Caldeira de pirólise caseira: dispositivo, esquemas, princípio de funcionamento

O termo «pirólise» refere-se a um processo onde ocorre a combustão lenta de combustível sólido com produção de gás. Apesar do nome «técnico» da estrutura, fazer uma caldeira de pirólise faça você mesmo é relativamente simples, e as construções caseiras são bastante comuns na prática.

A explicação é simples: a caldeira geradora de gás a lenha é mais fácil de manter, frequentemente mais eficiente e econômica do que outros equipamentos semelhantes. Vamos entender juntos como funciona esse equipamento e o que será necessário para sua fabricação.

Princípio de funcionamento das caldeiras de pirólise

Caldeiras de sistemas de aquecimento que utilizam materiais combustíveis sólidos como combustível, além dos clássicos, também são do tipo pirólise. Normalmente são chamadas de caldeiras geradoras de gás.

Para entender melhor o princípio de funcionamento de uma caldeira de pirólise doméstica, é lógico examinar cuidadosamente a estrutura desse equipamento. Comecemos pelas características da fornalha como parte principal da estrutura de aquecimento. Basicamente, a área de trabalho da câmara de combustível das caldeiras de pirólise é dividida em duas câmaras separadas.

Estrutura da caldeira de pirólise em corte: 1 – câmara de carga (passiva), onde ocorre o processo de pirólise (combustão incompleta); 2 – câmara de combustão do gás (ativa), formado no processo de pirólise

Uma dessas câmaras é carregada com combustível sólido – lenha, pellets, briquetes, etc. Lá começa o processo primário de combustão do combustível sólido com fornecimento limitado de ar. Nesse estado, o combustível não queima, mas arde. Os gases liberados na combustão lenta passam para outra área da câmara – ativa, onde, com aumento do fornecimento de ar, queimam intensamente.

Tecnicamente, esse processo de queima é implementado de forma simples. As sub-áreas da câmara geral são simplesmente divididas por uma grelha e um bocal. A parte superior da câmara é a fornalha passiva, a parte inferior da câmara é a fornalha ativa. Deve-se considerar a característica construtiva – o fornecimento de ar superior na câmara de combustível (sopragem superior).

É precisamente isso que distingue a estrutura da caldeira geradora de gás da clássica de câmara única, onde se utiliza o fornecimento inferior.

Construção clássica de uma bomba de ar (muitas vezes chamada de ventilador, mas tecnicamente é um nome incorreto), que é usada no esquema de uma caldeira de pirólise. Esta é uma peça importante que garante a eficiência do equipamento.

Tecnologicamente, para o projeto de caldeiras de pirólise, um aspecto característico é também a organização da tiragem forçada. A construção da fornalha de dois estágios possui resistência aerodinâmica elevada. Portanto, é indispensável a instalação de uma bomba de ar.

Como funciona a caldeira na prática?

A aplicação prática do equipamento pode ser vista em um processo passo a passo:

1. Carregamento de lenha – colocação na grelha da área superior da câmara.
2. Acendimento do combustível e ativação da bomba de fumaça.
3. Formação de gás de madeira a uma temperatura de 250-850 °C.
4. Passagem do gás de madeira para a área inferior da fornalha.
5. Queima do gás de madeira com fornecimento adicional de ar.

Em seguida, o calor obtido na área inferior da câmara de combustível é usado para aquecer o fluido de transferência de calor. O fluido de transferência de calor pode ser tanto água quanto ar.

1 – câmara ativa; 2 – entrada de água; 3 – ar secundário; 4 – chaminé; 5 – tubo de saída; 6 – válvula borboleta; 7 – saída de água; 8, 9 – sensores; 10 – termostato; 11 – porta da câmara passiva; 12 – ar primário; 13 – câmara passiva; 14 – bomba de ar; 15 – circuito do trocador de calor; 16 – bocal; 17 – porta da câmara ativa

Se observarmos todas as construções existentes de caldeiras domésticas que funcionam com combustível sólido, a principal alternativa à caldeira de pirólise é a construção de design tradicional.

Esta é uma opção semelhante de caldeira a lenha, onde opera uma única fornalha não dividida e funciona o princípio de fornecimento inferior de ar à câmara de combustão. Mas esse sistema é considerado menos eficiente e antieconômico devido à queima rápida do combustível.

A caldeira de pirólise é capaz de fornecer um coeficiente de eficiência (rendimento) de 85-95% sob condição de 100% de carga. No entanto, o rendimento cai drasticamente se a carga for inferior a 50%. É por isso que os fabricantes de equipamentos de pirólise recomendam que os usuários operem o equipamento com carga máxima.

