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SISTEMAS TÉRMICOS I EMA-003
UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS
INSTALAÇÕES DE CALDEIRAS
Prof. Paulo César da Costa Pinheiro
Departamento de Engenharia Mecânica da UFMG
1. INTRODUÇÃO
Caldeiras são dispositivos destinados a gerar vapor ou aquecer água, a partir de uma
fonte de calor (combustão, gases quente ou eletricidade), os quais serão empregados fora da
caldeira como fluido portador de calor ou fluido motor. São classificadas em caldeira a vapor
ou caldeiras de água quente.
Chama-se instalação de caldeiras o conjunto de caldeiras e suas instalações auxiliares.
Para se assegurar um trabalho estável e seguro são utilizados equipamentos auxiliares para
preparar e alimentar o combustível, soprar o ar e retirar os produtos da combustão (tiragem),
tratar e bombear a água, retirar as cinzas e escórias do combustível.
Quanto à utilização, as caldeiras são classificadas em: caldeiras energéticas, industriais,
de calefação e mistas.
As instalações de caldeiras para produção de eletricidade (centrais termoelétricas)
produzem vapor-d'água de pressão e temperatura elevadas, utilizado para gerar em uma turbina
energia mecânica. Essa energia mecânica é transformada em energia elétrica em um gerador.
O vapor sai da turbina a baixa pressão, é condensado e retorna à caldeira ou é utilizado na
rede de aquecimento residencial dos países frios.
As caldeiras industriais produzem vapor a pressões moderadas e pouco superaquecido.
Esse vapor supre as necessidades da empresa: aquecimento de água, evaporação, secagem etc.
As caldeiras de calefação produzem vapor saturado a baixa pressão ou água quente, que é
utilizado para aquecer edifícios residenciais ou industriais e seus equipamentos.
As caldeiras energéticas e industriais podem ser classificadas quanto a pressão do vapor
produzido: baixa pressão (8-16 bars), média pressão (22-39 bars), alta pressão (60-140 bars),
altíssima pressão (150-220 bars) e pressões hipercríticas (acima de 230 bars).
Quanto a capacidade (D), quantidade de vapor (t/h) gerado por um longo período com
rendimento máximo, as caldeiras podem ser classificadas em: pequenas (até 4-6 t/h), médias
(10-75 t/h), grandes (100-420 t/h) e gigantes (acima de 600 t/h).
Como fonte de calor são utilizados combustíveis naturais e manufaturados (carvão,
derivados líquidos e gasosos do petróleo, gás natural e de alto-forno), gases de escape de
fornos industriais, energia solar, energia nuclear etc. As caldeiras que aproveitam o calor dos
gases de escape de fornos e de outros processos tecnológicos, são chamadas caldeiras de
recuperação.
2. ESTRUTURA DE UMA CALDEIRA A VAPOR
A figura abaixo mostra o esquema de uma caldeira aquatubular moderna, funcionando
a carvão pulverizado. Normalmente a caldeira (5) encontra-se instalada em uma casa de
caldeiras (14). O reservatório de água de alimentação possui um dispositivo de desaeração
chamado desaerador (11). A água, bombeada pela bomba (12), passa pelo preaquecedor de
água (9) e alimenta o coletor da caldeira (7). A evaporação da água ocorre na parede de tubos
de água (6). O vapor saturado seco que sai do coletor, passa pelo superaquecedor (8)e sai para
o consumo.
Figura 1. Diagrama Esquemático de uma Caldeira.
As superfícies de evaporação são conectadas ao tambor superior, de onde saem os
tubos de descida que se ligam ao tambor (ou coletor) inferior formando o circuito de
circulação da água. No tambor superior existe a separação da água e vapor, e uma grande
reserva de água que garante um funcionamento seguro da caldeira.
