Apostila Caldeira

Pressão

Caldeiras são equipamentos destinados a produzir e acumular vapor a uma pressão

maior do que a pressão da atmosfera. Para produzir o vapor, uma fonte de calor

aquece água sob condições controladas.

Quem opera caldeiras e vasos de pressão precisa saber bem como eles funcionam

para obter o melhor desempenho possível do equipamento sob sua responsabilidade.

Para isso, além da rotina normal de trabalho, o operador deve conhecer algumas

noções sobre os fenômenos físicos que permitem que esses equipamentos operem de

maneira produtiva e segura.

Por isso, neste módulo, falaremos sobre fenômenos físicos como pressão, calor,

transferência de calor, tipos de vapor, bem como sobre as unidades de medida que os

representam.

Pressão

Se uma pessoa pisar na lama ou na areia fofa, nela será desenhada a marca das solas

de seus sapatos. Isso acontece porque os pés da pessoa exerceram uma força sobre

a superfície em que se apoiaram.

Pois bem, toda força, quando aplicada sobre uma área tem como resultado uma

grandeza física chamada de pressão. Isso quer dizer que pressão é a força

distribuída por uma determinada área.

Por ser uma grandeza física, a pressão pode ser representada matematicamente, ou

A , na qual P é a pressão; F é a força e A é a área.

Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Noções de grandezas físicas e unidades

Essa expressão nos ajuda a calcular a pressão sobre os corpos. Uma unidade de

medida chamada pascal e representada pelo símbolo Pa expressa numericamente

essa relação. Assim,

1Pascal 1 Newton

1m2

Nessa expressão, newton é a unidade de medida de força e m² é a unidade de

medida de área, segundo o sistema SI.

Observação

O sistema SI é um sistema internacional que padroniza o uso das unidades de medida.

Seu uso no Brasil é regulamentado por lei.

Assim, por exemplo, se quisermos saber qual a pressão exercida pela face de um

paralelepípedo que tem uma área de 0,24 m² e exerce uma força de 24 N sobre a

superfície sobre a qual ele se apoia, teremos:

P F

A→

24N

0,24m2→ P = 100 Pa

Isso significa que esse paralelepípedo exerce uma pressão de 100 Pa sobre a

superfície sobre a qual ele está apoiado.

Pressão atmosférica

A Terra está envolta por uma camada de ar chamada atmosfera. O ar da atmosfera

em torno de nós é tão leve que podemos nos mover através dele sem fazermos

esforço. No entanto, esse ar tem peso. Como ele é atraído pela gravidade, faz força

sobre nós em todas as direções, exercendo uma pressão de várias toneladas sobre

nosso corpo. Não percebemos essa força porque a pressão do ar dentro dos nossos

pulmões é igual á da atmosfera.

Essa pressão se chama pressão atmosférica. Ela pode ser comprovada por meio de

uma experiência simples: molha-se a borda de um desentupidor de pia que é

comprimido contra uma superfície plana. Isso expulsa a maior parte do ar que havia

dentro do desentupidor e será preciso fazer muita força para retirá-lo do lugar.


Isso acontece porque, sem ar no seu interior, o desentupidor sofre uma pressão

externa muito maior do que a pressão interna.

A pressão atmosférica varia de acordo com a altitude, ou seja, ela é maior nos locais

mais baixos e menor nos locais mais altos.

Quem comprovou isso pela primeira vez foi um físico italiano chamado Evangelista

Torricelli. Emborcando em uma cuba cheia de mercúrio um tubo de vidro de 1 m de

comprimento, fechado em uma das extremidades, e também cheio de mercúrio, ele

observou que, ao nível do mar, a coluna de mercúrio contida dentro do tubo descia até

atingir 760 mm de altura (0,76 m).

Com isso, ele comprovou que a pressão atmosférica, agindo sobre a superfície livre

do mercúrio que estava dentro da cuba, equilibrou a pressão exercida pela coluna de

mercúrio contra o fundo da cuba. Para esse valor de 76 cm (760 mm) de altura de

mercúrio (Hg), ele deu o nome de atmosfera (atm).


O aparelho simples que Torricelli inventou para fazer essa experiência chama-se

barômetro. Quando a experiência foi repetida, com o auxilio do barômetro em locais

de altitudes variadas, ficou comprovado que a altura da coluna de mercúrio também

variava.

Com isso, concluiu que a pressão atmosférica varia em função da altitude. Isso pode

ser demonstrado nos exemplos do quadro a seguir:

Altitude Pressão atmosférica em mm de mercúrio(mmHg)

0m 760 mm de Hg

100 m 750 mm de Hg

500 m 710 mm de Hg

1000 m 660 mm de Hg

Pressão manométrica e pressão absoluta

Como já foi visto no inicio deste módulo, caldeira é um equipamento destinado aproduzir e acumular vapor a uma pressão maior do que a pressão atmosférica.


Como esse fator é critico para a operação do equipamento, seria interessante estudar

o que acontece com o vapor encerrado em um recipiente fechado.

Para o operador de caldeira, há dois fatores muito importantes a serem observados:

1. Gases encerrados em recipientes, mesmo sem aquecimento, exercem pressão

igual em todos os sentidos sobre as paredes do vaso que os contêm. Um exemplo

disso é o pneu do automóvel.

2. Essa pressão se eleva sempre que a temperatura aumenta. Isso significa que, se

uma dona-de-casa descuidada e distraída colocar ao fogo uma panela de pressão

com as válvulas entupidas, o aumento da temperatura levará a um aumento

constante da pressão interna da panela, até ela explodir. É isso o que acontece

com a caldeira, se essa pressão interna não for controlada.

Essa pressão, que é medida dentro de um recipiente fechado (caldeira, por exemplo) e

tendo como referência a pressão atmosférica do local onde o recipiente está, é

chamada de pressão relativa ou manométrica. A pressão relativa pode ser positiva

ou negativa.

Se a pressão relativa é positiva, ou seja, se ela for maior que zero, ela é medida por

meio de um instrumento chamado de manômetro. É com o manômetro que o

operador verifica os níveis de pressão dentro da caldeira e os mantém dentro de faixas

seguras de operação.

Se a pressão relativa for negativa, isto é, se ela for menor que zero, o vacuômetro é

usado na medição.


Se no local onde é feita a medição a pressão relativa (ou manométrica) for somada

com a pressão atmosférica, obteremos a pressão absoluta.

Correspondência entre unidades de medida

Para interpretar os dados do mostrador do manômetro, é preciso conhecer a

correspondência entre as unidades de medidas de força e área, uma vez que elas

variam de acordo com as normas de cada país e, portanto, variam de equipamento

para equipamento, dependendo do país onde foi fabricado.

As normas brasileiras, estabelecidas pela ABNT (Associação Brasileira de Normas

Técnicas) recomendam a utilização das unidades do Sistema Internacional (SI). O

quadro a seguir, apresenta a correspondência entre várias unidades de medida de

kPa(KN/m²)* bar Kgf/cm²

psi(lbf/pol²)

atm mm Hg(torr)

m H20(mca)

100 1 1,019716 14,503 0,9869 750,062 10,19716

98,0665 0,980665 1 14,2233 0,967841 735,556 10,00

6,8947 0,068947 0,070307 1 0,068046 51,715 0,70307

101,325 1,01325 1,03323 14,6959 1 760 10,33226

133,322 1,33322 1,3595 19,368 1,31579 1000 13,59

9,80665 0,09806 0,1000 1,42233 0,09677 73,556 1

1 0,0100 0,01019 0,14503 0,009869 7,50062 0,10197

pressão.

* Unidade do Sistema Internacional

Observação

De acordo com o sistema SI, uma atm (atmosfera) corresponde a 101.325 Pa.


Calor

Tudo o que nos cerca é formado de partículas - chamadas de moléculas - que estão

em constante movimento, embora isso não seja visível. Esse fenômeno acontece

porque as moléculas são dotadas de energia de agitação chamada de energia

térmica.

