2 1Tipos e Classificações de GV

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Profº Fernando Lima 
fernandolima@cct.uema.br 
Geração, Distribuição e Utilização do Vapor 
 
 
2.1 Tipos e Classificação de 
Caldeiras a Vapor 
Universidade Estadual do Maranhão – UEMA 
Centro de Ciências Tecnológicas – CCT 
Departamento de Engenharia Mecânica e Produção 
Curso: Engenharia Mecânica 
Uema 
Geração, Distribuição e Utilização do Vapor 
1. INTRODUÇÃO: CALOR E VAPOR DE ÁGUA 
 
 Histórico da geração e utilização do vapor. Transferência de Calor. Conceitos Básicos 
da Termodinâmica (vapor de água - Diagrama de Fases Vapor Saturado-Título e Umidade - 
Vapor Superaquecido) 
3. FORNECIMENTO DE CALOR NOS SISTEMAS INDUSTRIAIS 
 
3.1 COMBUSTÍVEIS: gasosos, líquidos e sólidos: características e propriedades; 
3.2 COMBUSTÃO: princípios e cálculos; 
 3.3 QUEIMADORES: Tipos, descrição e Usos. 
 3.4 Aspectos fluidodinâmicos, termodinâmicos e de transferência de calor na geração e 
distribuição do vapor. 
2. GERADORES DE VAPOR: 
2.1 Tipos; 
2.2 Componentes; 
2.3 Rendimentos Térmicos; 
 2.4 Tratamentos da Água de Alimentação. 
CONTEÚDO PROGRAMÁTICO 
Geração, Distribuição e Utilização do Vapor 
1. Geração de vapor 
 
 Tipos de caldeiras e suas utilizações; 
 Eficiência Energética; 
 Rendimento térmico; 
 Custo do vapor produzido; 
 Arraste de água em caldeiras; 
 Barriletes (Distribuidores) de vapor 
 2. Distribuição de vapor 
 Tubulações; 
 Condensação; 
 Drenagens de condensado; 
 Purgadores de vapor; 
 Vazamentos externos; 
 Separadores de umidade; 
 Isolamento térmico; 
 Dimensionamento de tubulações de vapor 
3. Utilização de vapor – Equipamentos 
 
 Redução de pressão; 
 Controle de temperatura de processo; 
 Área de transferência de calor; 
 Tipos de equipamentos; 
 Drenagem simples ou coletiva; 
 Injeção direta de vapor; 
 Acumuladores de vapor 
DETALHAMENTO DO CONTEÚDO PROGRAMÁTICO 
 
 (GERVADORES DE VAPOR) 
GERADOR DE VAPOR 
 É um trocador de calor complexo que produz vapor a partir de energia térmica 
(combustível), ar e fluido vaporizante, constituídos por diversos equipamentos 
associados, perfeitamente integrados, para permitir a obtenção do maior 
rendimento térmico possível. 
Geração, Distribuição e Utilização do Vapor 
 Existem inúmeros tipos de caldeiras a vapor, sendo que muitos delas são 
de aplicações restritas (pesquisa e desenvolvimento, ou modelos para 
fundamentação de pesquisa). 
 Nesta caso, pode-se classificá-las da seguinte forma: 
Geração, Distribuição e Utilização do Vapor 
Existe diversos tipos de Geradores de Vapor 
1. Caldeiras de Vapor: são os geradores de vapor mais simples, queimam algum 
tipo de combustível como fonte geradora de calor; 
 
2. Caldeiras de Recuperação: são aqueles geradores que não utilizam 
combustíveis como fonte geradora de calor, aproveitando o calor residual de 
processos industriais (gás de escape de motores, gás de alto forno, de turbinas, 
etc); 
 
3. Caldeiras de Água Quente: são aqueles em que o fluido não vaporiza, sendo o 
mesmo aproveitado em fase líquida (calefação, processos químicos); 
 