Do depósito de estocagem, o carvão é transportado, triturado, e estocado no silo de
carvão úmido (1), de onde se dirige para o moinho (2) do sistema de preparação carvão
pulverizado. O combustível pulverizado é arrastado por um fluxo de ar oriundo de um
ventilador (3) até os queimadores (4). Nos queimadores também chega o ar secundário de
combustão, introduzido pelo ventilador de tiragem forçada (13), e preaquecido no preaquecedor
de ar (10).
A mistura ar/combustível produzida no queimador, se queima na fornalha (câmara de
combustão) em uma chama de alta temperatura ( 1500ºC). Usualmente a queima do
combustível é acompanhada da remoção simultânea do calor gerado. Para isso são instaladas
superfícies de aquecimento dentro da fornalha. Na maioria das caldeiras, as paredes da
fornalha são recobertas por tubos de água, que constituem as paredes de água (6), ou
superfícies de aquecimento por radiação. A radiação oriunda da chama, aquece, leva à ebulição
e transforma em vapor a água que circula nesses tubos.
A parte inferior da fornalha (de forma trapezoidal) é chamada fundo frio, onde a cinza
que cai da chama, esfria formando a escória. As caldeiras para gás e óleo não possuem o
fundo frio. Após transmitir parcialmente o calor às paredes, os produtos da combustão saem
( 1000ºC) entre os espaçamento dos tubo na seção superior da fornalha, e passam pelo
superaquecedor de vapor.
O vapor não é formado somente nas parede de tubos de água, mas também nas
superfícies de aquecimento por convecção, que são colocadas na fornalha e nas seções
seguintes do duto de gases. Nas caldeiras modernas, as superfícies de aquecimento por
convecção são construídas com tubos, tal como as superfícies de aquecimento por radiação.
Os superaquecedores são serpentinas de aquecimento tubulares que servem para secar
completamente e superaquecer o vapor gerado nas paredes de água e superfícies convectivas.
Os superaquecedores são normalmente instalados no primeiro ou segundo passo do duto de
gases da caldeira.
Em seguida os produtos da combustão atravessam o economizador e o preaquecedor
de ar. O conduto de gás no qual estão instalados o economizador e o preaquecedor de ar
chama-se seção convectiva ou poço convectivo, onde a transmissão de calor dos gases para
a água e ar é sobretudo realizada por convecção. Estas superfícies de aquecimento permitem
reduzir a temperatura dos produtos da combustão após o superaquecedor de 700-500ºC, para
aproximadamente 150ºC, aproveitando muito mais a energia liberada pelo combustível.
Os aquecedores de água ou economizadores (9) são superfícies de aquecimento
construídas em tubos de aço ou ferro fundido, destinadas a aquecer a água de alimentação. São
instalados próximo ou na última passagem de gás da caldeira. A presença do economizador
permite reduzir a temperatura dos gases efluentes da caldeira, e assim aumentar o rendimento
da instalação.
O preaquecedor de ar é instalado nos últimos passes da caldeira (10) e aquece o ar de
combustão introduzido na fornalha. O preaquecimento do ar intensifica o processo de
combustão e devido ao aumento da temperatura da chama, aumenta a transmissão de calor dos
gases para as superfícies de aquecimento. A maioria dos preaquecedores de ar é constituído
por tubos de aço de parede fina, no interior dos quais flui os produtos da combustão e no
exterior o ar. Entretanto algumas caldeiras de grande porte possuem preaquecedores de ar
regenerativos (Ljüngströn). 
Os gases que saem da caldeira são tratados no dispositivo separador de cinzas (15),
retirando-se as cinzas. Em seguida o ventilador de tiragem induzida (16) expulsa os gases para
a atmosfera através da chaminé (17). As cinzas retiradas dos gases e a escória retirada no
fundo da fornalha, são evacuadas por um fluxo de água através das bombas de descarga (18).
Atualmente é muito utilizado também o transporte das cinzas por fluxo de ar.
