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7-Caldeira

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CALDEIRAS
Prof. Paulo Cesar C. Pinheiro
Dept. Engenharia Mecânica da UFMG
Maio 2012
O Que é Uma Caldeira
É um vaso de pressão que utiliza água 
para transferir a energia da combustão 
para um processo. 
Sob pressão, a água quente ou vapor 
pode ser transferido a um processo.
Funções da Caldeira e Condições Necessárias
Caldeiras de Vapor: são os geradores de vapor mais simples. 
Queima algum tipo de combustível como fonte geradora de calor.
Caldeiras de Água Quente: são aquelas em que o fluido não 
vaporiza, sendo o mesmo aproveitado em fase líquida (calefação, 
processos químicos).
Geradores Reatores Nucleares: são aquelas que produzem vapor 
utilizando como fonte de calor a energia liberada por combustíveis 
nucleares (urânio enriquecido).
Caldeiras de Recuperação: são aquelas que não utilizam 
combustível como fonte geradora de calor, aproveitando o calor 
residual de processos industriais (gás de escape de motores, gás de 
alto forno, de turbinas, etc).
Classificação das Caldeiras
Tipos de Caldeiras
• Caldeira flamotubular
• Caldeira aquatubular
• Package Boiler
• FBC Boiler
• Spreader Stoker
Boiler
• Caldeira de Grelha 
Rotativa
• Combustão em Leito 
Fluidizado Atmosférico
• Combustão em Leito 
Fluidizado Pressurizado
• Combustão em Leito 
Fluidizado Atmosférico 
Recirculante
• Caldeira de Combustível 
Pulverizado
• Caldeira de Recuperação 
(Waste Heat Boiler)
Esquema de um Sistema de Caldeira
Queimador
FONTE DE 
ÁGUA
BRINE
SOFTENERS
CHEMICAL FEED
Combustível
BLOW DOWN BLOW DOWN 
SEPARATORSEPARATOR
AR
ARPRODUTOS DA 
COMBUSTÃO
VAPOR 
PROCESSO
CHAMINÉ DESAERADOR
BOMBAS
Caldeira
ECO-
NOMI-
ZADOR
Classificação das Caldeiras
Segundo a fonte energética utilizada:
- À combustível (Óleo, Gás, carvão, biomassa)
- Elétricas;
- Nuclear
Quanto à posição dos gases quentes e da água:
- Aquatubulares (aquotubulares);
- Flamotubulares (fogotubulares, pirotubulares);
Quanto à posição dos tubos:
- Verticais;
- Horizontais;
- Inclinados;
Quanto à forma dos tubos:
- Retos;
- Curvos;
Quanto à natureza da aplicação:
- Fixas;
- Portáteis;
- Móveis;
- Marítimas;
Classificação das Caldeiras (1)
Caldeira
Caldeira Especial
Caldeira Aquatubular
Caldeira Flamotubular
(Caldeira Cilíndrica)
Caldeira
Ferro Fundido
Caldeira 
Aço
Passe Único
Circulação forçada
- Tubos Curvos
- Tubos Retos
Circulação Natural
Combustão Externa
Combustão Interna
Tubo Longitudinal
Tubo Transversal
Aquecimento Indiret
Combust. Especial
Recuperação Calor
Classificação das Caldeiras (2)
Refinamento de metais / cimento / Produção de Ferro
Próximo pressão Crítica 
(22MPa)
Pressões médias e Altas (*) 
Package Boiler (Locomotiva)
Tubo pequeno diâmetro
Boa Eficiência
Fluidized Bed Boiler
Caldeira de grande tamanho
Dentro do tubo: Água
Fora do tubo: Gás Combustão
Produção de Vapor: >10t/h
Caldeira de pequeno tamanho
Produção de Vapor: 13 t/h
Pressão: < 1MPa
Recuperação de Calor
Carvão, Misturas COM, CWMCombustível Especial
Especial
Outras
Circulação Forçada
Passe Único
Tubos 
Curvos
Package Boiler (*)
<1 MPa, 1-2 t/h
Tubos Retos Caldeira
Circulação
NaturalAqua
tubular
Fornalha Cilíndrica
Tubo Transversal
Estrutura Simples
Baixa Pressão
Tubo Longitudinal
Flamo 
tubular
AquatubularAquatubularAquatubular
Gás Natural
Óleo 
Combust
Flamotubular
121 - 221
3,8 – 24,5
Alta Temp 
Água quente
Gás Natural
Óleo Combustível
Carvão
Resíduos de Madeira
1,0 – 24.,5
Combustível*
FlamotubularDesign**
Temperatura (0C)
Faixa de Pressão 
(kg/cm2)
Flamotubular
Aquatubular
Gás Natural
Óleo 
Combust
<121
< 3,8
Água quenteAlta PressãoBaixa PressãoClassificação
> 24,5
Água quente
Gás Natural
Óleo Combust
Flamotubular
0 – 1,0
Média Pressão
VaporTipo de Caldeira
* Algumas caldeiras podem utilizar mais de um tipo de combustível
** As caldeiras aquatubulaes são mais amigáveis aos combustíveis sólidos tais como 
carvão e resíduos de madeira que as caldeiras flamotubulares.
