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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 introdução