 As caldeiras a vapor são equipadas com sistemas de controle e automação, que
garantem um funcionamento seguro e econômico. Como instrumentação a caldeira possui
diversas válvulas e registros nos tubos de vapor e água, e também instrumentos de medição
de nível, temperatura, pressão e vazão (ar, combustível, água e vapor).
A fornalha e os dutos de gás estão protegidas por um revestimento (5), visando
minimizar as perdas térmicas para o meio ambiente. Este revestimento é feito de tijolos, placas
cerâmicas ou isolantes especiais, e possui um forro de chapas de aço, estanque ao gás, para
prevenir a introduçãode ar na fornalha e a saída dos gases quentes ao longo dos dutos. O
revestimento é mantido por uma estrutura construída com perfis de aço.
Todo o sistema de tubos e coletor superior é mantido por uma estrutura (14) formada
por colunas e vigas transversais, que suporta a caldeira e transmite o peso à fundação.
3. HISTÓRICO DA EVOLUÇÃO NA ESTRUTURA DAS CALDEIRAS
Do ponto de vista histórico, o desenvolvimento das caldeiras caminha no sentido de
aumentar a produção e os parâmetros do vapor produzido (pressão e temperatura), a
confiabilidade e segurança de operação, o rendimento térmico e reduzir a massa da estrutura
metálica (redução de custo). Esses objetivos são alcançados pelo aumento da superfície de
aquecimento e pela instalação do coletor superior fora da zona de aquecimento.
O ancestral de todas as caldeiras modernas foi a caldeira cilíndrica simples, constando
de um depósito cilíndrico horizontal (tambor) aquecido por uma fornalha (figura 2). As paredes
do depósito servem de superfície de aquecimento. O desenvolvimento tecnológico conseguiu
o aumento da superfície de aquecimento de dois modos:
1 - Introdução de tubos dentro do volume do tambor, utilizando tubos grandes como
fornalha (caldeiras de tubos de chama) e tubos pequenos para passar os produtos da combustão
(caldeiras de tubos de fumaça, flamotubulares, fogotubulares ou pirotubulares).
2 - Introdução de superfícies tubulares exteriores ao tambor, que funcionam como
vaporizadores de água (caldeiras de tubos de água ou aquatubulares).
Figura 2. Desenvolvimento Tecnológico das Caldeiras da Vapor.
A adição das superfícies de aquecimento, e a redução do diâmetro do tubos dessas
superfícies conduziu paulatinamente ao crescimento da superfície específica de aquecimento
(m2/m3 do volume dos dutos de gases) e ao aumento da relação da superfície de aquecimento
pelo volume do tambor.
Nas caldeiras aquatubulares, a circulação do fluido através do feixe vaporizador é
assegurado pela ascensão da mistura água-vapor, deslocada pela água sem bolhas de vapor que
desce do tambor pelos tubos de descida. Para evitar a evaporação da água nos tubos de
descida, aumentou-se o seu diâmetro (figura 2b) e diminuindo-se o seu aquecimento,
colocando-os fora da zona de altas temperaturas (figura 2c). Mais tarde os tubos de descida
foram colocados fora do revestimento da caldeira (figura 1).
A utilização dos tubos verticais no feixe de vaporização (figura 2c) elevou a
confiabilidade de circulação da mistura água-vapor. Essas caldeiras são chamadas caldeiras de
tubos verticais de água. Posteriormente aos tubos verticais, foram utilizadas as paredes da
fornalha como superfície vaporizadora. Apareceram as superfícies de aquecimento em forma
de painéis.
Nas caldeiras de alta pressão, em vez de depósitos inferiores como coletores (figuras
1, 2c), são utilizadas câmaras cilíndricas de diâmetro relativamente pequeno, que unem os
tubos das paredes de aquecimento e são elementos de transição entre esses e os tubos de
descida.
Progressivamente o tambor superior deixou de funcionar como superfície de
aquecimento, e a fim de aumentar a confiabilidade de funcionamento da caldeira, passou a se
situar fora da zona de aquecimento (figura 1).
