladores de tiragem forçada de caldeiras, as informações básicas devem incluir:

Fluxo de ar necessário, como m³/h ou CFM

Pressão estática necessária ou pressão total

Temperatura de entrada de ar

Tipo de combustível

Capacidade da caldeira

Altitude operacional

Faixa de carga esperada

Perdas de pressão em dutos e equipamentos

Resistência do queimador ou grelha

Queda de pressão do pré-aquecedor de ar, se instalado

Método de controle

Tensão e frequência do motor

Arranjo de instalação do ventilador

Sentido de rotação e posição de saída

O requisito de pressão deve ser calculado a partir do percurso completo do ar. Dutos, cotovelos, amortecedores, filtros, pré-aquecedores de ar, windboxes, registros de queimadores e outros componentes contribuem com resistência. 

Um exemplo prático de seleção de ventiladores

Suponha que uma caldeira industrial necessite de 18.000 m³/h de ar de combustão a uma pressão estática de 2.200 Pa nas condições operacionais de projeto. O ventilador não deve ser selecionado simplesmente como “ventilador de 18.000 m³/h”.

Primeiro, o engenheiro deve confirmar se 18.000 m³/h é o fluxo de ar operacional real necessário ou se já inclui a margem de projeto necessária. A seguir, as perdas de pressão entre a entrada do ventilador e o forno precisam ser calculadas.

Por exemplo:

Perda no duto de ar: 300 Pa

Perda do amortecedor: 180 Pa

Perda do pré-aquecedor de ar: 450 Pa

Perda de windbox e queimador: 700 Pa

Outras perdas do sistema: 350 Pa

Margem necessária: avaliada separadamente de acordo com o desenho do projeto

A seleção do ventilador deve então ser verificada em relação ao ponto de funcionamento resultante e não apenas em relação ao fluxo de ar. Isto é particularmente importante quando os ventiladores de tiragem forçada da caldeira estão sendo usados ​​como substitutos de uma unidade existente, porque alterações nos dutos ou no queimador podem alterar o ponto de operação real.

A pressão do ventilador e o fluxo de ar devem corresponder à caldeira

Um ventilador pode produzir um grande fluxo de ar a baixa pressão e ainda assim não fornecer o ar necessário ao forno. Por outro lado, selecionar pressão excessiva pode resultar em estrangulamento desnecessário e maior potência operacional.

É por isso que a curva de desempenho do ventilador é importante. O ponto de projeto deve estar localizado dentro de uma região adequada da curva do ventilador, com faixa de controle suficiente para a operação normal da caldeira.

Para ventiladores de tiragem forçada de caldeiras, normalmente verificaria pelo menos três pontos de operação:

Carga mínima estável da caldeira

Carga operacional normal

Carga contínua máxima

Se a caldeira funciona normalmente com 70–90% de carga, o ventilador não deve ser otimizado apenas para um ponto teórico de 100%. A faixa operacional real é importante porque a demanda de ar de combustão muda com a entrada de combustível.

O controle VFD pode ser útil, mas não é automaticamente a melhor solução

Acionamentos de frequência variável são frequentemente considerados para ventiladores de tiragem forçada de caldeira porque a velocidade do ventilador pode ser ajustada de acordo com a carga da caldeira. Para ventiladores centrífugos, as leis dos ventiladores fornecem uma base útil para a compreensão do efeito das mudanças de velocidade: o fluxo de ar muda aproximadamente com a velocidade, a pressão muda aproximadamente com o quadrado da velocidade e a potência muda aproximadamente com o cubo da velocidade.

Isto significa que uma redução relativamente pequena na velocidade pode produzir uma redução significativa na potência do ventilador.

Entretanto, a seleção do VFD também deve considerar o motor, a velocidade mínima de operação, a resposta do controle, os requisitos de partida, as considerações harmônicas e a estratégia de controle de fluxo de ar necessária. Um VFD não deve ser simplesmente adicionado porque parece mais eficiente. Todo o sistema de controle da caldeira precisa ser considerado. O que acontece quando o ventilador está subdimensionado? Um ventilador de tiragem forçada de caldeira subdimensionado pode parecer aceitável durante a operação de baixa carga, mas se torna um gargalo quando a caldeira se aproxima da carga total.

Os sintomas típicos incluem:

Ventilador operando próximo à velocidade máxima

Incapacidade de atingir o fluxo de ar necessário

Oxigênio de baixo forno

Combustão instável

Aumento de CO

Produção de vapor reduzida

Maior consumo de combustível

Queda excessiva de pressão no sistema de ar

Amortecedor permanecendo totalmente aberto

Antes de substituir o ventilador, entretanto, os técnicos devem confirmar se o problema é realmente a capacidade do ventilador. Um filtro sujo, duto bloqueado, amortecedor posicionado incorretamente, pré-aquecedor de ar sujo ou queimador modificado podem aumentar a resistência do sistema e criar sintomas que parecem um ventilador subdimensionado.

Exemplo de caso: caldeira de biomassa com fluxo de ar insuficiente

Considere uma caldeira de biomassa originalmente projetada para aproximadamente 15.000 m³/h de ar de combustão. Após vários anos de operação, a planta mudou para um combustível de biomassa mais úmido.

O operador percebeu que a caldeira não conseguia mais manter a condição de combustão anterior em carga elevada. A suposição inicial era que o ventilador FD havia ficado muito pequeno.

Uma inspeção no local encontrou três condições importantes:

O ventilador ainda estava atingindo aproximadamente a velocidade original do projeto.

O amortecedor de entrada estava quase totalmente aberto

O novo combustível continha significativamente mais umidade.