Uma abordagem semelhante é válida também para construções caseiras, desde que estejam em total conformidade com o esquema clássico de pirólise e os requisitos de operação.

Para a 'pirólise', os requisitos de operação, é preciso notar, são bastante rigorosos:

• equipamento obrigatório com bomba de ar;
• umidade permitida do combustível não superior a 25-35%;
• carga no equipamento não inferior a 50%;
• temperatura do fluido de retorno não inferior a 60 °C;
• carregamento apenas com combustível de grande porte.

Também deve-se notar o alto custo dos sistemas de pirólise de fabricação industrial. Provavelmente, é por isso que a opção “faça você mesmo” é muito popular.

Caldeira de pirólise caseira

Como regra geral, ao fabricar esse tipo de equipamento de aquecimento artesanalmente, utiliza-se como base o popular esquema de Beliaev. Não se pode dizer que seja uma solução simples que permita fabricar o aquecedor sem problemas. Mas, talvez, seja uma daquelas soluções que realmente podem ser implementadas.

Esquema tridimensional de uma caldeira de pirólise para fabricação artesanal. Esta é uma das variações esquemáticas simples que podem ser feitas em condições domésticas de forma independente.

Para fabricar o equipamento de acordo com este esquema, o mestre precisará de:

• tubo metálico (d = 32; 57; 159 mm);
• tubo perfilado (s = 60x30; 80x40; 20x20 mm);
• tira de aço (20x4; 30x4; 80x5 mm);
• tijolo refratário;
• chapa metálica;
• bomba de ar;
• sensor de temperatura.

Também é necessário ter um conjunto completo de ferramentas de serralheria, além de um aparelho de solda (e habilidades de soldador, respectivamente). O trabalho de fabricação de uma caldeira de pirólise artesanal não pode ser feito sozinho. No mínimo, é preciso um ajudante.

Primeiramente, de acordo com o esquema escolhido, é necessário preparar as peças em chapa da estrutura. Recomenda-se preparar os painéis de chapa, cortando-os no tamanho certo com equipamento profissional de precisão.

O uso de uma ferramenta manual como a 'esmerilhadeira' para o corte também exige algumas habilidades e observância das normas de segurança durante o trabalho, mas não garante a precisão do corte, o que posteriormente afeta a qualidade da soldagem. Este ponto deve ser considerado. Uma solução razoável para o corte de chapas metálicas é encomendar em uma oficina mecânica.

Montagem das partes internas do equipamento

A partir de uma parte das chapas metálicas, é necessário fazer a câmara de combustão. Para isso, o material, nas dimensões conforme o esquema, é unido e soldado. Deve resultar em uma estrutura de duas câmaras, que deve ser complementada com dutos de ar.

Esses elementos da câmara de combustão são feitos de canaleta metálica ou utiliza-se tubo perfilado para a fabricação. Em toda a área da face frontal do duto de ar são perfurados orifícios.

Canais de ar no interior da câmara de combustão. Por esses canais, o ar é fornecido por meio de uma bomba de ar. Para distribuição uniforme do fluxo de ar ao longo de todo o comprimento do canal, são perfurados orifícios.

Abaixo, no nível, na área da câmara de combustão ativa, na parede transversal aos dutos de ar, é inserido um tubo metálico (alimentação secundária de ar). Em seguida, começa o trabalho com tubos, pois chegou a vez da montagem do trocador de calor tubular.

Esta parte do sistema de pirólise é feita com tubos metálicos de d=57 mm:

1. Pegam-se duas chapas metálicas no tamanho do desenho e faz-se a marcação.
2. Com base na marcação, recortam-se orifícios de d=60 mm na chapa para a localização dos tubos.
3. Cortam-se tubos de d=57 mm no comprimento adequado.
4. As extremidades dos tubos são inseridas nos orifícios de uma chapa e soldadas.
5. Repete-se a operação com a outra chapa.

Na saída, deve-se obter um trocador de calor pronto, que é fixado ao corpo da caldeira no local indicado pelo esquema.

Exemplo de fabricação de um trocador de calor a partir de duas chapas de aço e tubos cortados sob medida. Aqui é necessária uma soldagem de qualidade para que não haja problemas durante a operação futura da caldeira.

Ao lado do trocador de calor (no nível superior), é instalada uma válvula borboleta. Esta peça é equipada com uma alavanca e também é soldada à estrutura. A parte frontal do corpo da válvula é fechada com um pedaço de chapa com um bocal para a chaminé.