Para saber quanta energia térmica tem um corpo, mede-se sua temperatura, que

nada mais é que a grandeza que indica o nível de agitação das partículas. Assim,

quanto maior é a agitação das partículas, maior é a temperatura do corpo.

Quando dois corpos com temperaturas diferentes são postos em contato, acontece a

transferência de energia térmica do corpo mais quente para o corpo mais frio, até que

se alcance o equilíbrio térmico, ou seja, até que as temperaturas se tornem iguais.

Essa energia térmica que passa de um corpo para outro, enquanto existe diferença detemperatura, tem o nome de calor.

Escalas de temperatura

Há várias maneiras de representar a temperatura: a escala Celsius, a escala

Fahrenheit e a escala Kelvin.

Como ponto de referência para as medições, as escalas usam a temperatura do gelo

fundente e a temperatura da água em ebulição.

Na escala Celsius, por exemplo, a temperatura do gelo fundente corresponde a 0 C,

enquanto que a temperatura da água em ebulição corresponde a 100 C na escala.

O intervalo entre esses dois pontos foi dividido em 100 partes iguais e cada uma

dessas partes corresponde a 1 C.


Na escala Fahrenheit, a temperatura do gelo fundente corresponde a 32 F e a da

água em ebulição é de 212 F. A faixa entre esses dois pontos foi dividida em 180

partes iguais e cada divisão é igual a 1 F.

Para a escala Kelvin, o número de divisões em K corresponde ao equivalente em C,com a temperatura do gelo fundente (0C) correspondendo ao valor de +273K.

Transferência de calor

Quando o calor se propaga de um ponto de maior temperatura para outro de menor

temperatura, ocorre um fenômeno chamado de transmissão de calor. O calor pode

propagar-se através das substâncias com facilidade ou com dificuldade.

A facilidade ou dificuldade que o calor tem de propagar-se através das substânciasrecebe o nome de condutibilidade térmica e ajuda a classificar os materiais em

condutores e isolantes.

Os materiais condutores são aqueles que transmitem o calor com mais facilidade. Os

metais em geral são bons condutores de calor.

Os materiais isolantes, por outro lado, são maus condutores de calor. Materiais como

tecidos, papel e amianto são exemplos de material isolante.


Mesmo entre os materiais condutores, a quantidade de calor que passa através de

uma parede feita de qualquer material depende:

Da diferença de temperatura que existe entre ambos os lados do material;

Do tamanho da superfície da face exposta ao calor, ou seja, superfícies maiores

transmitem mais calor;

Da espessura da parede;

Do material de construção da parede.

A propagação do calor acontece nos sólidos, nos líquidos, nos gases e no vácuo epode ocorrer de três formas: por condução, por convecção e por radiação.

Nos materiais sólidos, o calor se

propaga por condução. Isso é facilmente

verificado ao se colocar a extremidade

de uma barra de ferro no fogo. Após um

certo tempo, quem estiver segurando a

outra extremidade da barra, começará a

perceber que a temperatura aumenta

gradativamente, até que fica impossível

continuar a segurá-la.

Nos líquidos e gases, o calor se propaga por convecção, ou seja, as massas de

líquidos e gases trocam de posição entre si. Isso significa que, se fosse retirada a

fonte de calor – o fogo – que aquecia a barra do exemplo anterior, e se

mantivéssemos a mão a uma certa distância do material aquecido, seria possível

perceber seu calor.


Isso acontece porque o ar em torno da barra quente se aquece, fica mais leve e sobe.

O espaço livre deixado pelo ar quente, é então ocupado pelo ar mais frio (mais

denso) que, por sua vez, se aquece, repetindo o ciclo anterior. Dessa forma,

estabelece-se uma corrente ascendente do ar quente, que atua como veículo

transportador de calor desde a barra de ferro até a mão. Em países de clima frio, por

exemplo, o sistema de aquecimento de ambientes se baseia na convecção do calor

da água.

Relembrando: na transmissão por condução, o calor passa de molécula para

molécula. Na transmissão por convecção por sua vez, o calor é transferido juntamente

com o ar, a água ou outro material.

A transmissão por radiação é diferente porque o calor é transferido sem a ajuda de

nenhum material. O melhor exemplo desse tipo de transmissão é o calor do Sol que

chega à Terra: o calor não vem por condução porque não há contato físico entre os

dois astros; nem vem por convecção porque não há atmosfera ligando um ao outro. O

calor do sol chega até nós por ondas semelhantes às ondas de radio e àquelas que

transmitem a luz. São as chamadas ondas de energia radiante.

É possível sentir os efeitos dessas ondas,

aproximando a mão por baixo de uma lâmpada

elétrica acesa. A mão ficará quente apesar do fato

de que o ar quente sobe. Na verdade, o calor

sentido foi transmitido por radiação.


O fenômeno de troca de calor é muito empregado nos processos industriais e ajuda a

atender às exigências tecnológicas desses processos. Nas caldeiras, o processo de

transferência de calor entre a queima do combustível na fornalha e o aquecimento da

água e conseqüente geração de vapor pode ocorrer por radiação, convecção ou

condução.

Em muitos casos, é importante que o aquecimento ocorra com um mínimo de variação

de temperatura. Através da regulagem do fluxo de vapor, é possível controlar e garantir

que o aquecimento de um combustível, por exemplo, seja feito sob temperatura

constante.

Calor específico

Algumas substâncias são mais difíceis de se aquecerem do que outras. Se uma

vasilha com água for colocada sobre uma chama e se um bloco de ferro de massa

igual for colocado sobre uma chama de mesma intensidade, o ferro ficará logo tão

quente que fará ferver qualquer gota de água que respingue sobre ele. A água, por

outro lado, continuará fria o suficiente para que se possa mergulhar a mão nela sem

queimá-la.

Isso significa que o ferro necessita de menos calor do que a água para elevar sua

temperatura, ou seja, ele tem menor calor específico.

O calor específico indica a quantidade de calor que cada unidade de massa de

determinada substância precisa para que sua temperatura possa variar em 1oC. É uma

característica da natureza de cada substância. Portanto cada uma tem seu próprio

calor específico. Para os gases, o calor específico varia com a pressão e o volume.

A unidade de medida do calor específico é a caloria por grama por Celsius. O calor

específico do vapor sob pressão constante é 0,421 cal/gC.

Calor sensível

Calor sensível é a denominação dada à quantidade de calor absorvido ou cedido por

um corpo quando, nessa transferência, ocorre uma variação de temperatura.


Calor latente

Calor latente é a denominação dada à quantidade de calor absorvido ou cedido por um

corpo, quando houver uma mudança de estado sem que haja variação de temperatura.

Como exemplo, pode-se citar a transformação do gelo (água em estado sólido) em

água em estado líquido, com a temperatura se mantendo constante.

Dilatação térmica

Neste fascículo já estudamos que quando um corpo é aproximado de uma fonte de

calor, vários fenômenos acontecem: a temperatura se eleva e algumas de suas

propriedades e caraterísticas físicas, tais como dimensões, volume e calor específico,

se modificam.

Vimos também que o calor é a energia gerada pelo movimento das moléculas. Quando

um material é aquecido, suas moléculas se agitam mais intensamente. Por causa

disso, elas se movimentam e o material se expande, isto é, aumenta de tamanho.

Esse fenômeno se chama dilatação térmica.

De fato, com o aquecimento, o comprimento, a superfície e o volume do corpo

aquecido aumentam proporcionalmente.

Isso quer dizer que, dependendo do material e das condições do aquecimento, a

dilatação pode ser:

Linear, ou seja, quando o aumento é maior no sentido de uma das dimensões do

corpo.

Superficial, isto é, a expansão acontece apenas na superfície do material.

Volumétrica, quer dizer, a variação de tamanho se dá no volume do corpo.