A equipe de engenharia verificou, portanto, os requisitos de ar de combustão e a pressão do sistema antes de decidir por um ventilador substituto. Isto é importante porque a mudança do combustível pode alterar as condições de combustão exigidas; simplesmente aumentar o tamanho do ventilador pode não resolver o problema subjacente do processo.

A seleção final do ventilador foi baseada nos requisitos revisados ​​de fluxo de ar e pressão, e não na classificação antiga do motor.

Ventilador FD e ventilador ID devem ser considerados juntos

Em uma caldeira de tiragem balanceada, o ventilador FD fornece ar de combustão enquanto o ventilador ID remove os gases de combustão e ajuda a manter a pressão necessária do forno. Esses dois ventiladores realizam trabalhos diferentes, mas afetam diretamente o mesmo processo de combustão.

Se o lado FD fornecer substancialmente mais ar do que o sistema pode remover, a pressão do forno poderá aumentar. Se o lado ID puxar com muita força em relação ao ar de combustão que entra, pode ocorrer pressão negativa excessiva.

Portanto, ao substituir os ventiladores de tiragem forçada da caldeira, é útil verificar também o funcionamento existente do ventilador ID. O novo ventilador FD deve se adequar à faixa operacional do sistema completo de controle de tiragem, em vez de ser avaliado como um equipamento isolado.

A temperatura do ar também afeta a seleção do ventilador

A temperatura do ar de combustão deve ser especificada antes de selecionar ventiladores de tiragem forçada da caldeira.

Se o ventilador manusear o ar ambiente, a densidade será diferente de um sistema onde o ar passou por um pré-aquecedor de ar. À medida que a temperatura do ar aumenta, sua densidade diminui, o que afeta a relação entre fluxo volumétrico, fluxo de massa, pressão e potência do ventilador.

Por exemplo, dois sistemas podem mostrar 20.000 m³/h no papel enquanto operam em temperaturas do ar substancialmente diferentes. O cálculo de engenharia, portanto, precisa estabelecer a base real de temperatura e pressão de operação, em vez de tratar o número do volume como independente das condições operacionais.

Isto se torna especialmente importante em caldeiras que utilizam pré-aquecedores de ar ou outros equipamentos de recuperação de calor.

Verificações de manutenção que não devem ser ignoradas

Mesmo um ventilador selecionado corretamente pode perder desempenho devido a problemas de manutenção. Para ventiladores de tiragem forçada de caldeira, a inspeção de rotina deve incluir o impulsor, rolamentos, eixo, acoplamento, corrente do motor, vibração, condição de entrada, posição do amortecedor e dutos.

Se o fluxo de ar diminuir gradualmente enquanto a velocidade do ventilador permanece inalterada, não aumente imediatamente a velocidade. Primeira verificação:

Bloqueio do filtro de entrada

Abertura do amortecedor

Obstrução do duto

Incrustação do impulsor

Condição do rolamento

Condição da correia ou acoplamento

Rotação do ventilador

Pressão do sistema

Resistência do queimador ou windbox

Um impulsor contaminado com poeira ou depósitos pode alterar a condição aerodinâmica e aumentar o desequilíbrio. Aumentar a velocidade para compensar pode aumentar a carga mecânica sem resolver o problema original. Quais informações devem ser enviadas a um fabricante de ventiladores? Para uma solicitação de cotação envolvendo ventiladores de tiragem forçada de caldeira, uma consulta técnica útil deve conter muito mais do que a capacidade da caldeira.

Uma RFQ prática pode incluir:

Capacidade da caldeira: 20 TPH

Combustível: Biomassa/carvão/gás natural/petróleo

Fluxo de ar necessário: 18.000 m³/h

Pressão necessária: 2.200 Pa

Temperatura do ar: 40°C

Altitude: 35 m

Frequência de operação: 50Hz

Tensão do motor: 415 V

Controle: VFD

Instalação: Interior

Rotação: A confirmar

Direção de saída: A confirmar

Se o ventilador existente estiver sendo substituído, fotografias, informações da placa de identificação, curva do ventilador, dados do motor, dimensões do duto e medições operacionais reais também serão extremamente úteis.

Quanto mais completos os dados operacionais, mais fácil será selecionar ventiladores de tiragem forçada da caldeira que correspondam ao funcionamento real da caldeira, em vez de selecionar um modelo de um catálogo baseado apenas no fluxo de ar nominal.

Considerações Finais

O objetivo principal dos ventiladores de tiragem forçada da caldeira é simples: fornecer ao sistema de combustão ar estável e controlável na pressão exigida pela caldeira. O desafio de engenharia é disponibilizar esse fluxo de ar em toda a faixa operacional, mantendo ao mesmo tempo a potência do ventilador, a pressão do forno, as condições de combustão e a confiabilidade mecânica sob controle.

Para um novo projeto de caldeira, o ventilador deve ser selecionado a partir do cálculo completo da resistência do lado do ar. Para um projeto de substituição, os dados operacionais reais devem ser comparados com a curva original do ventilador antes de decidir se o problema é capacidade insuficiente do ventilador, aumento da resistência do sistema ou mudança nas condições de combustão.

Um ventilador de tiragem forçada de caldeira bem selecionado não é, portanto, simplesmente um ventilador de alto fluxo de ar. É um componente adequado ao combustível da caldeira, sistema de combustão, perdas de pressão, temperatura operacional, método de controle e faixa de carga esperada. É isso que permite à caldeira manter uma combustão estável sem desperdiçar desnecessariamente a potência do ventilador.