A necessidade de superaquecer o vapor surgiu no século XIX, e para isso foram
instaladas superfícies especiais chamadas superaquecedores de vapor. Nesse desenvolvimento
tecnológico, chegou-se no início do século XX à caldeira de tubos de água verticais e tambor
superior, com circulação natural múltipla e com fornalha de paredes de tubos de água.
Nas caldeiras de alta pressão, utiliza-se uma bomba para assegurar uma circulação
forçada da água e da mistura água-vapor, de modo a aumentar a confiabilidade de
funcionamento. São as caldeiras de circulação forçada múltipla.
Modernamente desenvolveram-se as caldeiras de passe único, sem recirculação, com
circulação forçada e contínua (com ajuda de bomba de circulação) da água, da mistura de
água-vapor e do vapor superaquecido. Essas caldeiras não possuem tambor. Nesse princípio
também funcionam as caldeiras de aquecimento de água, sem superfícies de evaporação e de
superaquecimento. Os principais esquemas de circulação do fluxo de água, mistura vapor-água
e vapor nas caldeiras modernas são mostrados na figura 3.
A fornalha e os dutos de gases da maioria das caldeira operam a uma pressão inferior
à atmosférica. Essa pressão negativa impede que os produtos da combustão saiam para a casa
de caldeiras através das juntas do revestimento, das portas e escotilhas. Ultimamente tem sido
construídas caldeiras estanques ao gás, que utilizam um ventilador de tiragem forçada (13),
e funcionam com pressão positiva na fornalha.
Figura 3. Circulação de Água e vapor nas Caldeiras.
As caldeiras energéticas alimentam turbinas a vapor, e freqüentemente possuem um
superaquecedor de vapor adicional, chamado reaquecedor de vapor intermediário, que serve
para reaquecer o vapor retirado na tomada intermediária da turbina, a fim de elevar a sua
potência.
As maiores caldeiras fabricadas atualmente são as energéticas. Sua produção de vapor
alcança 4000 t/h, pressões de até 250 kgf/cm² e temperatura do vapor superaquecido de até
600°C, alimentado turbinas de potência acima de 1200 MW.
4. SUPERFÍCIES DE AQUECIMENTO DA CALDEIRA
Superfícies vaporizadoras
As superfícies de geração de vapor (vaporizadoras) por aquecimento, diferem em cada
tipo de caldeira. Normalmente as caldeiras possuem as paredes da fornalha compostas por
paineis (cortinas) de tubos, que absorvem calor por radiação, e um feixe convectivo, instalado
Figura 4. Posicionamento das Superfícies
Vaporizadoras de uma Caldeira com Coletor.
à saída da fornalha.
Nas caldeiras de circulação natural, os
painéis são fabricados com tubos lisos (paneis
de tubos lisos) de diâmetro interior de
40-60mm. Os paineis possuem uma série de
tubos elevadores verticais, conectados em
paralelo através de coletores (figura 4).
Normalmente a folga entre os tubos é de
4-6mm. Certos tubos do painel são instalados
diretamente no tambor da caldeira, sem
coletores superiores especiais. Cada painel,
juntamente com os tubos de descida
(montados fora do revestimento da fornalha),
formam um circuito independente de
circulação de água.
Na seção de saída dos gases da
fornalha, os tubos do painel se afastam
formando 2 ou 3 filas. Essa derivação dos
tubos se chama retentor de escórias, e visa dar
passagem aos gases, reduzir sua velocidade, e
prevenir o entupimento das folgas entre os
tubos pela solidificação das cinzas líquidas
Figura 5. Fornalha Dupla.
arrastadas pelos gases da fornalha.
Nos geradores de vapor de grande
potência, além dos paineis das paredes, são
instalados paineis adicionais que dividem a
fornalha em seções separadas (figura 5). Esses
paneis recebem radiação das chamas por ambos
os lados, e absorvem 2 vezes mais calor que os
paineis das paredes, aumentando a quantidade de
calor absorvido e permitindo diminuir as
dimensões da fornalha.