Os materiais sólidos, quando aquecidos, podem apresentar esses três tipos dedilatação. Já os líquidos e os gases, por não terem formas próprias, apresentam

somente a dilatação volumétrica.

Cada tipo de dilatação apresenta um determinado coeficiente de dilatação térmica, ou

seja, o aumento de tamanho para cada grau de elevação na temperatura.


Nas caldeiras os coeficientes que interessam ao operador são os coeficientes de

dilatação volumétrica, representados pela razão da variação do volume de um corpo

por unidade de volume, quando sua temperatura varia de 1C.

Os líquidos têm um coeficiente de dilatação volumétrica maior que os sólidos e

exercem pressão ao serem aquecidos em recipientes fechados.

Vapor saturado e vapor superaquecido

Quando um recipiente fechado contendo água é aquecido, o calor faz as moléculas da

água se moverem mais depressa de modo que sua temperatura sobe. Ao atingir a

temperatura próxima de 100oC (considerando-se a pressão ao nível do mar), a água

entrará em ebulição com formação de vapor. Enquanto existir água dentro do

recipiente, o vapor é considerado saturado e sua temperatura não aumentará.

Mantendo-se o aquecimento após toda a água se evaporar, teremos o que se

denomina vapor superaquecido, com conseqüente aumento de temperatura.

Existem processos industriais que exigem vapor seco, sem partículas sólidas em

suspensão e com temperatura elevada. Isso é obtido por meio da produção do vapor

superaquecido. Porém, o vapor saturado arrasta umidade e grande parte das

impurezas na forma de partículas sólidas, causando danos ao processo. Um

tratamento eficaz da água da caldeira pode diminuir a quantidade das partículas,

minimizando esse problema.

Mostramos a seguir uma tabela na qual, a um dado valor de pressão absoluta, ou

seja, a soma do valor da pressão manométrica com o valor da pressão

atmosférica, corresponde uma temperatura de vapor saturado.


Relação entre pressão absoluta e temperatura do vapor saturadoPressão

absoluta Temperatura

kgf/cm² o C kgf/cm² o C kgf/cm² o C0,01 6,7 2,6 128,1 26 225,0

0,015 12,7 2,8 130,5 28 229,0

0,02 17,2 3,0 132,9 30 232,8

0,025 20,8 3,2 135,1 32 236,3

0,03 23,8 3,4 137,2 34 239,8

0,04 28,6 3,6 139,2 36 243,0

0,05 32,5 3,8 141,1 38 246,2

0,06 35,8 4,0 142,9 40 249,2

0,08 41,2 4,5 147,2 42 252,1

0,10 45,4 5,0 151,1 44 254,9

0,12 49,1 5,5 154,7 46 257,6

0,15 53,6 6,0 158,1 48 260,2

0,20 59,7 6,5 161,2 50 262,7

0,25 64,6 7,0 164,2 55 268,7

0,30 68,7 7,5 167,0 60 274,3

0,35 72,2 8,0 169,6 65 279,5

0,40 75,4 8,5 172,1 70 284,5

0,50 80,9 9,0 174,5 75 289,2

0,60 85,5 9,5 176,8 80 293,6

0,70 89,5 10 179,0 85 297,9

0,80 92,9 11 183,2 90 301,9

0,90 96,2 12 187,1 95 305,9

1,0 99,1 13 190,7 100 309,5

1,1 101,8 14 194,1 110 316,6

1,2 104,2 15 197,4 120 323,2

1,3 106,6 16 200,4 130 329,3

1,4 108,7 17 203,4 140 335,1

1,5 110,8 18 206,1 150 340,6

1,6 112,7 19 208,8 160 345,7

1,8 116,3 20 211,4 180 355,3

2,,0 119,6 22 216,2 200 364,1

2,2 122,6 24 220,8 220 373,6

2,4 125,5

Observação

Pressão Absoluta corresponde à pressão manométrica + pressão atmosférica


Outras variáveis

Uma das variáveis mais manipuladas pelo Operador no seu trabalho diário, relaciona-

se com o escoamento dos fluidos de um ponto a outro do processo.

Vazão

Vazão é a quantidade de fluido que escoa por uma tubulação e seus acessórios

durante um intervalo de tempo considerado, que pode ser dado em segundos, minutos,

horas, dias.

A quantidade pode ser dada em:

Volume - vazão volumétrica, ou

Massa - vazão em massa.

A vazão volumétrica é dada pela seguinte igualdade:

Q= volume transferidotempo de transferência

Vt

As unidades de medida de vazão volumétrica são m3/h e I/min.

Exemplo:

Volume transferido = 2m3

Tempo = 2 horas

Vazão: 2 m3 2 h = 1m3/h

A vazão em massa é obtida pela fórmula:

W massa transferidatempo de tranferência ⇒

Mt


As unidades de representação da vazão em massa são: kg/h, ton/h e g/min.

Exemplo:

Massa transferida = 2 toneladasTempo = 2 horasVazão: 2 ton 2 h = 1 ton/h

Escoamento

Escoamento é o caminho que o fluido percorre no equipamento. Dependendo da

maneira como o fluido escoa, o escoamento pode ser de dois tipos:

escoamento laminar ou

escoamento turbulento.

No escoamento laminar, as partículas do fluido deslocam-se paralelamente umas àsoutras, praticamente sem se misturarem, como se formassem camadas de

deslocamento com sentido preferencial. Veja representação esquemática a seguir.

No escoamento turbulento, as partículas fluem em todas as direções e provocam

turbilhonamento e redemoinhos. Isso acontece na associação de velocidades

elevadas associadas a viscosidades baixas. O escoamento de água e de gases é

sempre do tipo turbulento. A ilustração a seguir representa esquematicamente esse

fenômeno.

A turbulência favorece as trocas de calor e a mistura do próprio fluido no interior da

tubulação, tornando-o mais homogêneo.


Vários fatores influenciam no tipo de escoamento, a saber:

Velocidade do fluido;

Diâmetro da tubulação;

Viscosidade do fluido;

Densidade do fluido.

Velocidade de escoamento

Velocidade de escoamento é a vazão que passa por uma tubulação ou por um

equipamento por unidade de área.

A velocidade de escoamento pode ser medida de forma:

Linear e

Em massa.

A velocidade linear é aquela pela qual as moléculas do fluido se deslocam natubulação.

A velocidade em massa é o produto da vazão em massa pela área da seção

transversal. É muito usada para gases, cujo volume varia bastante, porém a massa,

não.

Perda de carga

Perda de carga é a queda de pressão que um fluido sofre quando escoa por uma

tubulação, devido a atritos e acidentes provocados por curvas, válvulas, derivações e

outros acessórios.

Nos equipamentos, as perdas de carga podem ser provocadas por defletores,

chicanas, recheios.

Exercícios

1. Pressão pode ser definida por:

a. ( ) força distribuída por volume

b. ( ) força distribuída por área

c. ( ) força distribuída por comprimento

d. ( ) nenhuma das anteriores

2. São unidades de pressão:

a. ( ) kg/m2

b. ( ) lbf/in

c. ( ) kgf/cm2

d. ( ) g/cm3

e. ( ) Newton

3. Pressão manométrica pode ser considerada como:

a. ( ) pressão ao nível do mar

b. ( ) pressão do meio ambiente

c. ( ) pressão no interior de um vaso, medida pelo manômetro

d. ( ) diferença entre a pressão interna e externa de um vaso

4. 1 kgf/cm2 equivale a:

a. ( ) 500 mm Hg

b. ( ) 14,22 lbf/in2

c. ( ) 1,308 bar

d. ( ) 1 atm


5. A transmissão de calor pode se dar por:

a. ( ) condução, convecção, radiação

b. ( ) condução, convecção, irradiação

c. ( ) convecção, radiação, aquecimento

d. ( ) resfriamento, condução, radiação

6. O que acontece com determinado material, quando sofre aquecimento?

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7. Na caldeira pode ocorrer os três tipos de dilatação? Exemplifique.

