Apostila Caldeira
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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.
Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Noções de grandezas físicas e unidades
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).
Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Noções de grandezas físicas e unidades
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.
Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Noções de grandezas físicas e unidades
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.
Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Noções de grandezas físicas e unidades
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.
Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Noções de grandezas físicas e unidades
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.
Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Noções de grandezas físicas e unidades
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.
Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Noções de grandezas físicas e unidades
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.
Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Noções de grandezas físicas e unidades
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.
Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Noções de grandezas físicas e unidades
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.
Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Noções de grandezas físicas e unidades
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.
Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Noções de grandezas físicas e unidades
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.
Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Noções de grandezas físicas e unidades
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
Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Noções de grandezas físicas e unidades
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
Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Noções de grandezas físicas e unidades
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.
Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Noções de grandezas físicas e unidades
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
Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Noções de grandezas físicas e unidades
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?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
7. Na caldeira pode ocorrer os três tipos de dilatação? Exemplifique.
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
8. Em que temperatura (ao nível do mar) inicia-se a ebulição da água?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
9. Qual a diferença principal entre vapor saturado e superaquecido?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
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.
Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Tipos de caldeiras e a utilização do vapor
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.
7
Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Tipos de caldeiras e a utilização do vapor
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.
Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Tipos de caldeiras e a utilização do vapor
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.
Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Tipos de caldeiras e a utilização do vapor
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.
Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Tipos de caldeiras e a utilização do vapor
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.
Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Tipos de caldeiras e a utilização do vapor
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,
Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Tipos de caldeiras e a utilização do vapor
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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Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Caldeiras aquatubulares
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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Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Caldeiras aquatubulares
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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Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Caldeiras aquatubulares
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.
13
Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Caldeiras aquatubulares
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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Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Caldeiras aquatubulares
Feixe tubular curvado
Feixe tubular com fluxo cruzado
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Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Caldeiras aquatubulares
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.
Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Caldeiras aquatubulares
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.
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Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Caldeiras aquatubulares
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.)
Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Caldeiras flamotubulares
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.
Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Caldeiras flamotubulares
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.
Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Caldeiras flamotubulares
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.
Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Caldeiras flamotubulares
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.
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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.
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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.
Treinamento de segurança na operação de caldeiras - Caldeiras flamotubulares
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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