4. Geradores Reatores Nucleares: são aqueles que produzem vapor utilizando 
como fonte de calor a energia liberada por combustíveis nucleares (urânio 
enriquecido). 
Geração, Distribuição e Utilização do Vapor 
 CARACTERISTICAS GERAIS DOS GV 
Geração, Distribuição e Utilização do Vapor 
CONDIÇÕES ESPECÍFICAS DOS GV 
Geração, Distribuição e Utilização do Vapor 
CONDIÇÕES ESPECÍFICAS DOS GV 
1.Caldeiras de Vapor 
 Apesar dos inúmeros tipos de caldeiras aqui será enfatizada 
a CALDEIRA A VAPOR, devido a sua importância e suas muitas 
aplicações no campo industrial. 
Geração, Distribuição e Utilização do Vapor 
 Dentro das Caldeiras de Vapor temos as seguintes classificações: 
1.Caldeiras de Vapor 
Geração, Distribuição e Utilização do Vapor 
1. Caldeiras de Vapor 
5) Quanto ao nível de Pressão 
4) Quanto a natureza da Aplicação 
Geração, Distribuição e Utilização do Vapor 
1. Caldeiras de Vapor 
 Existem várias classificações de caldeiras de vapor. A escolha de um tipo se 
faz principalmente em função de: 
 Tipo de serviço 
 Tipo de combustível disponível 
 Equipamento de combustão 
 Capacidade de produção 
 Pressão e temperatura do vapor 
 Relação de Custo-benefício 
Geração, Distribuição e Utilização do Vapor 
Quanto à posição as Caldeiras de Vapor temos as seguintes classificações: 
1. Caldeiras de Vapor 
1.1 QUANTO À POSIÇÃO DOS GASES QUENTES E DA ÁGUA 
1. Flamotubulares 
2. Aquatubulares 
Geração, Distribuição e Utilização do Vapor 
 São caldeiras em que os gases quentes passam por dentro de 
tubos, ao redor dos quais está a água a ser aquecida e evaporada. Os tubos 
são montados à maneira dos feixes de permutadores de calor, com um ou 
mais passos dos gases quentes através dos mesmo. 
1.1 QUANTO À POSIÇÃO DOS GASES QUENTES E DA ÁGUA 
1.1.1 Flamotubulares 
VERTICAL 
HORIZONTAL 
1.1.1 Flamotubulares 
1.1 QUANTO À POSIÇÃO DOS GASES QUENTES E DA ÁGUA 
Há 2 (dois) tipos de caldeiras Flamotubulares: 
Caldeira Flamotubular HORIZONTAL 
1.1.1 Flamotubulares 
1.1 QUANTO À POSIÇÃO DOS GASES QUENTES E DA ÁGUA 
1.1.1 Flamotubulares 
1.1 QUANTO À POSIÇÃO DOS GASES QUENTES E DA ÁGUA 
Caldeira Flamotubular VERTICAL 
1.1.1 Flamotubulares 
1.1 QUANTO À POSIÇÃO DOS GASES QUENTES E DA ÁGUA 
1. As caldeiras Flamotubulares são empregadas apenas para pequenas 
capacidades e quando se quer apenas vapor saturado de baixa pressão 
(ordem de até 25,00 kgf/cm²); 
1.1.1 Flamotubulares 
1.1 QUANTO À POSIÇÃO DOS GASES QUENTES E DA ÁGUA 
CARACATERÍSTICAS GERAIS: 
2. Transferência de calor ocorre em toda a área circunferencial dos tubos; 
 
3. Fornalha cilíndrica lisa ou corrugada; 
4. Número de passes de gases (1, 2, 3 ou 4); 
 
5. Geram somente vapor saturado, pois não tem aquecimento posterior 
(superaquecedor); 
 
6. Capacidade de geração de vapor e pressão limitadas; 
Geração, Distribuição e Utilização do Vapor 
1.1.1 Flamotubulares 
1.1 QUANTO À POSIÇÃO DOS GASES QUENTES E DA ÁGUA 
CARACATERÍSTICAS GERAIS: 
8. Até aprox. 20 ton/h (contudo operam até 30 ton/h) de vapor possuem menor 
custo de geração em relação às caldeiras aquotubulares; 
 