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8. Em que temperatura (ao nível do mar) inicia-se a ebulição da água?

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9. Qual a diferença principal entre vapor saturado e superaquecido?

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10. Na tabela de vapor quais as temperaturas correspondentes às pressões absolutas

abaixo:

a. ( ) 1,0 kgf/cm2

b. ( ) 5,5 kgf/cm2

c. ( ) 12,0 kgf/cm2

História do vapor

Calor é o resultado da agitação de moléculas dentro dos corpos. É uma forma de

energia que se transfere de um corpo para outro quando há diferença de temperatura

entre eles. Essa transferência de calor se dá de três maneiras: por radiação, por

condução e por convecção.

Como forma de energia, o calor é usado pelo homem para produzir trabalho e um dos

modos de conseguir isso é utilizando a transferência de calor para produzir vapor.

Atualmente, muitas das indústrias usam vapor em seus processos de produção. A fim

de atender a essa necessidade sempre crescente, a geração de vapor pode ser

realizada nas caldeiras, nos equipamentos geradores de vapor, ou pelo

aproveitamento do calor residual proveniente de alguns tipos de processos industriais,

como a siderurgia (gases de alto-forno).

Devido à importância do vapor e de seus processos de geração, neste módulo, serão

estudados os diversos tipos de caldeiras, sua classificação e seu emprego.

Histórico

Não é de hoje que o homem percebeu que o vapor podia fazer as coisas se

movimentarem. No primeiro século da era cristã, portanto há mais de 1800 anos, um

estudioso chamado Heron de Alexandria, construiu uma espécie de turbina a vapor,

chamada eolípila.

Nesse engenho, enchia-se uma esfera de metal com água que produzia vapor que se

expandia e fazia a esfera girar quando saía através de dois bicos, colocados em

posições diametralmente opostas. Todavia, embora isso movimentasse a esfera,

Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Tipos de caldeiras e a utilização do vapor

nenhum trabalho útil era produzido por esse movimento e o sábio não conseguiu ver

nenhuma utilidade prática para seu invento.

Muitos séculos mais tarde, a máquina a vapor foi a primeira maneira eficiente de

produzir energia independentemente da força muscular do homem e do animal, e da

força do vento e das águas correntes. Sua invenção e uso foi uma das bases

tecnológicas da Revolução Industrial. Em sua forma mais simples, as máquinas a

vapor usam o fato de que a água, quando convertida em vapor se expande e ocupa

um volume de até 1.600 vezes maior do que o original, quando sob pressão

atmosférica.

Foi somente no século XVII, mais precisamente em 1690, que o físico francês Denis

Papin usou esse princípio para bombear água. O equipamento bastante rudimentar

que ele inventou, era composto de um pistão dentro de um cilindro que ficava sobre

uma fonte de calor e no qual se colocava uma pequena quantidade de água. Quando a

água se transformava em vapor, a pressão deste forçava o pistão a subir. Então a fonte

de calor era removida o que fazia o vapor esfriar e se condensar. Isso criava um vácuo

parcial (pressão abaixo da pressão atmosférica) dentro do cilindro. Como a pressão do

ar acima do pistão era a pressão atmosférica, ela o empurrava para baixo, realizando o

trabalho.


Mas, a utilização efetiva dessa tecnologia só se iniciou com a invenção de Thomas

Savery patenteada em 1698 e aperfeiçoada em 1712 por Thomas Newcomen e John

Calley.

Nessa máquina, o vapor gerado em uma caldeira era enviado para um cilindro

localizado em cima da caldeira. Um pistão era puxado para cima por um contrapeso.

Depois que o cilindro ficava cheio de vapor, injetava-se água nele, fazendo o vapor

condensar. Isso reduzia a pressão dentro do cilindro e fazia o ar externo empurrar o

pistão para baixo. Um balancim era ligado a uma haste que levantava o êmbolo

quando o pistão se movia para baixo. O vácuo resultante retirava a água de poços de

mina inundados.

Um construtor de instrumentos escocês chamado James Watt notou que a máquina de

Newcomen, que usava a mesma câmara para alternar vapor aquecido e vapor

resfriado condensado desperdiçava combustível. Por isso, em 1765, ele projetou uma

câmara condensadora separada, refrigerada a água. Ela era equipada com uma

bomba que mantinha um vácuo parcial e uma válvula que retirava periodicamente o

vapor do cilindro. Isso reduziu o consumo de combustível em 75%. Essa máquina

corresponde aproximadamente à moderna máquina a vapor.

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Em 1782, ele projetou e patenteou a máquina rotativa de ação dupla na qual o vapor

era introduzido de ambos os lados do pistão de modo a produzir um movimento para

cima e para baixo. Isso tornou possível prender o êmbolo do pistão a uma manivela ou

um conjunto de engrenagens para produzir movimento rotativo e permitiu que essa

máquina pudesse ser usada para impulsionar mecanismos, girar rodas de carroças ou

pás para movimentar navios em rios.

No fim do século XVIII, as máquinas a vapor produzidas por Watt e seu companheiro

Matthew Boulton forneciam energia para fábricas, moinhos e bombas na Europa e na

América.

O aparecimento das caldeiras, que podiam operar com altas pressões e que foram

desenvolvidas por Richard Trevithick na Inglaterra e por Oliver Evans nos Estados

Unidos, no início do século XIX, tornou-se a base para a revolução dos transportes

uma vez que elas podiam ser usadas para movimentar locomotivas, barcos fluviais e,

depois, navios.

A máquina a vapor tornou-se a principal fonte produtora de trabalho do século XIX e

seu desenvolvimento se deu no esforço de melhorar seu rendimento, a confiabilidade e

a relação peso/potência. O advento da energia elétrica e do motor de combustão

interna no século XX, todavia, condenaram pouco a pouco, nos países mais

industrializados, a máquina a vapor ao quase esquecimento.


O vapor no século XX

No século XX, a máquina a vapor, como fornecedora de energia foi sendo

substituída por:

Turbinas a vapor, para a geração de energia elétrica;

Motores de combustão interna para transporte;

Geradores para fontes portáteis de energia;

Por motores elétricos, para uso industrial e doméstico.

Mesmo assim, o vapor ainda hoje tem extensa aplicação industrial, nas maisdiversas formas, dependendo do tipo de indústria e da região onde está instalada

O vapor produzido em um gerador de vapor pode ser usado de diversas formas:

Em processos de fabricação e beneficiamento;

Na geração de energia elétrica;

Na geração de trabalho mecânico;

No aquecimento de linhas e reservatórios de óleo combustível;

Na prestação de serviços.

Nos processos de fabricação e de beneficiamento, o vapor é empregado em:

Indústria de bebidas e conexos: nas lavadoras de garrafas, tanques de xarope,

pasteurizadoras.

Indústrias madeireiras: no cozimento de toras, secagem de tábuas ou lâminas

em estufas, em prensas para compensados.

Indústria de papel e celulose: no cozimento de madeira nos digestores, na

secagem com cilindros rotativos, na secagem de cola, na fabricação de papelão

corrugado.

Curtumes: no aquecimento de tanques de água, secagem de couros, estufas,

prensas, prensas a vácuo.


Indústrias de laticínios: na pasteurização, na esterilização de recipientes, na

fabricação de creme de leite, no aquecimento de tanques de água, na produção

de queijos, iogurtes e requeijões (fermentação).

Frigoríficos: nas estufas para cozimento, nos digestores, nas prensas para

extração de óleo.

Indústria de doces em geral: no aquecimento do tanque de glicose, no

cozimento de massa em panelas sob pressão, em mesas para o preparo de

massa, em estufas.

Indústria de vulcanização e recauchutagem: na vulcanização, nas prensas.

Indústrias químicas: nas autoclaves, nos tanques de armazenamento, nos

reatores, nos vasos de pressão, nos trocadores de calor.

Indústria têxtil: utiliza vapor no aquecimento de grandes quantidades de água

para alvejar e tingir tecidos, bem como para realizar a secagem em estufas.