Classificação das Caldeiras (3)
Caldeira Ferro Fundido Flamotubular e Aquatubular
Geração elétrica: Pressão >126 kgf/cm2
Grandes indústrias / termoelétricas
Vapor de baixa pressão ou água quente
Pequenas indústrias, residencial e comercial
Flamotubular
Aquatubular Sem limitação de capacidade ou pressão
Limitação de pressão (Max = 17 kgf/cm2)
Acima 17 kgf/cm2 grande investimento
Limitação de Capacidade (Max = 13 t/h stm)
PontosTipo de Trasmissão de Calor
Produtos Combustão
Água
Caldeiras Flamotubulares
São aquelas em que os gases e os produtos da combustão passam 
por tubos que se encontram submergidos na água.
- Pequenas capacidades de produção de vapor: > 13.000 kg/h
- Baixa ou média pressão de vapor: > 17 kg/cm2
- Opera com óleo, gás ou combustível sólido.
Vantagens:
⇒ Menores exigências de pureza da água de alimentação.
⇒ Menor custo inicial devido a sua simplicidade de projeto.
⇒ Maior flexibilidade de operação
Inconvenientes:
⇒ Grande peso e tamanho (Obs. Relativo às dimensões).
⇒ Maior tempo para subir a pressão e entrar em funcionamento.
⇒ Não podem ser utilizadas para altas pressões
Caldeiras Flamotubulares
Caldeiras Flamotubulares Caldeiras Aquatubulares
São aquelas em que os gases e os produtos da combustão 
rodeiam tubos em cujo interior circula água.
Vantagens:
Podem ser postas em marcha rapidamente.
São pequenas e eficientes.
Trabalham a 30 atm ou mais.
Inconvenientes:
Maior custo
Deve ser alimentadas com água de grande pureza.
Caldeiras Aquatubulares
Aquatubular
Aquatubular: Tubos Retos e Tubos Curvos
Tipo Tubos CurvosTipo Tubos Retos
Tambor de 
vapor
Superaqueced
or
Exaustã
o gases
Entrada VaporTambor ÁguaQueimador
Queimador
es
Vaporizador
Ventilador
Tambor de 
água
Queimador
Tubo de 
água
Tambor de 
água
Vantagens e Desvantagens Tubos Retos
Sem flexibilidade para expansão térmica
Instalação de um manifold complicado
Não adaptadas para alta pressão
Fácil limpeza / Inspeção
Fácil substituição dos tubos
Tubos 
retos
Desvantagens
Vantagens
Tambor simples / tambor duploTambor
Parede de tubos de água
Pre-tratamento da água de alimentação
Limpeza químicaTubos 
curvos Tubo
Tecnologia 
necessária
Tipos e Características da Fornalha
Aparência
Velocidade de 
combustão: baixa
Velocidade de 
combustão: alta
Grande tamanho
Madeira
Tamanho pequeno 
Queima simples
característica
○○×�Esgoto e lama
○○○○Resíduo bruto
○○○○Biomassa sólida
Incinerador
Forno RotativoLeito fluidizadoGrelha móvelGrelha fixaTipo
Esquema de Instalação de Grelha Móvel
Loading Conveyer
Automatic Discharging Silo
Feeding Conveyer
Softening 
Facilities
Water 
Tank
Chemical 
Pump Feed 
Pump
Air Heater
Safety ValveSteam
Chimney
Induced 
Fan
Dust 
Collector
Forced 
Fan
Ignition 
Burner
Adjusting 
Silo
Oil 
Pressure 
Cylinder
LP Stoker
Ash Banker
Ash Pit
Ash Conveyer
Sand 
Injector
Biomass 
Feeder
Ash 
Treatment
Leito Fluidizado
Tambor de vapor
Produtos 
combustão
Banco de tubos
Tambor de água
Ar
Superaquecedor
Manifold de saída
Superaquecedor
Parede de tubos 
da fornalha
Alimentação de Carvão
Descarga do 
material do leito
Caldeira Fornalha Rotativa
1st Stage 
Combustion Air
Flue Gas
Rotary Kiln
Driving Machinery
Solid 
Fuel 
2nd Stage 
Combustion Air
Ignition 
Burner
2nd Stage 
Fire Box
Stoker
Ash 
Discharging 
Conveyer
Ash
Tiragem
É a diferença entre a pressão dos gases no interior da caldeira e a 
pressão atmosférica.
A tiragem é necessaria para o funcionamento da fornalha de uma 
caldeira, a fim de poder alimentar o ar necessario para a combustão 
do combustivel e arrastar os gases queimados até o exterior a travéz 
da chaminé.
Tiragem Natural: Se produz pelo efeito gerado por uma chaminé. 
Seu valor depende da altura da boca da chaminé acima do nível da 
abertura da fornalha.
Tiragem Mecânica: É a tiragem criada pela ação ventiladores, 
exaustores ou de injetores de ar, vapor. É necessário quando deve-
se mantener uma determinada tiragem com independência das 
condições atmosféricas e do regime de funcionamento