O projeto da superfície de absorção de radiação da fornalha (m2) é calculado através
de diversos métodos apresentados na literatura [2].
O cálculo da superfície de aquecimento do feixe convectivo (bem como a do
superaquecedor de vapor, do economizador e preaquecedor tubular de ar) é baseado nas
equações de transmissão de calor e no balanço térmico. A fórmula para transmissão de calor
por convecção pode ser escrita sob forma da Lei de Newton para o resfriamento:
onde U é o coeficiente global de transmissão de calor, t a diferença de temperatura média
logarítmica entre os produtos da combustão e o fluido motor, Q a quantidade de calor recebida
pela superfície de aquecimento (kJ/kg de combustível).
O valor de Q é dado por:
Q = H' - H" - Q5c + Qsuc
onde H' e H" são as entalpias dos produtos da combustão antes e depois da superfície de
aquecimento por convecção examinada, Q5c a perda de energia devido à dissipação térmica
para o meio ambiente na seção examinada, e Qsuc o calor introduzido pelo ar succionado no
duto.
Ocalor cedido pelos gases Q é transmitido pela superfície de aquecimento ao fluido
de trabalho (água, vapor, ar):
onde D é a vazão do fluido de trabalho (fluido motor); hentra e hsai as entalpias do fluido motor
na entrada e saída da superfície de aquecimento.
Superaquecedores
Os superaquecedores aumentam a temperatura do vapor saturado que sai da caldeira,
transformando-o em vapor superaquecido, utilizando o calor dos produtos da combustão. São
utilizados normalmente nas caldeiras aquotubulares, e em algumas caldeiras flamotubulares.
Em caldeiras de alta temperatura e pressão, a absorção de calor nos superaquecedores pode
representar até 60% do calor total. De acordo com o processo de transmissão de calor, os
superaquecedores, ou suas seções, são classificados em radiativos, convectivos ou
semiradiativos (figura 6).
Figura 6. Tipos de Superaquecedores.
A localização do superaquecedor na caldeira depende da disponilidade de espaço e da
temperatura desejada do vapor. Para se obter grande superaquecimento do vapor, é necessário
a instalar o superaquecedor dentro da fornalha, na região de alta temperatura, e troca de calor
ocorre por radiação. Neste caso têm-se os superaquecedores radiativos.
Os superaquecedores convectivos são instalados ao longo do duto horizontal de gases,
ou no início do poço convectivo, em forma de conjuntos de serpentinas, com passo 2,5-3
diâmetros do tubo. De acordo com a direção do fluxo de gases e vapor, os superaquecedores
podem ser classificados em contracorrente, concorrente ou fluxo combinado (figura 7).
Os superaquecedores são geralmente fabricados com tubos liso de 22-54 mm de
diâmetro, e constam de uma série de tubos ligados a 2 coletores. O primeiro recebe o vapor
saturado e o outro fornece o vapor superaquecido.
O cálculo térmico dos superaquecedores é efetuado com as mesmas equações acima.
Deve-se evitar velocidades de circulação de vapor muito elevadas, para dimiuir as perdas de
pressão. Normalmente utiliza-se velocidades entre 12 e 20 m/s.
A temperatura do vapor superaquecido deve-se manter constante, independente da carga
e do regime de trabalho da caldeira. A diminuição da temperatura aumenta o teor de umidade
do vapor nos últimos estágios da turbina, e o aumento da temperatura acima do calculado,
aumenta o perigo de deformações térmicas e da diminuição da resistência mecânica dos
diversos elementos da turbina. A temperatura do vapor é controlada através de
dessuperaquecedores. O dessuperaquecedor mais comum é o injetor, onde o controle da
temperatura é efetuado pela injeção de água tratada (condensado) no fluxo de vapor. A
evaporação dessa água absorve parte da entalpia do vapor e diminui a sua temperatura.