Indústria de petróleo e seus derivados: nos refervedores, nos trocadores de

calor, nas torres de fracionamento e destilação, nos fornos, nos vasos de

pressão, nos reatores e turbinas.

Indústria metalúrgica: nos banhos químicos, na secagem e pintura.

A geração de energia elétrica através de vapor é obtida nas usinas termoelétricas e

outros pólos industriais. Para isso, os equipamentos são compostos basicamente

de um gerador de vapor superaquecido, uma turbina, um gerador elétrico e um

condensador.

O vapor é também utilizado para a movimentação de equipamentos rotativos, na

geração de trabalhos mecânicos.

Nas indústrias onde é usado “óleo combustível pesado”, é necessário o

aquecimento das tubulações e reservatórios de óleo, a fim de que ele possa fluir

livremente e proporcionar uma boa combustão. Isso é feito por meio dos geradores

de vapor.

Além desses usos industriais, os hospitais, as indústrias de refeições, os hotéis e

similares utilizam o vapor em suas lavanderias e cozinhas e no aquecimento de

ambientes.


Classificação das caldeiras

As caldeiras podem ser classificadas de acordo com:

Classes de pressão;

Grau de automação;

Tipo de energia empregada;

Tipo de troca térmica.

De acordo com as classes de pressão, as caldeiras foram classificadas segundo

a NR-13 em:

Categoria A: caldeira cuja pressão de operação é superior a 1960 kPa

(19, 98kgf/cm2);

Categoria C: caldeiras com pressão de operação igual ou inferior a 588 kPa

(5,99kgf/cm2) e volume interno igual ou inferior a 100 litros;

Categoria B: caldeiras que não se enquadram nas categorias anteriores.

De acordo com o grau de automação, as caldeiras podem se classificar em:

manuais, semi-automática e automática.

De acordo com o tipo de energia empregada, elas podem ser do tipo: combustível

sólido, liquido, gasoso, caldeiras elétricas e caldeiras de recuperação.

Existem outras maneiras particulares de classificação, a saber: quanto ao tipo de

montagem, circulação de água, sistema de tiragem e tipo de sustentação.

Tipos de caldeiras

A classificação mais usual de caldeiras de combustão refere-se à localização de

água/gases e divide-as em: flamotubulares, aquatubulares e mistas.

As caldeiras flamotubulares ou fogotubulares são aquelas em que os gases

provenientes da combustão (gases quentes) circulam no interior dos tubos, ficando

por fora a água a ser aquecida ou vaporizada.


A ilustração a seguir é uma representação esquemática da caldeira flamotubular.

Ao se acompanhar o processo evolutivo por que passaram os geradores de vapor,

nota-se que nas caldeiras flamotubulares primitivas a superfície de aquecimento

era muito pequena, tendo como conseqüência uma baixa vaporização específica

(12 a 14kg de vapor gerado/m²).

Embora essa capacidade tenha sido ampliada com o aumento do número de tubos,

por mais tubos que se colocassem dentro da caldeira, essa superfície ainda

continuava pequena, causando o baixo rendimento térmico e a demora na produção

de vapor.

Com a evolução dos processos industriais, aumentou muito a necessidade de

caldeiras com maior rendimento, menos consumo, rápida geração e grandes

quantidades de vapor. Baseados nos princípios da transferência de calor e na

experiência com os tipos de caldeiras existentes, os fabricantes inverteram a forma

de geração de calor: trocaram os tubos de fogo por tubos de água, o que aumentou

muito a superfície de aquecimento, surgindo a caldeira aquatubular.

Seu princípio de funcionamento baseia-se no princípio da Física que diz que

quando um líquido é aquecido, as primeiras partículas aquecidas ficam mais leves

e sobem, enquanto que as frias, que são mais pesadas, descem. Recebendo calor,


elas tornam a subir, formando assim um movimento contínuo, até que a água entre

em ebulição.

Na ilustração a seguir, podemos notar que a água é vaporizada nos tubos que

constituem a parede mais interna, subindo ao tambor de vapor, dando lugar a nova

quantidade de água fria que será vaporizada e assim sucessivamente.

As caldeiras mistas são caldeiras flamotubulares que possuem uma ante-fornalha

com parede d’água. Normalmente são projetadas para a queima de combustível

sólido.

A caldeira elétrica é um equipamento cujo papel principal é transformar energia

elétrica em térmica, para transmiti-la a um fluido apropriado, geralmente água.

A produção de vapor, em uma caldeira elétrica, baseia-se no fato de que a corrente

elétrica, ao atravessar qualquer condutor, encontra resistência a sua livre circulação

e desprende calor (Efeito Joule). As partes constituintes dessas caldeiras serão

estudadas em outros módulos.

Exercícios

1. De acordo com a passagem de gases e água, como podem se classificar as

caldeiras?

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2. Cite algumas utilizações do vapor?

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3. De acordo com o grau de automação, como se classificam as caldeiras?

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4. De acordo com as classes de pressão, como se classificam as caldeiras?

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Caldeiras aquatubulares

As caldeiras flamotubulares têm o inconveniente de apresentar uma superfície deaquecimento muito pequena, mesmo se o número de tubos for aumentado.

A necessidade de caldeiras de maior rendimento, rapidez de geração de grandes

quantidades de vapor com níveis de pressão mais elevados, levou ao surgimento da

caldeira aquatubular 1.

Nesse tipo de caldeira, os tubos que, nas caldeiras flamotubulares, conduziam gases

aquecidos, passaram a conduzir a água, o que aumentou muito a superfície de aque-

cimento, aumentando bastante a capacidade de produção de vapor.

Neste módulo, serão estudados os vários tipos de caldeiras aquatubulares e suas

principais partes constituintes.

Tipos de caldeiras aquatubulares

Para fins didáticos, dividimos as caldeiras aquatubulares em quatro grandes grupos:

Caldeiras aquatubulares de tubos retos, com tubulão transversal ou longitudinal;

Caldeiras aquatubulares de tubos curvos, com diversos tubulões transversais ou

longitudinais utilizados na geração (máximo 5);

Caldeiras aquatubulares de circulação positiva;

Caldeiras aquatubulares compactas.

1 Embora as normas brasileiras (NR-13, NBR 12177 e NBR 11096) denominem esse tipo de caldeira de“aquotubular”, por contaminação do nome da caldeira flamotubular, a palavra correta que identifica essetipo de caldeira é aquatubular.

Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Caldeiras aquatubulares

Caldeiras aquatubulares de tubos retos

As caldeiras aquatubulares de tubos retos consistem de um feixe tubular de transmis-

são de calor, com uma série de tubos retos e paralelos, interligados a uma câmara

coletora. Essas câmaras comunicam-se com os tubulões de vapor (superiores), for-

mando um circuito fechado por onde circula a água. As ilustrações a seguir mostram o

sentido de circulação da água e a circulação dos gases quentes mediante três passes.

Esse tipo de caldeira, incluindo as de tubulão transversal, conforme figuras abaixo sãoas primeiras concepções industriais, que supriram uma gama de capacidade de pro-

dução de 3 até 30 toneladas-vapor/hora, com pressões de até 45 kgf/cm². Os projetos

foram apresentados pelas empresas Babcok & Wilcox e a Steam Muller Corp.

Vantagens e desvantagens das caldeiras aquatubulares de tubos retos

As principais vantagens das caldeiras deste tipo são:

Facilidade de substituição dos tubos;

Facilidade de inspeção e limpeza;

Não necessitam de chaminés elevadas ou tiragem forçada.

Como desvantagens apresentam:

Necessidade de dupla tampa para cada tubo, (espelhos);

Baixa taxa de vaporização específica;

Rigoroso processo de aquecimento e de elevação de carga (grande quantidade de

material refratário).