9. Melhor eficiência de transferência de calor por área de troca térmica; 
 
10. Utilizam o vapor geralmente para aquecimento (maior aproveitamento do 
calor latente em relação ao calor sensível); 
 
11. Operação mais simples; contudo, ocorrem muitos acidentes com estas; 
12 Operam com líquidos e gases 
Geração, Distribuição e Utilização do Vapor 
1.1.1 Flamotubulares 
1.1 QUANTO À POSIÇÃO DOS GASES QUENTES E DA ÁGUA 
PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO 
 Os gases quentes passam por dentro de tubos, ao redor dos quais está a água 
a ser aquecida e evaporada. Os tubos são montados à maneira dos feixes de 
permutadores de calor, com um ou mais passos dos gases quentes através do 
mesmo. Conforme figuras abaixo. 
 Estas caldeiras operam com combustíveis líquidos ou gasosos, sendo que o 
queimador se localiza na parte frontal da mesma. Este queimador atomiza o combustível, 
sendo o mesmo queimado na fornalha; que neste caso é uma câmara cilíndrica podendo ser 
lisa ou corrugada. Os gases da combustão passam no interior de tubos, podendo ter 1, 2, 3 
até 4 passes; até saírem pela exaustão. 
1.1.1 Flamotubulares 
 Tanto a fornalha quanto os tubos ficam circundados por água, sendo 
ancorados em espelhos (discos externos) por mandrilagem e/ou soldagem. 
1.1.1 Flamotubulares 
1.1 QUANTO À POSIÇÃO DOS GASES QUENTES E DA ÁGUA 
PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO 
Geração, Distribuição e Utilização do Vapor 
1.1.2 AQUATUBULARES 
1.1 QUANTO À POSIÇÃO DOS GASES QUENTES E DA ÁGUA 
 As caldeiras do tipo Aquatubulares tem circulação de água por 
dentro dos tubos e os gases quentes envolvendo-os. 
Geração, Distribuiçãoe Utilização do Vapor 
1.1.2 AQUATUBULARES 
1.1 QUANTO À POSIÇÃO DOS GASES QUENTES E DA ÁGUA 
 O tubulão superior, onde se dá a separação da fase líquida e do vapor, e; 
 
 O tubulão inferior, onde é feita a adição de água e decantação e purga do material 
sólido e em suspensão; 
PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO 
Geração, Distribuição e Utilização do Vapor 
1.1.2 AQUATUBULARES 
1.1 QUANTO À POSIÇÃO DOS GASES QUENTES E DA ÁGUA 
 Três tubulões superiores, onde se dá a separação da fase líquida e do vapor, e; 
 
 O tubulão inferior, onde é feita a adição de água e decantação e purga do material 
sólido e em suspensão; 
PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO 
Geração, Distribuição e Utilização do Vapor 
1.1.2 AQUATUBULARES 
1.1 QUANTO À POSIÇÃO DOS GASES QUENTES E DA ÁGUA 
 Três tubulões superiores, onde se dá a separação da fase líquida e do vapor, e; 
 
 O tubulão inferior, onde é feita a adição de água e decantação e purga do material 
sólido e em suspensão; 
PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO 
Geração, Distribuição e Utilização do Vapor 
1.1.2 AQUATUBULARES 
1.1 QUANTO À POSIÇÃO DOS GASES QUENTES E DA ÁGUA 
PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO 
Geração, Distribuição e Utilização do Vapor 
1.1.2 AQUATUBULARES 
1.1 QUANTO À POSIÇÃO DOS GASES QUENTES E DA ÁGUA 
PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO 
Geração, Distribuição e Utilização do Vapor 
1.1.2 AQUATUBULARES 
1.1 QUANTO À POSIÇÃO DOS GASES QUENTES E DA ÁGUA 
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO 
Há duas seções distintas de transferência de calor nesse tipo de caldeira 
: 
 Seção de radiação: A troca de calor ocorre por radiação direta da chama aos 
tubos de água, os quais geralmente delimitam a câmara de combustão. 
 
 Seção de convecção: A troca de calor se dá por convecção forçada, dos gases 
quentes que saíram da câmara de combustão atravessando um banco de tubos de 
água. 
Geração, Distribuição e Utilização do Vapor 
1.1.2 AQUATUBULARES 
1.1 QUANTO À POSIÇÃO DOS GASES QUENTES E DA ÁGUA 
 APLICAÇÕES 
1. Estas caldeiras são usadas para 
instalações de maior porte e na obtenção 
de vapor superaquecido. 
 2. Normalmente encontradas em usinas 
termoelétricas, siderúrgicas, refinarias, e ou em 
plantas industriais com necessidade de geração 
de grande volume de vapor. 
3. Nao há limite físico para capacidades. 
Encontram-se hoje caldeiras que 
produzem até 750 t/h de vapor com 
pressões até 3450 atm. 
1.1.2 AQUATUBULARES 
CARACTERISTICAS GERAIS DAS AQUATUBULARES 
Geração, Distribuição e Utilização do Vapor 
1.1.1 Flamotubulares 
1.1 QUANTO À POSIÇÃO DOS GASES QUENTES E DA ÁGUA 
VANTANGENS e DESVANTAGENS 
FLAMOTUBULARES 
 As principais Vantagens: 
 
 Custo de aquisição mais baixo; 
 Exigem pouca alvenaria; 
 Atendem bem a aumentos instantâneos de demanda de vapor. 
As principais desvantagens: 
 