Economizadores
Os economizadores aquecem a água de alimentação, antes da seção vaporizadora da
caldeira, recuperando o calor residual dos produtos da combustão, permitindo uma vaporização
mais rápida e um aumento do rendimento da caldeira. Normalmente são fabricados com tubos
de aço 25-38mm de diâmetro, formando serpentinas verticais montadas em conjuntos
compactos. A água circula dentro dos tubos. Os tubos são dispostos em arranjos bem densos:
no sentido transversal ao fluxo de gases, a distância entre tubos vizinhos é 2-2,5 diâmetros de
tubo e ao longo do fluxo 1-1,5 diâmetros. A fixação dos tubos das serpentinas é feita
normalmente por suportes de apoio, fixos em vigas ôcas (para refrigeração com ar) isoladas
dos gases quentes (figura 8).
De acordo com o tipo de aquecimento da água, os economizadores são classificados
em vaporizadores e não vaporizadores. Os economizadores vaporizadores, podem transformar
até 20% da água em vapor.
O número total de tubos em paralelo, é determinado pela velocidade de fluxo da água:
>0,5 m/s para os economizadores não vaporizadores >1,0 m/s para os economizadores
vaporizadores. Essas velocidades são necessárias para retirar as bolhas de ar das paredes, que
contribuem para a corrosão, e para evitar a separação da mistura água/vapor, o que poderia
conduzir ao superaquecimento da parede superior do tubo, devido à pequena absorção pelo
vapor, e a ruptura do tubo. A circulação da água no economizador é sempre ascendente.
O número de tubos no plano transversal ao fluxo de gases é determinado pela
velocidade dos produtos da combustão (6-9 m/s). Essa faixa de velocidade preserva as
serpentinas contra a obstrução das cinzas e diminui a erosão devido às cinzas. Para facilitar
a reparação e limpeza exterior dos tubos, os economizadores são divididos em pacotes de 1-1,5
metros de altura, distanciados entre si de até 800 mm.
As deposições de cinzas nas superfícies exteriores dos tubos são retiradas
periodicamente por jato de areia. A aderência das cinzas é conseqüência da condensação do
orvalho dos produtos da combustão sobre as superfícies dos tubos. Por isso, muitas vezes
efetua-se um aquecimento prévio da água de alimentação a uma temperatura superior ao ponto
de orvalho da água e do ácido sulfúrico presentes nos produtos da combustão.
Em uma caldeira para combustível sólido, as fileiras superiores dos tubos do
economizador, sofrem uma acentuada erosão pelas cinzas, devido à alta velocidade dos gases.
Para prevenir a erosão desses tubos, são instaladas superfícies protetoras.
O cálculo térmico dos economizadores são efetuados pelas mesmas fórmulas acima.
Preaquecedores de ar
Os preaquecedores de ar são utilizados para elevar a temperatura do ar de combustão
e do ar do moinho de carvão, aproveitando o calor dos produtos da combustão efluentes.
De acordo com o princípio de funcionamento os preaquecedores de ar são classificados
em recuperativos e regenerativos. Nos preaquecedores recuperativos, o calor dos gases é
transmitido ao ar através da parede do tubo que os separa. De modo geral, esses
preaquecedores são construídos com tubos de aço (diâmetro 30-40mm), conforme o esquema
da figura 6. Normalmente esses tubos são instalados na vertical, com os gases circulando no
interior, e o ar passando transversalmente pelo exterior em vários passos.
O gás atravessa os tubos a uma velocidade 9-13 m/s, o ar contorna os tubos à metade
dessa velocidade. Assim, obtem-se aproximadamente o mesmo coeficiente de transmissão de
calor dos dois lados da parede do tubo.
Para evitar a corrosão e a aderência das cinzas, é desejável manter a temperatura das
paredes dos tubos acima do ponto de orvalho. Isso é possível mediante o aquecimento prévio
do ar em um preaquecedor a vapor ou pela a recirculação de uma fração do ar preaquecido.