Caldeiras aquatubulares de tubos curvos

As caldeiras aquatubulares de tubos curvos não apresentam limites de capacidade deprodução de vapor. A forma construtiva foi idealizada por Stirling, interligando os tuboscurvos aos tubulões por meio de solda ou mandrilagem. A figura a seguir apresenta

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um esquema de caldeira com quatro tubulões, embora possa ter de três a cinco, oque confere a este tipo de gerador de vapor maior capacidade de produção.

Partindo deste modelo, foram projetadas novas caldeiras. Com o objetivo de aproveitarmelhor o calor irradiado na fornalha, reduziu-se o número e o diâmetro dos tubos, eacrescentou-se uma parede de água em volta da fornalha. Isso serviu como meio deproteção do material refratário com o qual a parede da fornalha é construída, além deaumentar a capacidade de produção de vapor.

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Vantagens das caldeiras aquatubulares de tubos curvos:

Redução do tamanho da caldeira;

Queda da temperatura de combustão;

Vaporização específica maior, variando na faixa de 30 kg de vapor/m² a 50 kg de

vapor/m2 para as caldeiras com tiragem forçada;

Fácil manutenção e limpeza;

Rápida entrada em regime;

Fácil inspeção nos componentes.

Caldeiras compactas

Dentro da categoria das caldeiras de tubos curvos surgiram as caldeiras compactas.

Com capacidade média de produção de vapor em torno de 30 ton/h, elas são equipa-

mentos apropriados para instalação em locais com espaço físico limitado

Por se tratar de equipamento compacto, apresenta limitações quanto ao aumento de

sua capacidade de produção.

Caldeira de circulação positiva

A circulação da água nas caldeiras ocorre por diferenças de densidade, provocada

pelo aquecimento da água e vaporização, ou seja circulação natural. Se a circulação

for deficiente, poderá ocorrer um superaquecimento localizado, com conseqüente

ruptura dos tubos.

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As figuras a seguir apresentam alguns tipos de circulação de água.

Algumas caldeiras com circulação positiva podem apresentar bombas externas, de-

pendendo da vazão exigida, ou seja, da demanda de vapor para forçar a circulação de

água ou vapor, independentemente da circulação natural, isto é, por diferença de den-

sidade.

Vantagens e desvantagens

As vantagens das caldeiras de circulação positiva são:

Tamanho reduzido;

Não necessitam de grandes tubulões;

Rápida geração de vapor;

Quase não há formação de incrustações, devido à circulação forçada.

As desvantagens são:

Paradas constantes, com alto custo de manutenção;

Problemas constantes com a bomba de circulação, quando operando em altas

pressões.

Partes das caldeiras aquatubulares

As partes principais de uma caldeira aquatubular são: tubulão superior (ou tambor devapor), tubulão inferior (ou tambor de lama), feixe tubular, parede de água,

fornalha e superaquecedor.

Tubulão superior

O tubulão superior, ou tambor de vapor é o elemento da caldeira onde é injetada a

água de alimentação e de onde é retirado o vapor. No interior dele estão dispostos

vários componentes, conforme mostra a figura a seguir.

Área dos tubos de descida da água do feixe tubular (downcomers).

Área de tubos vaporizantes (riser), que descarregam a mistura de vapor e águacontra a chicana 6. Esta forma uma caixa fechada no fundo e dos lados, comabertura na parte superior, que projeta o vapor e a água contra a chicana 8.

Área dos tubos do superaquecedor, mandrilados no tambor.

Filtro de tela ou chevron.

Tubo de drenagem da água retirada no filtro.

Tubo distribuidor da água de alimentação; observa-se a posição dos furos.

Tubo coletor de amostras de água e da descarga contínua.

Chicana

O tubulão de vapor é construído com chapa de aço carbono de alta qualidade (ASTM

A285 grau C, ASTM A515-60 ou A515-70). O dimensionamento da espessura do

tubulão é feito baseado no código ASME SECTION I e depende do material usado na

fabricação.

Os tubos são mandrilados nos tubulões e se dividem em tubos de descida d’água e

tubos de geração de vapor, que descarregam a mistura água/vapor no tubulão.

Na descarga dos tubos de geração de vapor é instalada uma chicana (chapa defletora)

que é uma caixa fechada no fundo e nos lados, destinada a separar a água contida no

tubulão e amenizar as variações do nível de água, ocorridas no tubulão de vapor.

Existem em alguns casos uma segunda chapa defletora, cuja finalidade é separar

partículas de água ainda contidas no vapor.

Existe ainda no tubulão superior um conjunto constituído de chapas corrugadas,

denominado chevron ou filtro, cuja finalidade é reter a maior quantidade possível de

partículas sólidas ou líquidas arrastadas pelo vapor, antes de o vapor sair para o

superaquecedor.

O tubo de alimentação de água é por onde a água entra no tubulão; a furação deste

tubo deve ser posicionada de modo a que o jato d’água não se dirija contra a chapa do

tubulão. É essencial que o tubo de alimentação esteja sempre bem fixado para não

causar vibração e nem se soltar dentro do tubulão.

O tubo de descarga contínua ou coletor é o responsável pela captação constante de

água de drenagem que elimina sólidos em suspensão prejudiciais à caldeira,

normalmente 1% do volume da água de alimentação.

Em algumas caldeiras podemos ter, também, um tubo de injeção de produtos químicos

instalado no tubulão superior.

Tubulão inferior

O tubulão inferior, ou tambor de lama, também é construído em chapas de aço

carbono. Nele, estão mandrilados tanto os tubos de água que descem do tubulão

superior quanto os tubos de vaporização que sobem para o tubulão superior.

No tubulão inferior estão instaladas tomadas para purga ou descarga de fundo,

utilizadas para remover parte da lama e resíduos sólidos originários do processo e que

podem causar corrosão, obstrução e superaquecimento.

A qualidade do tratamento de água de alimentação da caldeira e os tratamentos e

análises do processo determinam a periodicidade das descargas a serem efetuadas.

Cantoneira

No interior do tubulão recomenda-se instalar uma cantoneira que tem a função de

promover uma sucção ao longo do tambor; devido à diferença de pressão no tambor e

na descarga para a atmosfera, esta sucção arrasta a lama de toda extensão do

tambor.

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A cantoneira deve ser instalada conforme figura a seguir.

1. Cantoneira 2. Chapa de fechamento3. Barra de apoio 4. Barra direcionadora5. Chapa do tubulão

Em caldeiras que não possuem esse tipo de cantoneira, a descarga de fundo remove

principalmente a lama das regiões próximas ao furo da tubulação de drenagem.

Feixe tubular

O feixe tubular (Boilers Convection Bank) é um conjunto de tubos que faz a ligação

entre os tubulões da caldeira. Pelo interior destes tubos circulam água e vapor. Os

tubos que servem para conduzir água do tubulão superior para o inferior são

chamados “downcomers”, ou tubos de descida, e os tubos que fazem o sentido

inverso (mistura de água e vapor) são conhecidos por “risers” ou tubos vaporizantes.

Os feixes tubulares podem ser:

Feixe tubular reto: muito

usado em caldeiras mais

antigas, nas quais os tubos

eram ligados através de

caixas ligadas ao tubulão de

vapor. Veja ilustração ao lado.

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Feixe tubular curvado

Feixe tubular com fluxo cruzado

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Feixe tubular com fluxo axial (utilizado em caldeiras a carvão com alto teor de

cinzas).

Materiais mais comumente utilizados: ASTM-A-178 (tubos com costura) e ASTM-A-192e ASTM-A-210 (tubos sem costura).

Parede d’água

Nas caldeiras a fornalha, a parede d’água é formada por tubos que estão em contato

direto com as chamas e os gases, permitindo maior taxa de absorção de calor por

radiação.

Os tipos mais comuns de construção de parede d’água são:

Parede d’água com tubos tangentes

Os materiais mais comuns usados na construção das paredes de água são: tubo

ASTM A-178 (com costura) e tubo ASTM A-192 (sem costura).