 Baixo rendimento térmico; 
 Limitação de pressão de operação 
 Baixa taxa de vaporização (kg de vapor / m² . hora); 
 Dificuldades para instalação de economizador, superaquecedor e pré 
aquecedor. 
Geração, Distribuição e Utilização do Vapor 1.1 QUANTO À POSIÇÃO DOS GASES QUENTES E DA ÁGUA 
VANTANGENS e DESVANTAGENS 
AQUATUBULARES 
 As principais Vantagens: 
 
 Alto rendimento térmico; 
 Altas pressões de operação; 
 Relativa facilidade de inspeção; 
 Relativa facilidade para instalação de economizador, superaquecedor e pré-
aquecedor. 
As principais desvantagens: 
 
 Custo de aquisição alto; 
 Custo de manutenção alto; 
 Exigem muita alvenaria; 
 Demorada a partida e a parada do equipamento. 
1.1.2 AQUATUBULARES 
Geração, Distribuição e Utilização do Vapor 
1. Caldeiras de Vapor 
 Existem várias classificações de caldeiras de vapor. A escolha de um tipo se 
faz principalmente em função de: 
 Tipo de serviço 
 Tipo de combustível disponível 
 Equipamento de combustão 
 Capacidade de produção 
 Pressão e temperatura do vapor 
 Relação de Custo-benefício 
Geração, Distribuição e Utilização do Vapor 1.1 QUANTO À POSIÇÃO DOS GASES QUENTES E DA ÁGUA 
1.1.3 MISTAS (FLAMOTUBULARES/AQUATUBULARES) 
 Basicamente são caldeiras flamotubulares com uma antecâmara de 
combustão com paredes revestidas de tubos de água. Na antecâmara se dá a 
combustão de sólidos usando grelhas de diversos tipos e possibilitando o volume 
de câmara necessários aos combustíveis sólidos, como: lenha em toras, cavacos, 
etc. 
Geração, Distribuição e Utilização do Vapor 1.1 QUANTO À POSIÇÃO DOS GASES QUENTES E DA ÁGUA 
1.1.3 MISTAS (FLAMOTUBULARES/AQUATUBULARES) 
 Apesar de não possuir elevada segurança e maior eficiência térmica, etc, é 
uma solução prática e eficiente quando se tem disponibilidade de combustível 
sólido a baixo custo. Podem usar combustível líquido ou gasoso, com 
queimador apropriado. 
Características 
 Equipamentos que apresenta relativa facilidade na construção e operação, 
apresentam: 
 
 Média produção de vapor – cerca de 3 até 25 ton/h. 
 
 Pressão de operação – 15kgf/cm² a 30kgf/cm². 
Geração, Distribuição e Utilização do Vapor Geração, Distribuição e Utilização do Vapor 
2. Caldeiras de RECUPERAÇÃO 
 São aqueles geradores em que se faz o aproveitando o calor 
residual de processos industriais (gás de escape de motores, gás de alto 
forno, de turbinas, etc.). Ou seja: não utilizam combustíveis como fonte 
geradora de calor. 
 
 Em alguns destes casos a caldeira pode ser tanto aquotubular, como 
flamotubular, ou ainda mistas, valendo ainda a escolha pela capacidade 
de produção de vapor. 
 As unidades de recuperação ocupam hoje uma posição importante na 
tecnologia do aproveitamento e racionalização da energia. 
Geração, Distribuição e Utilização do Vapor 
Considerações Finais: 
 Nos últimos anos o desenvolvimento técnico das Caldeiras a 
Vapor se deu principalmente à demanda de vapor e do aumento das 
pressões e temperaturas de trabalho, no rendimento térmico, na 
utilização dos mais diversos combustíveis e principalmente em formas 
de controle automático dos equipamentos. 
Referências 
[1] BAZZO E. Geração de Vapor. Editora da UFSC, Florianópolis, 1992, 216p. 
 
[2] BIZZO, Valdi A. Notas de Aula. Faculdade de Engenharia da UNICAMP, 
2006. 
 
[3] MME/CNP. Economia de Combustível (12 folhetos) 1979. (Baseado em texto 
da Spirax Sarco Ltda, nglaterra, traduzido pela Sarco SA. 
 
[4] NADRUP Ingvar; NOVAES Mário Solé de. Operação de Caldeiras de Vapor. 
CNI, RJ, 1981, 88p. 
 
[5] PERA Hildo. Geradores de Vapor de Água. Grêmio Politécnico da USP, São 
Paulo, 1966, 288p 
 
[6] SPIRAX SARCO. Apostila de Distribuição de Vapor. Cotia, 1995.