O cálculo térmico dos preaquecedores de ar, também são efetuados pelas mesmas
fórmulas acima.
No preaquecedor de ar regenerativo, os gases aquecem um enchimento metálico, que
depois é colocado em contato com o fluxo de ar, cedendo calor ao ar. Este ciclo
aquecimento/resfriamento se repete de forma cíclica. Nas caldeiras, o tipo mais utilizado é o
preaquecedor Ljüngströn (figura 10). O Ljüngströn consiste de um rotor cilíndrico, dividido
em vários compartimentos, recheados com chapas finas onduladas de aço. Esse rotor
encontra-se montado entre dois canais onde circulam separadamente, e em contracorrente os
gases e o ar. O rotor gira lentamente (2-5 rpm) acionado por um pequeno motor, de modo que
a cada instante metade de sua superfície está em contato com o fluxo de gases quentes e
metade com o ar, absorvendo calor dos gases e cedendo ao ar. Apesar da temperatura do
enchimento variar periodicamente, a temperatura de preaquecimento do ar mantêm-se
constante.
Os preaquecedores de ar regenerativos são bastante utilizado em caldeiras a vapor, e
destacam-se por sua grande compacidade (até 250 m2 de superfície de aquecimento por m3 de
recheio). Seu principal inconveniente é a fuga de ar (até 10%) para o duto de gases,
aumentando as perdas de energia com os gases efluentes e obrigando o uso de maiores
ventiladores de tiragem forçada e induzida.
5. CÁLCULO DOS ELEMENTOS CONVECTIVOS
As superfícies de aquecimento por convecção são comumente constituídas de um banco
de tubos que é exposto ao fluxo dos produtosda combustão, em contracorrente ou em
paralelo, sendo exceção os pré-aquecedores de ar regenerativos.
O cálculo das superfícies convectivas é baseado nas equações de transmissão de calor
e de balanço térmico. A equação de transmissão de calor por convecção pode ser escrita sob
a forma da Lei de Newton para o resfriamento:
Q = U . A. T
onde T é diferença de temperaturas, A a área da superfície de aquecimento e U o coeficiente
global de transferência de calor.
A superfície de aquecimento é calculada em relação ao lado de máxima resistência
térmica; ou seja, no superaquecedor e economizador pelo lado do fluxo de gases. Nas
aplicações onde as resistências térmicas são da mesma ordem de grandezas em ambos os lados
(exemplo, pré-aquecedores de ar), é utilizado nos cálculos a média entre as áreas dos lados do
gás e do ar.
O coeficiente global de transferência de calor para uma superfície de aquecimento
limpa é:
U = 1 / (1/hc1 + L/k + 1/hc2) W/m2.°C
onde hc1 é o coeficiente médio combinado de transmissão de calor dos gases para a parede
(de 30 a 70 W/m2.°C); k a condutividade térmica dos tubos (52 W/m2.°C para os aços carbono
e 15 W/m2.°C para os aços austeníticos); L a espessura dos tubos da parede (0,003 a 0,006m);
hc2 o coeficiente médio de transmissão de calor por convecção entre a parede do tubo e a água
(3000 a 30000 W/m2.°C para os economizadores)
Assim, o coeficiente global de transmissão de calor para o economizador, com
superfície de aquecimento limpa, é aproximadamente igual á quantidade de calor transferido
entre o fluxo de gases e o tubo:
U hc1
Nos superaquecedores (580 < hc2 < 2320 W/m2.°C) e principalmente nos
preaquecedores de ar, onde o valor de hc2 é da mesma ordem de grandeza de hc1, o valor de
1/hc2 não pode ser desprezado. Assim:
U 1/(1/hc1 + 1/hc2) = (hc1 . hc2)/(hc1 + hc2)
onde o valor de hc1 é dado por:
hc1 = Fe. hc + hr
onde Fe é o fator de exposição, correção para a diminuição da capacidade de absorção de
calor na superfície devido à uma exposição deficiente ao fluxo de gases. Nas caldeiras
modernas Fe se aproxima de 1,00. hc é o coeficiente médio de transmissão de calor por
convecção, ou coeficiente de película, e hr é o coeficiente médio de transmissão de calor por
radiação.