Paredes de água com tubos aletados

É possível encontrar também paredes d’água montadas com distâncias menores entre

tubos. Com as paredes d’água, o calor ganho por convecção é relativamente pequeno.

Fornalha

A fornalha, também chamada de câmara de combustão, é o local onde se processa a

queima de combustível. De acordo com o tipo de combustível a ser queimado, a

fornalha pode ser dividida em:

Fornalhas para queima de combustível sólido:

Fornalha com grelhas basculantes:

Fornalha com grelha rotativa:

Fornalhas para queima de combustível em suspensão:

Fornalhas para queima de combustível sólido

São as que possuem suportes e grelhas; podem ser planas, inclinadas ou dispostas

em formas de degraus que ainda podem ser fixos ou móveis. Estas fornalhas

destinam-se principalmente à queima de: lenha, carvão, sobras de produtos, casca de

cacau, bagaço de cana, casca de castanha, etc.

A alimentação do combustível pode ser feita de maneira manual ou automatizada.

Apresentam como desvantagem o abaixamento de temperatura que pode ocorrer

próximo à entrada de combustível, grande geração de resíduos e ter seu uso limitado

em caldeiras de pequena capacidade.

Normalmente, elas trabalham com grande excesso de ar, para melhorar as condições

de fumaça da chaminé.

Fornalha com grelhas basculantes

É um tipo de fornalha muito usada para a queima de bagaço como combustível sólido

e é dividida em vários setores.

Cada setor possui elementos de grelha denominados barrotes. Estes barrotes se

inclinam sob a ação de um acionamento externo, que pode ser de ar comprimido ou de

vapor. Com a inclinação dos barrotes, a cinza escoa-se para baixo da grelha,

limpando-a. A redução de ar da combustão e a melhor distribuição do bagaço sobre a

grelha aumentam consideravelmente o rendimento da caldeira.

Fornalha com grelha rotativa

É um outro tipo de fornalha para a queima de combustível sólido na qual a queima e a

alimentação se processam da mesma maneira que na grelha basculante, mas a

limpeza é feita continuamente; não há basculamento dos barrotes. A grelha é acionada

por um conjunto motor-redutor, o que lhe dá pequena velocidade, suficiente para retirar

da fornalha as cinzas formadas num determinado período. O ar de combustão entra

por baixo da grelha e serve para refrigeração, da mesma forma que na grelha

basculante.

Fornalhas para queima de combustível em suspensão

São aquelas usadas quando se queimam óleo, gás ou combustíveis sólidos

pulverizados. Para caldeiras que queimam óleo ou gás, a introdução do combustível na

fornalha é feita através do queimador.

Queimadores

Os queimadores são peças destinadas a promover, de forma adequada e eficiente, a

queima dos combustíveis em suspensão.

Em volta do queimador, existe um refratário de formato cônico que tem grande

importância para uma queima adequada do combustível lançado pelo queimador. Esse

refratário tem as seguintes finalidades:

Auxiliar na homogeneização da mistura ar/combustível, graças ao seu formato;

Aumentar a eficiência da queima, graças a sua característica de irradiar o calor

absorvido;

Dar forma ao corpo da chama.

Ao contrário dos combustíveis gasosos, que já se encontram em condições de reagircom o oxigênio, os óleos combustíveis devem ser aquecidos e atomizados antes da

queima. A preparação consiste em:

Dosar as quantidades adequadas de ar e combustível;

Atomizar o combustível líquido, ou seja, transformá-lo em pequenas gotículas

(semelhante a uma névoa);

Gaseificar as gotículas através da absorção do calor ambiente (câmara de

combustão);

Misturar o combustível com o oxigênio do ar;

Direcionar a mistura nebulizada na câmara de combustão.

Para combustíveis sólidos pulverizados, a introdução de combustível na fornalha

pode ser feita através de dispositivos de atomização que garantem a granulometria

e a dispersão para queima dentro da fornalha.

Superaquecedor

O superaquecedor é constituído de tubos lisos ou aletados de aço resistente a altas

temperaturas, distribuídos em forma de serpentina, que aproveitam os gases de

combustão para dar o devido aquecimento ao vapor saturado, transformando-o em

vapor superaquecido.

Quando instalados dentro das caldeiras, podem estar localizados, dependendo da

concepção de projeto da caldeira:

Atrás do último feixe de tubos;

Entre dois feixes;

Sobre os feixes;

Na fornalha.

Existem alguns tipos de caldeiras nas quais o superaquecedor é instaladoseparadamente da caldeira. Em virtude disso, ele depende de outra fonte de calor para o

aquecimento.

A transmissão de calor para os superaquecedores pode ocorrer por convecção,

radiação ou de forma mista, em função de sua configuração na construção da caldeira.

Os superaquecedores correm o risco de ter seus tubos danificados, se não forem

tomados alguns cuidados relativos à garantia de circulação de água/vapor na

superfície interna, nas partidas e paradas da caldeira.

A regulagem da temperatura do vapor superaquecido normalmente é feita atuando-se

nos queimadores, no sentido da chama ou no controle dos gases de combustão, por

meio da abertura ou fechamento de uma válvula “by-pass”, ou seja, de derivação,

instalada no circuito dos gases.

Equipamentos periféricos

São considerados também como parte integrante de uma caldeira, outros

equipamentos denominados como auxiliares ou periféricos, cujo bom desempenho e

controle ajudam a boa operação de uma caldeira. Eles são: economizador, pré-

aquecedor, soprador de fuligem.

Economizador

O economizador tem a finalidade de aquecer a água de alimentação da caldeira.

Normalmente está localizado na parte alta da caldeira entre o tambor de vapor e os

tubos geradores de vapor, e os gases são obrigados a circular através dele, antes de

saírem pela chaminé.

Existem vários tipos de economizadores e na sua construção podem ser empregados

tubos de aço maleável ou tubos de aço fundido com aletas.


Os economizadores podem ser de dois tipos: em separado ou integral.

O economizador em separado é usado nas caldeiras de baixa pressão (25 kgf/cm²).

É construído geralmente de tubos de aço ou ferro fundido com aletas. No seu interior

circula a água e por fora circulam os gases de combustão.

O economizador integral é empregado nas caldeiras de maior capacidade de

produção, apesar de requerer mais cuidados que o economizador em separado. Todo

o gás carbônico e o oxigênio, devem ser retirados da água de alimentação, porque

quando estes elementos são aquecidos aumentam a corrosão pelo lado interno dos

tubos.

A corrosão nos tubos de economizadores pode ocorrer tanto na superfície interna

quanto na externa. Internamente a corrosão pode ser causada por impurezas contidas

na água por deficiência no tratamento. Externamente, a corrosão pode ser causada

pelos gases que carregam elementos contaminantes provenientes do processo de

combustão.

Pré-aquecedor de ar

O pré-aquecedor de ar é um equipamento (trocador de calor) que eleva a temperatura

do ar antes que este entre na fornalha. O calor é cedido pelos gases residuais quentes

ou pelo vapor da própria caldeira.

A instalação desses equipamentos oferece a vantagem de melhorar a eficiência da

caldeira pelo aumento da temperatura de equilíbrio na câmara de combustão.

Pelo aumento de temperatura dos gases, a montagem da fornalha exige tijolos

refratários fabricados com materiais de melhor qualidade. A existência de pré-

aquecedores causa um aumento na perda de carga no circuito ar/gás de combustão,

exigindo maior consumo de energia no acionamento dos ventiladores.

De acordo com o princípio de funcionamento, os pré-aquecedores de ar podem seclassificar em: pré-aquecedor regenerativo e pré-aquecedor tipo colmeia.

Nos pré-aquecedores regenerativos, o calor dos gases de combustão é transferido

indiretamente para o ar, através de um elemento de armazenagem, por onde passa o

ar e o gás de combustão, alternadamente.