Em seguida, resta apenas soldar o painel frontal da câmara de combustão com janelas para as portas de cada uma das duas seções e o módulo para a bomba de ar.

Trocador de calor instalado e parte da estrutura da válvula borboleta. Variante do mecanismo de ajuste na forma de uma alavanca manual com possibilidade de fixar a válvula em qualquer posição.

Antes de instalar o painel frontal, a parte interna das câmaras de combustão deve ser reforçada com tijolos refratários. Este material é cortado sob medida, parte dele em ângulo. O tijolo é lixado e ajustado ao local de assentamento.

Ambas as seções de trabalho da câmara de combustão da caldeira são revestidas com tijolos refratários. Nesse processo, as áreas das válvulas dos tubos de exaustão (entrada) de ar são cuidadosamente cobertas. Após o revestimento com tijolos, o painel frontal é instalado.

Exemplo de revestimento da área interna da câmara de combustão com tijolos refratários. O revestimento de tijolos protege as paredes da câmara da caldeira de pirólise contra possível queima durante a operação de longo prazo.

Basicamente, a montagem principal da caldeira de pirólise pode ser considerada concluída nesta etapa. A estrutura montada deve ser tratada – remover a escória da soldagem, limpar as soldas, nivelar se houver pequenas irregularidades.

Na próxima etapa – envolver a estrutura montada em um invólucro hermético. Esta parte da estrutura também é feita de chapas metálicas. No entanto, antes disso, é necessário um teste de pressão.

Teste e montagem final da estrutura

A estrutura montada deve ser testada. Ações obrigatórias – verificar a estanqueidade da área da caldeira onde o fluido de transferência de calor deve circular. Para realizar o teste de pressão do trocador de calor, são instaladas tampões temporárias nos bocais de alimentação e retorno do fluido de transferência de calor.

Em seguida, o trocador de calor é abastecido com água. É aconselhável usar água quente da rede de aquecimento ou água quente sanitária (AQS) para poder verificar as soldas sob condições de expansão térmica do metal.

A parte frontal da estrutura já quase pronta, com os tubos de saída para fornecimento de ar para dentro das câmaras de trabalho. As janelas das seções da câmara de combustível ainda estão sem portas. Esta construção será revestida com chapas do corpo.

Na ausência de vazamentos nas soldas do trocador de calor, a água é drenada e inicia-se o enquadramento da estrutura da caldeira de pirólise com painéis metálicos externos. Também nesta etapa são fabricadas e instaladas as portas das janelas das seções da câmara de combustão.

As portas da instalação de pirólise exigem execução considerando as condições de operação em alta temperatura. Por isso, esses elementos estruturais são feitos (ou usados já prontos) geralmente de ferro fundido com reforço térmico adicional de tijolo refratário.

Exemplo de construção da porta de uma das seções da câmara de combustível da caldeira de pirólise. Para aumentar a proteção contra o efeito da alta temperatura do processo de combustão, adicionalmente ao metal, é utilizado tijolo refratário.

Etapa final – instalação da caldeira de pirólise no local de sua futura operação. A montagem da estrutura é realizada sobre uma fundação ou sobre uma laje de concreto. Recomenda-se manter a altura da fundação (laje) em relação ao nível do solo não inferior a 100 mm.

Após a instalação e nivelamento, a parte inferior da caldeira é fixada à fundação. Restará conectar a chaminé, instalar a bomba de ar e conectar as linhas de entrada/saída do fluido térmico.

Caldeira de ação pirolítica completamente fechada em corpo metálico e pronta para instalação no local de trabalho. Como elementos de suporte de fixação, foram soldados ganchos angulares no corpo.

Fabricar a estrutura da caldeira de pirólise por conta própria é um trabalho que exige um investimento significativo de esforço. Claro, também não é possível evitar custos indiretos em termos de recursos financeiros.

Possivelmente, na compra de material e na contratação de serviços terceirizados, os custos serão menores do que o preço de equipamentos fabricados industrialmente. No entanto, a diferença provavelmente não será tão significativa. Mas a questão principal não é o dinheiro.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Sobre a fabricação caseira da caldeira de ação pirolítica:

Tecnicamente, a produção caseira de caldeiras de pirólise sem a base adequada é um processo extremamente complexo. Também são necessárias habilidades profissionais no trabalho com metal, uma compreensão clara dos esquemas de engenharia e das sutilezas tecnológicas da fabricação de equipamentos de caldeiras. Sem tudo isso, nem vale a pena iniciar o trabalho.

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