A equação adimensional para a transmissão de calor por convecção, para um tubo
isolado em regime turbulento forçado é:
Nu = C.Rem.Prn
Em se tratando de gases, esta equação pode ser simplificada, uma vez que Pr é função
da atomicidade dos gases, e a composição do fluxo de gases pode ser considerada constante.
Assim, o termo adimensional Prn pode ser representado por uma constante:
Nu = C.Rem
Nu = hc.d/k
Re = V.d/ 
Assim:
hc = C.(k. Vm)/( m.d1-m)
Esta equação permite analisar o efeito dos principais parâmetros sobre o coeficiente de
película hc. A constante C e o expoente m são determinados experimentalmente. m é sempre
menor que 1,00, e se situa entre 0,60 e 0,65 para tubos em fluxo cruzado (cross-flow). Pode-se
notar também que o coeficiente de película hc aumenta com a velocidade do gás v e diminui
com o aumento do diâmetro externo do tubo d, além de depender da condutividade k e
viscosidade cinemática do gás.
Com o banco de tubos situado perpendicularmente ou oblicuamente ao fluxo de gases,
hc depende do tipo de arranjo do banco (linear ou não); de sua geometria, que é caracterizada
pelo passo transversal relativo S1/d, e pelo passo longitudinal relativo S2/d; e do número de
fileiras de tubos z na direção do fluxo. Com o banco de tubos exposto a um fluxo de gás
longitudinal, é necessário calcular o diâmetro equivalente.
O coeficiente médio de transmissão de calor por radiação dos produtos da combustão
hr, considera a radiação dos gases triatômicos (CO2, SO2, H2O) e das cinzas volantes, e pode
ser determinado por:
onde p é o grau de proteção das superfícies absorvedoras de calor (0,82); a emissividade
do fluxo de gases.
onde k.p.s é a absortividade total do fluxo:
k p s = (kg Vg + kc C) P.S
onde kg e kc são os fatores de atenuação da radiação para os gases triatômicos e para as
cinzas volantes, determinados por fórmulas empíricas, Vg a fração volumétrica de H2O, CO2
e SO2 (Vg = Vh2o + Vco2 + Vso2), C a concentração de cinzas nos produtos da combustão
(g/m3); P a pressão dos produtos da combustão (bar); S a espessura da camada radiante (m).
S = ( a . (S1 + S2)/d - b)
onde a e b são coeficientes que dependem do passo do banco de tubos.
Tendo sido calculado hc e hr, calcula-se hc1. O coeficiente médio de transmissão de
calor hc2, para os preaquecedores de ar e superaquecedores é determinado da mesma maneira
que hc.
Em geral para caldeiras em operação:
O valor de Lp/kp é tão pequeno que pode ser desprezado. Para caldeiras de alta e
média pressão, em operação contínua, o valor de Lsc/ksc também pode ser desprezado. O fator
de contaminação superficial (Fs=Lc/kc) é escolhido baseado nas recomendações das normas
de cálculo de caldeiras.
Considerando-se a contaminação externa, o coeficiente global de transmissão de calor
para as superfícies do economizador é:
e para o superaquecedor:
Para os preaquecedores de ar, é introduzido o coeficiente de utilização das superfícies
de aquecimento :
Para os arranjos paralelo e contracorrente, a diferença média de temperaturas T é
determinada pela diferença de temperaturas média logarítmica.
BIBLIOGRAFIA
[1] BASKAKOV A.P. Termotecnia, Moscou, Mir, 1985, 413p
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