O pré-aquecedor regenerativo tipo Ljungstron é constituído de placas de aço finas e

corrugadas que são aquecidas quando da passagem dos gases de combustão e

resfriadas quando da passagem do ar. Seu formato assemelha-se a uma roda gigante,

girando lenta e uniformemente.

No pré-aquecedor tipo colmeia, os gases quentes, ao passarem pela colmeia

refratária, trocam o calor com o ar frio que vai para a combustão.

Alguns tipos de caldeiras fazem o pré-aquecimento do ar, utilizando-se do próprio

vapor gerado. Este equipamento é denominado pré-aquecedor de ar a vapor.

Sopradores de fuligem

Os sopradores de fuligem (ramonadores) permitem uma distribuição rotativa de um jato

de vapor no interior da caldeira e tem por finalidade, fazer a remoção da fuligem e

depósitos formados na superfície externa da zona de convecção das caldeiras.

A figura a seguir mostra como é feita esta sopragem.

Os tubos sopradores são providos de orifícios e são distribuídos em pontos

convenientes de modo a garantir jateamento na maior área de aquecimento possível.

Um outro tipo de ramonador consiste de um dispositivo que introduz o tubo de

sopragem no interior da zona de convecção, sendo acionado manual ou

automaticamente.

25


Exercícios

1. Por que certas empresas utilizam caldeiras aquatubulares?

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2. Cite algumas características das caldeiras aquatubulares?

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3. Qual a principal vantagem de uma caldeira aquatubular de tubos retos em relação

a uma caldeira aquatubular de tubos curvos?

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4. Para que serve o superaquecedor numa caldeira?

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5. Para que se utiliza o economizador numa caldeira?

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6. Qual a principal diferença entre uma caldeira que queima gás/líquido e outra que

queima combustível sólido

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7. Cite alguns acessórios que podem ser instalados no tubulão da caldeira

aquatubular?

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8. Por que é necessário instalar isolamento térmico numa caldeira?

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Caldeiras flamotubulares

O rendimento térmico da caldeira flamotubular é normalmente mais baixo e o espaço

ocupado por ela é proporcionalmente maior, embora atualmente já existam modelos

compactos desse tipo de caldeira. Apesar dessas restrições, seu emprego pode ser

indicado de acordo com as necessidades particulares de cada processo industrial,

sendo adequado para pequenas instalações industriais.

Neste fascículo serão estudadas algumas características e as partes componentes das

caldeiras flamotubulares.

Tipos de caldeiras flamotubulares

Caldeiras flamotubulares ou fogotubulares são aquelas em que os gases provenientes

da combustão (gases quentes) circulam no interior dos tubos e a água a ser aquecida

ou vaporizada circula pelo lado de fora.

Este tipo de caldeira é o de construção mais simples, e pode ser classificado quanto àdistribuição dos tubos, que podem ser tubos verticais ou horizontais.

Caldeiras de tubos verticais

Nas caldeiras de tubos verticais, os tubos são colocados verticalmente num corpo

cilíndrico fechado nas extremidades por placas, chamadas espelhos. A fornalha interna

fica no corpo cilíndrico logo abaixo do espelho inferior. Os gases de combustão sobem

através dos tubos, aquecendo e vaporizando a água que está em volta deles.

Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Caldeiras flamotubulares

As fornalhas externas são utilizadas principalmente no aproveitamento da queima de

combustíveis de baixo poder calorífico, tais como: serragem, palha, casca de café e de

amendoim e óleo combustível (1A, 2A ... etc.)


Caldeiras de tubos horizontais

As caldeiras de tubos horizontais abrangem vários modelos, desde as caldeiras

Cornuália e Lancaster, de grande volume de água, até as modernas unidades

compactas. As principais caldeiras horizontais apresentam tubulões internos nos quais

ocorre a combustão e através dos quais passam os gases quentes. Podem ter de 1 a 4

tubulões por fornalha.

Tipos de caldeiras de tubos horizontais

A caldeira Cornuália, um dos primeiros modelos desenvolvidos, é constituída de um

tubulão horizontal ligando a fornalha ao local de saída de gases. É de funcionamento

simples, porém de rendimento muito baixo.


Suas principais características são: pressão máxima de operação de 10 kgf/cm²,

vaporização específica 12 a 14 kg de vapor/m² e máximo de 100m² de superfície.

A caldeira Lancaster é de construção idêntica à anterior, porém tecnicamente mais

evoluída. Pode ser constituída de dois a quatro tubulões internos e suas características

são: área de troca térmica de 120 a 140m² e vaporização de 15 a 18 kg de vapor/m².

Algumas delas apresentam tubos de fogo e de retorno, o que apresenta uma melhoria

de rendimento térmico em relação às anteriores.


Na caldeira multitubular, a queima de combustível é efetuada em uma fornalha

externa, geralmente construída em alvenaria instalada abaixo do corpo cilíndrico. Os

gases quentes passam pelos tubos de fogo, e podem ser de um ou dois passes. A

maior vantagem é poder queimar qualquer tipo de combustível. Na figura a seguir,

temos um exemplo de caldeira multitubular.

A caldeira locomóvel, também do tipo multitubular, tem como principal característica

apresentar uma dupla parede em chapa na fornalha, pela qual a água circula.

Sua maior vantagem está no fato de ser fácil a sua transferência de local e de poder

produzir energia elétrica. É usada em serrarias junto à matéria-prima e em campos de

petróleo.


A caldeira escocesa, criada basicamente para uso marítimo, é o modelo de caldeira

industrial mais difundido no mundo. É destinada à queima de óleo ou gás, tendo ainda

pressão máxima de 18 kgf/cm², rendimento térmico em torno de 83% e taxa de

vaporização de 30 a 35 kg de vapor/m². A figura a seguir mostra esse tipo de caldeira.

Vantagens e desvantagens das caldeiras flamotubulares

As principais vantagens das caldeiras deste tipo são:

Custo de aquisição mais baixo;

Exigem pouca alvenaria;

Atendem bem a aumentos instantâneos de demanda de vapor.

Como desvantagens, apresentam:

Baixo rendimento térmico;

Partida lenta devido ao grande volume interno de água;

Limitação de pressão de operação (máx. 15 kgf/cm²);

Baixa taxa de vaporização (kg de vapor / m² . hora);

Capacidade de produção limitada;

Dificuldades para instalação de economizador, superaquecedor e pré-aquecedor.


Partes das caldeiras flamotubulares

As caldeiras flamotubulares apresentam as seguintes partes principais: corpo,

espelhos, feixe tubular ou tubos de fogo e caixa de fumaça.

O corpo da caldeira, também chamado de casco ou carcaça, é construído a partir de

chapas de aço carbono calandradas e soldadas. Seu diâmetro e comprimento estão

relacionados à capacidade de produção de vapor. As pressões de trabalho são

limitadas (normalmente máximo de 20 kgf/cm²) pelo diâmetro do corpo destas

caldeiras.

Os espelhos são chapas planas cortadas em forma circular, de modo que encaixem

nas duas extremidades do corpo da caldeira e são fixadas através de soldagem.

Sofrem um processo de furação, por onde os tubos de fumaça deverão passar. Os

tubos são fixados por meio de mandrilamento ou soldagem.

O feixe tubular, ou tubos de fogo, é composto de tubos que são responsáveis pela

absorção do calor contido nos gases de exaustão usados para o aquecimento da água.

Ligam o espelho frontal com o posterior, podendo ser de um, dois ou três passes.


A caixa de fumaça é o local por onde os gases da combustão fazem a reversão do

seu trajeto, passando novamente pelo interior da caldeira (pelos tubos de fogo).

O desenho a seguir mostra os componentes de uma caldeira flamotubular típica.


Exercícios

1. Cite vantagens e desvantagens das caldeiras flamotubulares.

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2. Por que em certas aplicações é recomendada a caldeira flamotubular?

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3. Cite algumas características das caldeiras flamotubulares.

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4. Cite alguns componentes das caldeiras flamotubulares.

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Documents

Apostila Caldeira